Строение и основные характеристики атомных ядер

Атомное ядро было открыто в 1911 г. Э. Резерфордом в опытах по рассеянию a-частиц, проходящих через тонкие слои вещества. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона; нейтрон не имеет электрического заряда. Массы протона m_p и нейтрона mn несколько отличаются: mp=1,672×10^–27 кг, mn=1,675×10^–27 кг. В свободном состоянии нейтрон неустойчив и распадается за время порядка 10 мин. В ядре нейтрон абсолютно устойчив. Спин нейтрона и протона одинаков и равен 1/2 (в единицах ћ), т.е. эти частицы относятся к фермионам.

Протон обладает магнитным моментом, направление которого совпадает с направлением спина, а его значение составляет

,

где — единица магнитных моментов ядер, называемая ядерным магнетоном.

Несмотря на то, что нейтрон электрически нейтрален, он также имеет магнитный момент

,

где знак «–» указывает, что направления спина нейтрона и его магнитного момента противоположны.

Магнитные моменты нейтрона и протона связаны с их сложной внутренней структурой.

Протонно-нейтронная (нуклонная) модель была предложена в 1932 г. Д.Д. Иваненко и развита Д. Гейзенбергом. В настоящее время эта модель общепринята, поскольку она не противоречит ни одному опытному факту.

Рассмотрим на основе этой модели основные характеристики атомных ядер.

1. Заряд ядра. Он положителен и равен Ze, где e — величина заряда протона, а Z — зарядовое число, равное числу протонов внутри ядра (или, что то же, порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева). В настоящее время известны ядра с Z от 1 до 107.

2. Масса ядра. Массу ядра можно определить с помощью масс-спектрометров — приборов, разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (обычно ионов) с разными удельными зарядами q/m.

Массу ядра выражают в атомных единицах массы (а.е.м.): одна атомная единица равна 1/12 массы ядра изотопа углерода C¹², что в единицах СИ составляет 1,66×10^–27 кг. Используя известное соотношение между массой и энергией W=mc², массу ядер (и особенно массу элементарных частиц) часто выражают в энергетических единицах — мегаэлектронвольтах (МэВ): 1 а.е.м.=931,5016 МэВ.

Число нуклонов в ядре A=N+Z, где N — число нейтронов, называемое массовым числом. Нуклонам приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение A.

Ядро химического элемента обозначается , где X — символ химического элемента.

Ядра с одинаковыми Z, но различными A называются изотопами. Например, водород имеет три изотопа: — легкий водород или протий, — тяжелый водород (или дейтерий ), — сверхтяжелый водород (или тритий ).

В настоящее время известны около 300 устойчивых изотопов химических элементов и около 1000 искусственных (радиоактивных) изотопов.

3. Размеры ядер. С достаточно хорошим приближением можно считать, что ядро имеет форму шара с радиусом

R=R₀A^1/3,

где R₀=(1,3...1,7)×10^{-15 м. Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре (}V~R³~A), поэтому плотность вещества ядер примерно одинакова. Расчеты дают значение r@10¹⁷ кг/м².

4. Собственный момент импульса ядра (спин). В зависимости от того, четное или нечетное число нуклонов входит в состав ядра, его спин может быть как целым, так и дробным: S=0, 1/2, 1, 3/2,..., поэтому ядра могут относиться либо к бозонам, либо к фермионам. Спины большинства нуклонов в ядре компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно, поэтому спин ядра не превышает нескольких единиц.

5. Магнитный момент ядра. Между спином ядра L=s ћ и магнитным моментом p_m имеется связь, которая определяется соотношением, аналогичным (19.1):

p_m=g_я L,

где g_я — ядерное гиромагнитное отношение.

Магнитный момент ядра обусловлен магнитными моментами нуклонов, входящих в его состав. Значение магнитного момента ядра можно определить методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в принципе аналогичным методу электронного парамагнитного резонанса (ЭПР — см. § 19.2).