Состав атомного ядра. Нуклоны и их взаимопревращаемость

Ядра атомов химических элементов состоят из двух видов частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена в 1932 г. одновременно и независимо физиками Иваненко и Гейзенбергом.

Масса протона =1836 . Собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона. Масса протона составляет 1,673∙ кг, или 1,00728 а.е.м.

Протон обладает зарядом + е, имеет спиновое число, равное половине (s = ) и собственный магнитный момент , где = eh /(2 )=5,05∙ - ядерный магнетон.

Нейтрон имеет массу ∙ кг, не обладает электрическим зарядом и, также как и протон, имеет спиновое число s = . Магнитный момент нейтрона = -1,91 . Знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская электрон (-е) и еще одну частицу, называемую антинейтрино (): . (22.1)

Период полураспада равен примерно 12мин.

Масса антинейтрино пренебрежимо мала по сравнению с массами частиц, фигурирующих в правой части уравнения (22.1). Масса нейтрона больше массы протона на 2,5 . Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц в правой части (22.1) на 1,5 m_e, т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число . Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, равный + . Число определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N=A-Z. Для обозначения ядер применяется символ , где под Х подразумевается химический символ данного элемента. Ядра с одинаковым числом Z называется изотопами. Большинство химических элементов имеют по нескольку стабильных изотопов. Например, водород имеет три изотопа: ; ; . Изотоп радиоактивен. У кислорода имеется три стабильных изотопа: ; ; ; у олова – десять и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.

Ядра с одинаковыми массовыми числами А называются изобарами (; ). Ядра с одинаковым числом нейтронов N=A-Z носят название изотонов (; ).Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A, отличающимися периодом полураспада ().Они называются изомерами. Например, имеются два изомера этого ядра, у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого − 4,4 часа.

В природе встречаются элементы с атомными номерами Z от 1 до 92, исключая технеций () и прометий (). Плутоний () в небольших количествах обнаружен в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы с Z от 93 до 118 были получены искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой: Ферми, (22.2)

(Ферми –единица длины в ядерной физике, равная м). Из формулы (22.2) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова. Соотношение (22.2) получено на основе опытов по рассеянию электронов высоких энергий на ядрах.

Протоны и нейтроны являются фермионами, т.к. имеют спин ħ /2. Ядро атома имеет собственный момент импульса– спин ядра: ,

где I – внутреннее (полное) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин(в единицах ħ) и подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна (ядра – бозоны). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин(в единицах ħ) и подчиняются статистике Ферми–Дирака(т.е. ядра – фермионы).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра P_{m яд} в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ _ЯД:

.

Ядерный магнетон в mp / me = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что в основном магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

Между спином ядра L яд и его магнитным моментом имеется соотношение:

Pm яд= γяд L _яд, где γяд – ядерное гиромагнитное отношение.