Строение атомного ядра и его характеристики

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размер атома определяется электронной оболочкой и примерно равен 10^–10 м. Ядро – центральная массивная часть атома, расположено в центре атома и имеет размеры порядка 10^–15 м. Следовательно, размер ядра меньше атома примерно в 10⁵ раз. Ядро состоит из очень маленьких частиц - протонов и нейтронов. Протон несет один положительный элементарный электрический заряд, а электрический заряд нейтрона равен нулю. Между этими частицами в любых парных комбинациях действуют ядерные силы, не зависящие от их электрического заряда, которые обеспечивают связь отдельных частиц с ядром. Поэтому в ядерной физике используют обобщающий термин нуклон, обозначающий любую из частиц, входящую в состав ядра, - как протон, так и нейтрон. Позднее будет показано, что протон и нейтрон это два состояния одной частицы.

Число нуклонов в ядре определяется массовым числом, которое обозначается буквой А. Массовое число – всегда целое число. Число протонов в ядре обозначается буквой Z. Кроме этого Z – число электронов в атоме с ядром, имеющим Z протонов, поскольку атом является электрически нейтральным. Химические свойства элементов определяются числом внешних электронов в атоме, а заполнение электронных оболочек приводит к периодичности в расположении атомов, то Z есть также порядковый номер или атомный номер элемента в периодической таблице Менделеева. Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Следовательно, число нейтронов в ядре N = A – Z. Любая из трех пар чисел (Z,N), (N,A) или (A,Z) однозначно определяет состав ядра. Обычно, по причинам, которые будут указаны ниже, используют пару чисел (А,Z).

              1). Протон p⁺. Открыт в 1919 г. Резерфордом.

Заряд положительный e = 1,602 · 10 ^{– 19} Кл  

Различие в величинах заряда протона и электрона не превышает 10^{– 21} от величины e.

Масса m_p = 1,672 · 10 ^{– 27} кг = 1836,2 m_e    

Масса также может быть выражена в энергетических единицах

m_p = 938,3 МэВ                   

Спин s = ½ в единицах , проекция спина s_z = ½

Волновая функция ассиметричная.

Дипольный момент у протона отсутствует.

Собственный магнитный момент протона равен:

 где  - ядерный магнетон.

Собственный магнитный момент протона существенно отличается от ядерного магнетона, что свидетельствует о его сложной структуре.

Протон относится к группе адронов и поэтому участвует во всех видах взаимодействий.

Протон стабильная частица, оценка времени жизни τ_e > 6,5 ·10³¹ лет.

2). Нейтрон. Открыт в 1932 г. Чедвиком.

Заряд нейтрона равен нулю. Оценка .

Масса m_n = 1,675 · 10 ^{– 27} кг = 1838,7 m_e    

Масса также может быть выражена в энергетических единицах

m_n = 939,6 МэВ                   

Спин s = ½ в единицах , проекция спина s_z = ½

Волновая функция ассиметричная.

Дипольный момент у нейтрона равен нулю.

Собственный магнитный момент протона равен:

 .

Отношение магнитных моментов нейтрона и протона равно:

Собственный магнитный момент нейтрона, как и протона, существенно отличается от ядерного магнетона, что свидетельствует о его сложной структуре.

Нейтрон относится к группе адронов и поэтому участвует во всех видах взаимодействий.

Рассмотрим теперь закономерности в формировании ядер. Атомы, ядра которых имеют конкретные значения A и Z, называются нуклидами. Для обозначения нуклида используют две формы записи: (_Z Х ^А ) или , где Х - символ химического элемента, атомы которого имеют соответствующее ядро. Например, (₆ C¹²) или - соответствующий нуклид углерода. Поскольку символ химического элемента однозначно связан с Z, то часто атомный номер в форме записи с указанием символа химического элемента опускают и пишут просто ¹²C. Такие же обозначения используются и для ядер.

Атомы, ядра которых имеют в своем составе одинаковое число протонов Z, но различающиеся числом нуклонов A, называются изотопами химического элемента. Вещества, имеющие в своем составе атомы изотопов, имеют одинаковые химические свойства, но различную плотность, температуру плавления, кипения и пр., т.е. различаются физическими свойствами. Например: изотопы водорода. ¹Н – протий (легкий водород); ²Н – дейтерий (тяжелый водород, для ядра употребляют также символ d); ³Н – тритий (сверхтяжелый водород, для ядра употребляют также символ t). ²³³U, ²³⁵U, ²³⁸U – изотопы урана. Однако об изотопе имеет смысл говорить, подразумевая его принадлежность к химическому элементу. Поэтому ²³⁵U – делящийся нуклид урана, а не делящийся изотоп урана. Таким же образом ³Н – радиоактивный нуклид водорода, а не радиоактивный изотоп, так как и в этом случае подразумеваются физические характеристики ядра, а не соответствующие химические свойства атома.

Нуклиды, ядра которых имеют одинаковое число нуклонов (одинаковое массовое число А), но различное число протонов Z, называют изобарами. Например: ³Н и ³Не - изобары трития и гелия, ¹⁰Ве, ¹⁰В, ¹⁰С - изобары бериллия, бора и углерода.

Нуклиды с одинаковым числом нейтронов в составе ядра называют изотонами. Например, ²Н и ³Не - изотоны водорода и гелия.

           Все существующие ядра можно разделить на две большие группы:

- стабильные ядра;

- нестабильные ядра, подверженные радиоактивному распаду.