Политех в Сети

Сайт для Учебы

Состав и характеристика атомного ядра

Рейтинг пользователей: / 6
ХудшийЛучший 

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон. Протоно ( p ) обладает зарядом +e и массой

Mp= 938,28 МэВ

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

me= 0,511 МэВ

Из сопоставления и следует, что mp= 1836 me

Протон имеет спин, равный половине (s = ), и собственный магнитный момент

Где

- единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μя в 1836 раз меньше магнетона Бора μб. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физи­ком

Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса

Mn = 939,57 МэВ

Очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона (mn – mp)

Составляет 1,3 МэВ, т. е. 2,5 me.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s = ) и (не­смотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

μn = - 1,91 μя

(знак минус указывает на то, что направления собственных механи­ческого и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.

Отметим, что отношение экспериментальных значений μp и μn с большой степенью точности равно - 3/2 . Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино . Период полураспада (т. е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схе­му распада можно написать следующим образом:

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы прото­на на 2,5me. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения на 1,5me, т. е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра. Одной из важнейших характерис­тик атомного ядра является зарядовое число Z. Оно равно коли­честву протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Ze. Число Z определяет порядковый номер химичес­кого элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его так­же называют атомным номером ядра.

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 X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента

Ядра с одинаковым Z, но разными А называются Изотопами.
Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных
изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:

, у олова - десять, и т. д.

Водород имеет три изотопа:

– обычный водород, или протий (Z=1, N=0),

– тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),

– тритий (Z=1, N=2).

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются Изобарами.
В качестве примера можно привести и . Ядра с одинако-­
вым числом нейтронов N = A – Z носят название Изотонов (,).
Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A,
отличающиеся периодом полураспада. Они называются Изомерами. Напри-­
мер, имеются два изомера ядра , у одного из них период полу­-
распада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, осталь­ные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, Z = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. е. заурановые) элементы (с Z от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различ­ных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученых II. и М. Кюри, А. Эйнштейна, З. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика И. В. Курчатова.

Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реак­ций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым

Н. Н. Флеровым и его сотрудниками.

Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

(ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, рав­ной

10-13 см). Из формулы следует, что объем ядра пропорцио­нален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер J не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т. е. ядро с четным числом протонов и четным чис­лом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра MJ складывается с моментом электрон­ной оболочки в полный момент импульса атома MF, который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям MJ и (т. е. различным F), имеют немного отли­чающуюся энергию. Взаимодействием моментов μL и μS обусловлива­ется тонкая структура спектров. Взаимодействием μJ и определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщеп­ление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.