Строение атомного ядра

Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Общее число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом А: А = Z + N. Протоны обозначаются буквой p, нейтроны – буквой n.

Простейшее ядро – ядро атома водорода – состоит только из одного протона, вокруг которого вращается лишь один электрон. Но существует и изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Он имеет собственное название – дейтерий, его массовое число А = 2. Природный водород содержит смесь этих изотопов, хотя дейтерия в нём во много раз меньше, чем водорода. Существует и искусственно получаемый изотоп водорода с двумя нейтронами с массовым числом 3, называемый тритием. Ядра этих изотопов получили специальные названия и обозначения: ядро дейтерия обозначается буквой d и называется дейтроном, а ядро трития обозначается как t и называется тритоном. Протоны, дейтроны и тритоны, а также ядра атомов гелия, называемые альфа-частицами и состоящие из двух протонов и двух нейтронов, удобно разгонять в ускорителях, поскольку они имеют заряд, и бомбардировать ими различные мишени, изучая возникающие при этом ядерные реакции. Учитывая, что различные элементы могут быть представлены несколькими изотопами, в условном обозначении изотопов принято помимо условного обозначения самого элемента указывать сверху его атомное число А, а снизу – порядковый номер элемента: , где Х – условное обозначение элемента. Например, условное обозначение наиболее распространённого изотопа углерода имеет вид . Но, поскольку условное обозначение элемента однозначно связано с его порядковым номером (т.е. числом протонов в ядре), то последний часто опускают (поэтому тот же изотоп углерода может иметь обозначение ¹²С).

Массу ядер (и атомов) принято измерять в атомных единицах массы: а.е.м. 1 а.е.м. равна 1/12 массы ядра изотопа углерода ¹²С, что составляет 1,6605655∙10^-27 кг [1]. В соответствии с соотношением Эйнштейна атомную единицу массы можно выразить через энергию: 1 а.е.м. = 931 МэВ. В атомных единицах массы выражают и массу покоя других ядерных частиц [1]:

масса покоя электрона m_e = 5,4858026∙10^-4 а.е.м. = 9,109534∙10^-31 кг;

масса покоя протона m_p = 1,007276470 а.е.м. = 1,6726485∙10^-27 кг;

масса покоя нейтрона m_n = 1,008665012 а.е.м. = 1,6749543∙10^-27 кг.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра ядерными силами. По своей интенсивности они намного превосходят электрические, магнитные и гравитационные силы, но являются близкодействующими с радиусом действия около 10^-15 м. Они проявляются совершенно одинаково между протоном и протоном, нейтроном и нейтроном, нейтроном и протоном, т.е. для ядерных сил эти частицы идентичны. Поэтому и протоны, и нейтроны называют нуклонами (ядерными частицами). Энергия связи нуклонов в ядре во много раз превышает энергию связи электронов в атоме.

Ядро, как и атом, может находиться только в дискретных энергетических состояниях. В основном состоянии энергия покоя ядра минимальна. При получении извне определённой порции энергии ядро переходит на один из возможных возбуждённых уровней. Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклонов, то возбуждённое ядро, возвращаясь в основное состояние, испускает избыточную энергию в виде фотона ядерного происхождения, который имеет более высокую энергию (а значит, и частоту υ), чем фотоны атомного происхождения. Такие фотоны называют гамма-квантами. Если же энергия возбуждения ядра превышает энергию связи нуклона, то могут происходить несколько конкурирующих процессов: освобождаясь от избыточной энергии, ядро может выбрасывать из себя один или несколько нуклонов (нейтронов или протонов), альфа-частицу, бета-частицу (электрон или позитрон) или испускать один или несколько гамма-квантов. В последнем случае состав ядра не изменяется, а во всех остальных случаях происходит превращение ядра одного элемента в ядро другого элемента. Именно с такими превращениями ядер связано явление радиоактивности, которое рассматривается ниже.