Вводные сведения о стабильных ядрах. Энергия связи ядер

Основными характеристиками стабильного ядра являются заряд Z, масса M, энергия связи Δ E, радиус R, спин I, магнитный момент μ, квадрупольный электрический момент Q, изотопический спин T, спектр возбужденных состояний, четность волновой функции P.

Радиоактивные ядра дополнительно характеризуются типом радиоактивного превращения (α-распад, β-распад, спонтанное деление и др.), периодом полураспада T _1/2, энергетическими параметрами испускаемых частиц и др. Полная информация о ядре включает структуру и характеристики всех возможных энергетических состояний ядра; способы и вероятности перехода ядра из одного состояния в другое; сечения и характер взаимодействия ядра с другими ядрами и частицами.

Ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.

В экспериментах Резерфорда по прохождению α-частиц через металлическую фольгу было обнаружено, что атомные ядра имеют размеры ~(10⁻¹³–10⁻¹²) см, в то время как линейные размеры атомов примерно 10⁻⁸ см.

Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Массы протона mp и нейтрона mn близки друг к другу. Протон электрически заряжен. Его заряд положителен и по абсолютной величине равен заряду электрона. Электрический заряд нейтрона точно равен нулю, что отражено в названии частицы.

Протон представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e/m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.

В отличие от электронов, протоны и нейтроны подвержены действию специфических ядерных сил. Ядерные силы являются частным случаем самых интенсивных в природе сильных взаимодействий. За счет ядерных сил протоны и нейтроны могут соединяться друг с другом, образуя различные атомные ядра.

Свойства протона и нейтрона по отношению к сильным взаимодействиям совершенно одинаковы, чем, по-видимому, и объясняется близость их масс. Поэтому в ядерной физике часто используется термин нуклон, обозначающий любую частицу, входящую в состав ядра, – как протон, так и нейтрон. Можно сказать, что протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона.

Атом электрически нейтрален. Поэтому число протонов в ядре атома должно равняться числу электронов в атомной оболочке, т.е. атомному номеру Z. Общее число нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре обозначается через A и называется массовым числом. Числа Z и A полностью характеризуют состав ядра. По определению:

A = Z + N.

(2.1)

Для обозначения различных ядер обычно используется запись вида _Z X ^A, где X – химический символ, соответствующий элементу с данным Z. Например, выражение ₄Ве⁹ обозначает ядро атома бериллия с Z = 4, A = 9, имеющее 4 протона и 5 нейтронов. Левый нижний индекс не является необходимым, поскольку атомный номер Z однозначно определяется названием элемента. Поэтому часто употребляется сокращенное обозначение типа Be⁹ (читается «бериллий девять»).

Ядра с одним и тем же Z и разными A называются изотопами. Например, у урана (Z = 92) есть изотопы ₉₂U²³⁶, ₉₂U²³⁸. Иногда употребляются термины изобары (для ядер с одинаковыми A и разными Z) и изотоны (для ядер с одинаковыми N и разными Z). Для обозначения атомов определенного изотопа используется термин нуклид.

Самым тяжелым из имеющихся в природе элементов является изотоп урана ₉₂U²³⁸. Элементы с атомными номерами больше 92 называются трансурановыми. Все они получены искусственно в результате различных ядерных реакций.

По своим чисто ядерным свойствам различные изотопы, как правило, имеют мало общего. Но в подавляющем большинстве случаев атомы различных изотопов обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами, поскольку на структуру электронной оболочки атома ядро влияет практически только своим электрическим зарядом. Поэтому выделение какого-либо изотопа, например U²³⁵ из его собственной смеси с ₉₂U²³⁸, является сложной технологической задачей, для решения которой используются небольшие различия в скоростях испарения, диффузии и некоторых других процессов, возникающие за счет различия масс изотопов.

Атомный номер Z равен электрическому заряду ядра в единицах абсолютной величины заряда электрона. Электрический заряд является целочисленной величиной, строго сохраняющейся при любых (в том числе и при неэлектромагнитных) взаимодействиях. Совокупность имеющихся экспериментальных данных о взаимопревращениях атомных ядер и элементарных частиц показывает, что кроме закона сохранения электрического заряда существует аналогичный, строгий закон сохранения барионного заряда. Именно, каждой частице можно присвоить некоторое значение барионного заряда, причем алгебраическая сумма барионных зарядов всех частиц остается неизменной при каких угодно процессах.

Барионные заряды всех частиц целочисленные. Барионный заряд электрона и γ-кванта равен нулю, а барионные заряды протона и нейтрона равны единице. Поэтому массовое число А является барионным зарядом ядра. Закон сохранения барионного заряда обеспечивает стабильность атомных ядер. Например, этим законом запрещается выгодное энергетически и разрешенное всеми остальными законами сохранения превращение двух нейтронов ядра в пару легчайших частиц γ-квантов.

Атомные ядра могут существовать лишь в ограниченной области значений величин A, Z. Вне этой области, если соответствующее ядро и возникает, то оно мгновенно (т.е. за характерное ядерное время τ ≤ 10⁻²¹с) либо распадается на более мелкие ядра, либо испускает протон или нейтрон. Внутри области возможного существования далеко не все ядра стабильны.

Заслуживают упоминания следующие эмпирические факты и закономерности в отношении A и Z для стабильных ядер:

1. Известны ядра со всеми значениями Z от 0 до 107 включительно (ядром с Z = 0, N = 1 является нейтрон). Не существует стабильных, т.е. не подверженных самопроизвольному радиоактивному распаду, ядер при Z = 0, 43, 61 и Z ≥ 84.
   
2. Известны ядра со значениями A от 1 до 263 включительно. Не существует стабильных ядер при A = 5, 8 и при A ≥ 210.
   
3. Свойства ядер существенно зависят от четности чисел Z и N. Это видно уже из того, что среди стабильных изотопов больше всего четно-четных (четные Z, N) и меньше всего нечетно-нечетных (нечетные Z, N), которых известно всего четыре: ₁D², ₃Li⁶, ₅B¹⁰ и ₇N¹⁴.
   
4. При малых A стабильные ядра содержат примерно одинаковое число протонов и нейтронов, а при увеличении A процентное содержание нейтронов возрастает.
   
5. Большинство химических элементов имеет по нескольку изотопов. Рекорд здесь принадлежит олову (₅₀Sn), обладающему десятью стабильными изотопами. С другой стороны, некоторые элементы, например Be, Na, Al, обладают только одним стабильным изотопом.