Состав ядер. Протонно-нейтронная модель. Изотопы и изобары. Масса и энергия связи ядер. Удельная энергия связи нуклона в ядре

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д.Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом).

Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона,

и массу покоя m_p = 1,6726×10^{-27 кг} » 1836 т_e,

где т_e — масса электрона.

Нейтрон (n) — нейтральная частица с массой покоя m_n = 1,6749×10^{-27 кг} » 1839 т_e.

Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus — ядро).

Общее число нуклонов в атомном ядре называ­ется массовым числом А.

Принятая сегодня в физике и химии международная атомная единица массы (а.е.м.) – это 1/12 массы наиболее распространенного в природе изотопа углерода: 1 а.е.м. = 1,66053873×10^{-27 кг.[1]}

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze,

где Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической системе элементов Менделеева.

Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z = 1 до Z= 107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: ,

где Х — символ химического элемента,

Z — атомный номер (число протонов в ядре),

А — массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме.

От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электро­нов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N=A—Z) называются изотопами,

а ядра с одинаковыми А, но разными Z - изобарами.

Например, водород (Z =1) имеет три изотопа:

- протий (Z =1, N =0),

Н—дейтерий, (Z =1, N =1),

Н—тритий (Z =1, N =2),

олово – десять изотопов, и т.д.

В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента.

Примером ядер-изобар могут служить ядра Ве, В, С. В насто­ящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо А. либо тем и другим.

Радиус ядра задается эмпирической формулой

где R_o = (1.3¸1.7)×10 ^{-15 м. (1)}

Однако при употреблении этого понятия необходимо со­блюдать осторожность из-за его неоднозначности. Например, из-за размытости гра­ницы ядра, как у всякой квантовомеханической системы.

Величина радиуса ядра варьируется от 2Ф до 10Ф

(1Ф («ферми») = 10^-15м)

Зависимость концентрации нуклонов C(r) от расстояния до центра ядра; r_o – уровень падения С(r) в два раза.

Из (1) вытекает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (»10¹⁷ кг/м³).

Размеры протонов и нейтронов примерно одинаковы и составляют около 0,8Ф, плотность их вещества ~7,5×10¹⁷ кг/м³, т.е., если атом почти «пуст», то ядро «заполнено» веществом примерно на 1/3.