Состав и характеристика атомного ядра

Ядра атомов состоят из двух видов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон (р) представляет собой ядро атома водорода. Он обладает зарядом +е и массой

m_p = 938,2 Мэв. (1)

В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на с ². Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы (а. е. м.).

1 а. е. м. = 1,66 10^-24 г = 931 Мэв.

Масса электрона, выраженная в единицах энергии, составляет

m_е = 0,511 Мэв. (2)

Из сопоставления (1) и (2) следует, что M _p = 1836 m_е.

Протон имеет спин, равный половине (s = ½), и собственный магнитный момент

m _р = 2,79 m ₀ = 2,79 , (3)

где m ₀ = = 5,05 10^-24 эрг/гаусс – единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения с соответствующим выражением для электрона: эрг/гаусс вытекает, что m ₀ в 1836 раз меньше магнетона Бора m _В. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтроном (n) называется не обладающая электрическим зарядом частица с массой

m_n = 939,5 Мэв, (4)

очень близкой к массе протона. Разность масс нейтрона и протона m_p – m_n составляет 1,3 Мэв, т. е. 2,5 т_е.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s = 1/2), (несмотря на отсутствие электрического заряда), собственным магнитным моментом

m _р = –1,91 m ₀.

Знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (е ^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино (). Период полураспада равен ~ 12 мин. Схему распада можно записать следующим образом:

. (5)

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона, как мы видели, больше массы протона на 2,5 т_е, следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (5), на 1,5 т_е, т. е. на 0,77 Мэв. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристика атомного ядра. Количество протонов Z, входящих в состав ядра, определяет его заряд, который равен + Zе. Число Z называется атомным номером (оно определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева) или зарядовым числом ядра.

Число нуклонов А (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре 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. Справа вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают, т. к. оно обычно определяется символом Х).

Большинство химических элементов имеет по нескольку разновидностей – изотопов, отличающихся значениями массового числа А. Так, например, водород имеет три изотопа: – обычный водород, или протий (Z = l, N = 0), – тяжелый водород, или дейтерий (D: Z = 1, N = 1), – тритий (Т: Z = 1, N = 2).

У кислорода имеется три стабильных изотопа: , , и . У олова – десять изотопов. Изотопы представляют собой ядра с одинаковым числом протонов Z. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести и . Ядра с одинаковым числом нейтронов N = А – Z носят название изотонов ( и ). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеется два изомера ядра : у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Радиус ядра довольно точно определяется формулой:
см ферми (6)

(ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной 10^-13 см). Из соотношения (6) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре.

В настоящее время известно около 1500 ядер, различающихся Z, либо А, либо и тем и другим. Около ¼ этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с Z от 1 до 92, исключая технеций (Тс, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Рu, 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 104) были получены только искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Для устойчивых ядер характерно определенное отношение числа нейтронов N к числу протонов Z. У легкихядер это отношение близко к единице. По мере увеличения числа нуклонов в ядре N/Z растет, достигая для урана значения 1,6 (см. рис. 1). Точки на рисунке соответствуют отдельным стабильным ядрам).

Рис. 1.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен ½, поэтому согласно квантовым законам сложения моментов квантовое число спина ядра I будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер I 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. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Результирующий момент ядра М_I складывается с моментом электронной оболочки М_J в полный момент импульса атома М_F, который определяется квантовым числом F.

С механическими моментами связаны магнитные моменты. Взаимодействие магнитных моментов электронов ядра приводит к тому, что состояния атома соответствующие различным взаимным ориентациям М_I и М_J (т. е. различным F) имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов m_L и m_S обусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием m_I и m_J 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.