Основные характеристики и свойства атомных ядер

Теоретическое введение к лабораторному практикуму по физике атомного ядра

Основные характеристики и свойства атомных ядер

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд. Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

Протон ( или ) - атомное ядро самого легкого изотопа водорода, его масса , заряд равен элементарному заряду . Протон обладает полуцелым спином и магнитным моментом .

Нейтрон () – частица, встречающаяся в природе только в составе атомных ядер и в небольшом количестве в составе космического излучения. Его электрический заряд равен нулю, масса , спин , магнитным моментом . Магнитный момент и спин нейтрона направлены в противоположные стороны.

«Свободный», т.е. не входящий в состав атомного ядра, нейтрон самопроизвольно превращается в протон

.

Период его полураспада равен 12 минутам. Нейтроны и протоны, таким образом, способны к взаимным превращениям.

Заряд ядра + Zе определяется порядковым номером химического элемента Z в периодической таблице Менделеева, и равен числу протонов в ядре. Массовое число равно суммарному числу нуклонов в ядре А = Z + N, где N – число нейтронов.

Ядра одного и того же элемента с различным числом нейтронов называются изотопами, ядра различных элементов с одинаковым массовым числом называются изобарами.

Радиус ядра пропорционален числу нуклонов в нем , где Плотность ядерного вещества составляет по порядку величину , она значительно превосходит плотности самых плотных веществ.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра

,

где I= 0, 1/2, 1, 3/2, 2 … – внутреннее квантовое число.

Магнитный момент ядра определяется магнитными моментами ядерных частиц.

Устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименных заряженных протонов, обеспечивают ядерные силы, относящиеся к классу сильных взаимодействий. Ядерные силы являются короткодействующими силами притяжения, обладающими зарядовой независимостью. Они не являются центральными силами, зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов, и имеют способность к насыщению.

Для того чтобы ядро расщепить на отдельные нуклоны необходимо затратить энергию, называемую энергией связи ядра

,

где - дефект масс - величина, на которую уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии 1 а.е.м. = 931,5 МэВ.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивей ядро. Наиболее стабильные ядра с атомной массой А~60. Из зависимости удельной энергии связи от атомной массы (рис.1) следует, что энергетически выгодны процессы слияния легких ядер в более тяжелые, и деление тяжелых ядер на более легкие.

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии.

Для описания свойств ядра рассматриваются капельная и оболочная модели ядра. Капельная модель трактует ядро, как каплю электрически заряженной жидкости с ядерной плотностью, подчиняющуюся законам квантовой механики. Эта модель объясняет механизмы ядерных реакций, реакции деления, энергию связи в ядре. Оболочная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполненными нуклонами, согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Эта модель объясняет магнитные моменты атомов, спины, различную устойчивость атомных ядер, периодичность свойств.