Взаимодействие нуклонов и понятие о природе ядерных сил

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

Все атомные ядра состоят из элементарных частиц протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

(протон ¹₁p гр. πρωτος - первый, нейтрон ¹₀n - англ. neutron от лат. neuter - ни тот, ни другой, нуклон – лат. nucleus ядро).

Протонно-нейтронная модель была предложена в 1932г. Д.Д.Иваненко, Е.Н.Гапоном, В.Гейзенбергом.

Зарядом ядра называется величина Ze, где e - величина заряда протона, Z - зарядовое число, равное порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева (числу протонов в ядре).

В настоящее время известны ядра с Z от 1 до 109.

Обозначим число нейтронов через N. Для большинства ядер N ³ Z, для легких ядер NZ ^-1» 1, для тяжелых ядер NZ ^-1» 1,6.

Число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам приписывается массовое число, равное единице, электрону – нулю.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами (¹₁H, ²₁D, ³₁T, …). Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. (изотопы – гр. ίσος - равный, τόπος - место; изобары – гр. ίσος и гр. βαρύς - тяжёлый).

Ядро химического элемента обозначается ^A_Z X, где Х – символ химического элемента.

В природе встречается порядка 300 устойчивых изотопов химических элементов, около 1000 радиоактивных изотопов получены искусственно. Элементы с номерами Z > 92 также получены искусственно. Большинство из них названо по имени выдающихся ученых, например, ²⁵²₉₉Es - эйнштейний, ²⁵⁷₁₀₀Fm - фермий, ²⁵⁸₁₀₁Md - менделевий, ²⁶¹₁₀₄Sg - сиборгий, ²⁶²₁₀₇Во - борий; ²⁵⁹₁₀₂No - нобелий (жолиотий).

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Он может быть оценен по следующей эмпирической формуле

R = R _o A ^1/3, (1)

где R _o = (1,3¸1,7) × 10^-15 м

(гр. έμπειρος - опытный).

Объем ядра, как это следует из (II-1), пропорционален числу нуклонов. Плотность ядерного вещества ρ_я ~ 10¹⁷ кг/м³.

Нуклоны в атомных ядрах являются фермионами и имеют спин ћ /2. Собственный момент импульса ядра – спин ядра равен

L _яд = √ I (I + 1) ћ, (2)

где I - внутреннее полное спиновое квантовое число

I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2, …

Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ћ) и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (бозоны). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин и подчиняются статистике Ферми-Дирака (фермионы).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которые определяют магнитный момент ядра.

Единицей измерения магнитных моментов служит ядерный магнетон:

e ħ

m_яд = ------, (3)

2 m _p

где m _p - масса протона.

Проекция спинового магнитного момента электрона р _ms на направление магнитного поля называется магнетоном Бора:

e ћ

± m_Б = ± -----. (4)

2 m _e

Сравнивая (3) и (4), получим:

m_e m_яд^-1 = m _p m _e^-1 = 1836,5. (5)

Следовательно, магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами электронов.

Ядерное взаимодействие свидетельствует о существовании особых ядерных сил, не сводящихся к гравитационным и электромагнитным. Радиус их действия (1,5¸2,2) фм, они не являются центральными. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково и не зависит от зарядового состояния (протонного или нейтронного). Они обладают насыщенностью, которая проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Предполагается, что взаимодействие между двумя нуклонами осуществляется с помощью третьей частицы p – мезона (пиона), т.е. эти силы носят обменный характер (гр. μέσος - средний). Существуют три типа p- мезонов: p⁺, p^-, p⁰.

Электронная оболочка атома является сравнительно “рыхлой” (энергия связи электрона в атоме ~ 10эВ) и легко может перестраиваться. Электронная оболочка ответственна за химические и многие физические (например, оптические) свойства вещества. Исчерпывающее описание свойства электронной оболочки дала квантовая механика.

В настоящее время принципиальная правильность планетарной модели атома и протонно-нейтронной модели ядра не вызывает ни малейших сомнений.

Date: 2015-11-15; view: 1084; Нарушение авторских прав