ФИЗИКА

8.1. Состав ядра и его характеристики

Ядро простейшего атома – атома водорода состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Другое название этих частиц – нуклоны.

Протон (p) обладает положительным зарядом +e, равным отрицательному заряду электрона e = 1,6 ⋅ 10-19 Кл и массой покоя mp = 1,6726 ⋅ 10-27 кГ. В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии:

(8.1.1)

С учетом (8.1.1) получим

(8.1.2)

Для сравнения укажем, что масса электрона в этих единицах равна

(8.1.3)

Из сравнения (8.1.2) и (8.1.3) следует, что mp = 1836 mв.

Протон имеет спин, равный половине (s = 1/2) и собственный магнитный момент

(8.1.4)

где

(8.1.5)

− единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном.

Из сопоставления (8.1.5) с магнетоном Бора μБ вытекает, что μя в 1836 раз меньше, чем μБ. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса mn = 1,6749 ⋅ 10-27 кГ или в единицах энергии mn = 939,57 МэВ. Из сравнения с (8.1.2) следует, что масса нейтрона больше массы протона на 1,3 МэВ.

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

(8.1.6)

(знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны). Происхождение магнитного момента нейтрона и аномально большого магнитного момента протона мы объясним в разделе 8.3 при рассмотрении схемы обменного взаимодействия между нуклонами.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e-) и антинейтрино .

Характеристики атомного ядра. Для обозначения ядер применяется символ ZAX, где Х – химический символ данного элемента, Z – зарядовое число, величина Х – число. Численно оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. А – массовое число. Оно определяет число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов), входящих в ядро. Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента (ZXA).

Ядра с одинаковым Z, но разными А, называют изотопами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Так, например, водород имеет три изотопа:

11H − обычный водород, или протий (Z = 1, N = 0)

21H − тяжёлый водород, или дейтерий (Z = 1, N = 1)

31H − тритий (Z = 1, N = 2)

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести ядра аргона 1840Ar и кальция 2040Ca. Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотонов (6C13, 7N14).

Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами.

Известно более 1500 ядер различающихся либо Z, либо А, либо тем и другим. Примерно 1/5 этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, 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 107) были получены искусственным путем.

Форма и радиусы ядер. Ядра нельзя рассматривать просто как крошечные капельки ядерного вещества. Их нельзя также рассматривать как совокупность крошечных шариков (протонов и нейтронов), которые удерживаются в определенном положении благодаря некоему ядерному «клею». Подобно тому, как динамика атомных электронов надлежащим образом описывается не механическими орбитами, а распределением плотности вероятности, ядерные частицы следует рассматривать не с классической, а с квантовой точки зрения. Как и атомы, ядра оказываются «размытыми». Действительно, эксперименты по определению распределения вещества внутри ядер показали, что ядра не имеют резких границ; в центре ядра существует определенная плотность ядерного вещества, и она постепенно уменьшается до нуля с увеличением расстояния от центра. Из-за отсутствия чётко определённой границы ядра его «радиус» определяется как расстояние от центра до точки, в которой плотность ядерного вещества ρс уменьшается в два раза (рис. 8.1.1).

Определённый таким образом радиус ядер в хорошем приближении описывается формулой:

(8.1.7)

где А – массовое число ядра.

Из (8.1.7) следует, что объём ядра V:

просто пропорционален общему числу протонов и нейтронов в ядре. Добавление протонов и нейтронов к какому-либо ядру с образованием нового элемента не приводит к сближению частиц: каждый протон и нейтрон занимают тот же объём независимо от числа частиц в ядре.

По аналогии с описанием средних положений электронов в атомах можно говорить и о формах ядер. Даже при таком квантовомеханическом описании среднее распределение плотности материи для большинства ядер оказывается не просто сферическим (рис. 8.1.2а). В действительности большинство ядер деформировано. Степень деформации, т.е. степень отклонения формы ядра от сферической, изменяется от одного ядра к другому. Некоторые ядра имеют форму вытянутых эллипсоидов (рис. 8.1.2б), другие форму сплющенных эллипсоидов (рис. 8.1.2в). Существуют ядра, имеющие ещё более сложную форму.

В заключение отметим важное обстоятельство. Как это следует из (8.1.6), атомы приблизительно в 100 000 раз больше, чем ядра.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра I будет полуцелым при нечётном числе нуклонов А и целым или нулём при чётном А. Спины ядер не превышают несколько единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно.

к к к