Состав ядра, его основные характеристики. Ядерные силы и их основные свойства. Понятие о мезонной теории ядерных сил.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра (порядковый номер в таблице Менделеева).

Масса ядра произвольного элемента определяется величиной, близкой к сумме масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Поэтому массовое число ядра, обозначаемое буквой А и выраженное в атомных единицах массы, округленно равно А = N + Z . Z – заряд ядра, определяет число протонов в ядре и число электронов в электронной оболочке нейтрального атома. N – число нейтронов в ядре. Протон и нейтрон имеют общее название – нуклон. Для обозначения ядра применяется символ , где Х является символом химического элемента. Например, , что означает Z = 82, N = 126, A = 208.

Различные комбинации чисел протонов и нейтронов соответствуют различным ядрам. При этом можно выделить следующие группы атомов.

Изотопы – атомы, ядра которых имеют одинаковое число протонов Zи различное число нейтронов N. Такие элементы занимают одно и то же место в периодической системе. Например, в природе распространена группа изотопов водорода:  – легкий водород,  – дейтерий и – тритий. Ядра изотопов водорода также имеют собственные названия: протон, дейтрон, тритон.

Изобары – атомы, ядра которых имеют одинаковое число A ( ).

Наряду с термином ядро атома используется термин нуклид.

Примерные размеры атомов и их составляющих:

размер ядра ~ 10^–14 м, размер нейтрона и протона ~10^–15 м, атома ~ 10^{– 10} м, электрона < 10^–18м.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющий условный смысл, так как границы ядра размыты, как у любой квантовой системы. Экспериментально установлено, что в каждом ядре имеется внутренняя область, где плотность вещества постоянна. Эту область окружает поверхностный слой, где плотность вещества падает до нуля. Эмпирическая формула для радиуса ядра

                 . 1 Фм (фемтометр) =10^–15 м                (1)

Это выражение может быть истолковано как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем V ~ А. (1) означает независимость средней плотности ядра от массового числа.

Масса ядра выражается в атомных единицах массы или в МэВ/с².

1а.е.м. =1/12 массы атома углерода с атомной массой 12,000. 1а.е.м. = 1,66×10^–27 кг » 931,5 МэВ/с².

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение его массы на величину Dm, которая называется дефектом масс.

                                                    (2)

Dm выражается в атомных единицах массы или в МэВ/с².

Важной характеристикой ядра является энергия связи ядра W(A,Z) – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные составляющие его протоны и нейтроны без сообщения им кинетической энергии.

                W(A,Z) = Δтс² = [Zm_p +(A – Z)m_n – M_я(A,Z)]·с²,                     (3)

Удельная энергия связи – средняя энергия, приходящаяся на 1 нуклон: .           (4)

Для большинства ядер удельная энергия связи почти одинакова и ~ 8 МэВ. Поэтому полная энергия связи примерно пропорциональна массовому числу, т.е. числу нуклонов в ядре. Это говорит о свойстве ядерных сил, называемом насыщением. Оно заключается в том, что каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов.

Нуклоны в ядре удерживаются специфическими ядерными силами, которые являются проявлением сильного взаимодействия. Ядерные силы обладают следующими свойствами:

– являются короткодействующими, радиус их действия 10^–14 м;

– самые интенсивные, они на 2-3 порядка мощнее электромагнитных сил. Ядерные силы обеспечивают существование ядер с удельной энергией связи около 8 МэВ.

– Обладают свойством насыщения. Это проявляется в том, что в ядре протон может образовывать связанное состояние не более, чем с двумя нейтронами. По этой причине изотоп водорода тритий уже нестабилен.

– Обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном одинаковы. Это свойство не означает полную тождественность систем р – р, п – п, р – п, так как протоны и нейтроны являются фермионами и системы р – р, п – п состоят из тождественных частиц, а система р – п – из разных.

– Имеют обменный характер. При взаимодействии нуклоны могут обмениваться своими координатами, зарядами, проекциями спинов.

– Зависят от спина нуклонов. На эту зависимость указывает тот факт, что нет состояния дейтрона со спином 0. Т.е. спины протона и нейтрона в этом состоянии только параллельны.

– Являются нецентральными, т. е. зависят от ориентации спинов нуклонов относительно прямой , соединяющей нуклоны.

В 1935 г. японский физик Х. Юкава высказал гипотезу, что ядерное взаимодействие есть результат обмена нуклонов виртуальной частицей. Эти частицы должны иметь массу больше массы электрона, но меньше массы протона, поэтому их назвали мезонами. (От греч. mesos – промежуточный, средний). Мезоны стали искать экспериментально. В 1947 году они были обнаружены в космическом излучении. Эти частицы назвали пи-мезонами (от англ. рrimary – первичный). Сейчас эти частицы именуют более кратко – пионы. Пион существует в виде p⁰, p^–, p⁺.

Пи-мезоны играют важную роль при нуклон-нуклонном взаимодействии на расстояниях 1,5–2 Фм. Суть мезонной теории ядерных сил следующая. Два нуклона, находясь на расстояниях r £ h/2m_pc, обмениваются пионами, что является причиной ядерного взаимодействия. Возможны 4 типа обмена:

                                                      p « p + p⁰,                                                    (5)

                                                      n « n + p⁰,                                                   (6)

                                            p « n + p⁺, n « p + p^–,                                        (7)

при которых нуклоны оказываются окруженными облаком виртуальных пионов, образующих поле ядерных сил. Поглощение мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами.

На расстояниях меньше 1,5 Фм нуклоны обмениваются более тяжелыми мезонами: h (549 МэВ), r(770 МэВ), w(782 МэВ), которые определяют отталкивание нуклонов.