Состав и основные характеристики атомного ядра. Зарядовое и массовое число. Изотопы. Дефект масс и энергия связи ядра. Удельная энергия связи и ее зависимость от массового числа.

Атом – наименьшая часть химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электрически нейтральную систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Диаметр атома порядка 10^{-10 м, диаметр ядра – 10-15} – 10^{-14 м.} Ядро атома имеет сложное строение. В 1932 г. В.Гейзенберг и Д.Иваненко предложили нуклонную модель строения ядра, согласно которой ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Протон[от греч. protos– первый] (символ p) – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Время жизни протона > 10³¹ лет. Масса 1,6726∙10^{-27 кг} 938,3 МэВ. Электрический заряд протона положительный: 1,6∙10^-19 Кл. Спин протона равен ½, поэтому он подчиняется статистике Ферми-Дирака. Число протонов в ядре Z– зарядовое число, определяет общий заряд ядра +Zeи порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Заряд ядра определят число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов в ядре, а их общий отрицательный заряд равен –Ze .

Нейтрон(символ n) [от лат neuter– ни тот, ни другой] – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом, массой покоя 1,6749∙10^{-27 кг (939,565 МэВ).} Наряду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер. Имеет спин ½, подчиняется статистике Ферми-Дирака (является фермионом). Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком. В свободном состоянии нейтрон нестабилен, самопроизвольно распадается, превращаясь в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Время жизни нейтрона – 896 с.

Протон и нейтрон считаются двумя состояниями нуклона. Масса атома определяется в основном массой его ядра. Массовое число Aзависит от общего числа протонов Zи нейтронов Nв ядре: A=Z+N(ядро содержит Zпротонов и Nнейтронов). Массу ядра атома выражают в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а.е.м.) – единица массы, равная 1/12 массы изотопа углерода ¹²C; применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц, атомов, молекул. 1 а.е.м. = 1,6605655 · 10^{-27 кг.}

Для обозначения ядер атомов принята символика или

где X– символ химического элемента, Z– зарядовое число, A– массовое число.

Изотопами называют ядра, имеющие одинаковый заряд Z, но различные массовые числа A(т.е. различаются числом нейтронов). Например,

Ядра с одинаковыми A, но разными Zназываются изобарами. Например,

Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называются изотонами.Например,

Ядра с одинаковым числом протонов и нейтронов, но разными периодами полураспада называются изомерами.Например, существуют два вида ядер брома с периодами полураспада 4,4 часа и 18 мин.

В настоящее время известно более 2300 ядер, примерно 300 из них устойчивы, остальные нестабильны. В природе встречаются элементы с атомными номерами от 1 до 92 (кроме технеция и прометия ). Элементы с 93 получены искусственным путем, называются трансурановыми.

Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протоноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтроноизбыточные ядра). Протоноизбыточные ядра являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β⁺-распадов, протон, входящий в состав ядра при этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате β^--распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.

Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с процессами β⁺ и β^-- распада подвержены также -распаду и спонтанному делению, которые становятcя их основными каналами распада.

Плотность ядерного вещества 10¹⁷ кг/м³.

Спины нуклонов образуют результирующий спин ядра, суммируясь по квантовым законам сложения моментов. При нечетном числе нуклонов спин ядра будет полуцелым, при четном числе нуклонов – нулем или целым числом. Спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. Поэтому спины ядер не превышают нескольких единиц. У ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов (четно-четные ядра) спин равен нулю.

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода, во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное сильное взаимодействие– притяжение, обеспечивающее устойчивость ядер несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Энергия связи ядраопределяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая энергия, которую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W_св – величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса

называется дефектом массыи характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов.

Если ядро массой М_яд образовано из Z протонов с массой m_p и из (A – Z) нейтронов с массой m_n, то:

Вместо массы ядра М_яд величину ∆m можно выразить через атомную массу М_ат:

где m_Н – масса водородного атома. При практическом вычислении ∆m массы всех частиц и атомов выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.). Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (a.e.э.): 1 а.е.э. = 931,5016 МэВ.

Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:

Удельной энергией связи ядраω_св называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

Величина ω_свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон.

38. Ядерные силы и их основные свойства. Обменный характер ядерного взаимодействия нуклонов. π-мезоны как кванты поля ядерных сил.

Ядерные силы (англ. Nuclearforces) являются силами взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Они стремительно убывают с ростом расстояния междунуклонами и становятся практически незаметными на расстояниях выше 10^-12 см.

С точки зрения полевой теории элементарных частиц ядерные силы, в основном, являются силами взаимодействия магнитных полей нуклонов в ближней зоне. На больших расстояниях потенциальная энергия такого взаимодействия убывает по закону 1/r³ - этим объясняется их короткодействующий характер. На расстоянии (3 ∙10^-13 см) ядерные силы становятся доминирующими, а на расстояниях менее (9,1 ∙10^-14 см) они превращаются в еще более мощные силы отталкивания. График потенциальной энергии взаимодействия электрического и магнитного полей двух протонов демонстрирующий наличие ядерных сил приведен на рисунке.

Протон - протонные, протон - нейтронные и нейтрон - нейтронные взаимодействия будут несколько отличаться поскольку структура магнитных полей протона инейтрона разная.