Розмір, склад і заряд ядра. Масове і зарядове число

IX. фізика атомного ядра та елементарних частинок

Досліджуючи проходження - частинок з енергією декілька МеВ крізь тонкі пластинки золота, Е. Резерфорд зробив
висновок про те, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронів, які його оточують. Розмір ядра ~ м, а розмір атома м.

Атомне ядро складається з елементарних частинок протонів і нейтронів. Протон (р) має позитивний заряд, що до­рівнює заряду електрона, масу спокою , спін і власний магнітний момент , де – ядерний магнетон. Нейтрон (n)- нейтральна частинка з масою спокою , спіном і власним магнітним моментом . Протони і нейтрони називають нуклонами (від латинського nukleus – ядро). Загальна кількість нуклонів в ядрі називається масовим числом А. До складу ядра входять Z протонів та N нейтронів, тому A=Z+N.

Атом з певним числом протонів і нейтронів в складі ядра називається нуклідом. Нуклід з ядром в основному стані позначають , де X – символ хімічного елемента з порядковим номером Z.

Атомне ядро характеризується зарядом Ze, де e – заряд протона, Z – зарядове число ядра.

Зарядове число Z характеризує одночасно:

- число протонів в ядрі,

- число електронів в електрично нейт­ральному атомі,

- порядковий номер елемента в періо­дичній системі Менделєєва.

Нині відомі і вивчені близько 1800 ядер природних і штучних елементів, які відрізняються або Z, або A, або Z і A.

Ядра , , ,... при пев­них значеннях Z, A і N утворюють деякі групи:

ізотопи:
;
| , , | , , |
| , , , |

ізобари:
| , , | , | , |

ізотони:
| , , | , |

дзеркальні ряди: | , | , | , |

ізомери:
різні періоди піврозпаду
, .

Радіус ядра визначається емпіричною формулою:

, де м.

Радіус ядра, враховуючи його розмитість, визначається в певних межах. З формули видно, що радіус ядра пропорційний до кількості нуклонів. Отже, густина ядерної речовини є приблизно однакова для всіх ядер .

Прилади високої роздільної здатності дозволили виявити надтонку структуру спектральних ліній ядерного випромінювання. Існування такої структури було пояснено наявністю у ядер власного моменту імпульсу (спіну) та відповідно магнітного моменту.

Власний момент імпульсу ядра – спін ядра – складається із спінів нуклонів та орбітальних моментів імпульсу нуклонів. Обидві ці величини є векторними, тому спін є їх векторною сумою. Спін ядра квантується за законом: ,

І – спінове ядерне квантове число (або спін ядра), яке набуває цілі або напівцілі значення 0, , 1, . Ядра з парним значен­ням А мають цілий спін, ядра з непарним – напівцілий спін.

Атомне ядро, крім спіна, має маг­нітний момент . Магнітний момент зв’язаний зі спіном співвідношенням

,

де – коефіцієнт пропорційності, який називається ядерним гіромагнітним відношенням.

Оскільки ядерний магнетон в 1836 разів менший, ніж магнетон Бора, то магнітні властивості атома, переважно, визначаються магнітними властивостями елек­тронів.

Протони і нейтрони розміщуються таким чином, що їх спіни і магнітні момен­ти взаємно компенсуються. Відмінні від нуля спіни існують лише у ядер які складають з непарної кількості протонів або нейтронів.

Атомне ядро є квантово-механіч­ною системою, яка має значну кількість різних квантових станів. Квантові стани характеризуються енергетичними рівнями ядра, які можуть набувати лише дискретні значення . Таку систему певних енергетичних рівнів називають енергетичним спектром ядра (рис. 333). Якщо на ядро не діють зовнішні сили, то воно знаходиться в основ­ному стані – на найнижчому енергетичному рівні , який приймають за початок відліку . Вертикальні стрілки на рис. 333, напрямлені зверху вниз, показують переходи між енергетичними рівнями з випромінюванням – квантів.

Якщо ядро отримує певну порцію енергії, воно переходить у збуджений стан на вищий енергетичний рівень. Середній час життя ядра у збудженому стані дорів­нює . Після перебування у збудженому стані ядро переходить на один із рівнів, з меншою енергією або зра­зу в основний стан, випромінюючи один – квант або послідовно декілька квантів.

Чим більше нуклонів у складі ядра і чим вища енергія збудження, тим менша середня відстань між рівнями.

Маса і енергія є важливими характеристиками атомного ядра, зміна яких
визначає характер перебігу будь-яких
ядерних процесів. Застосування законів збереження маси і енергії дозволяє проводити розрахунок ядерних взаємодій.

Масу атомів і ядер в ядерній фізиці виражають в атомних одиницях маси (а.о.м.). За атомну одиницю маси приймається частина маси атома вуглецю . . Згідно із співвідношенням Ейнштейна масу атомів визначають також в одиницях енергії: .

ІВАНЕНКО ДМИТРО ДМИТРОВИЧ

(нар.1904 р.)

Сформулював в 1932 р. гіпотезу про протонно-нейтронну будову ядра, розглядаючи нейтрон як елементарну частинку.

Почав разом із Є.М. Гапоном вивчення оболонок протонів і нейтронів в ядрах

ГАМОВ ДЖОРЖ (ГЕОРГІЙ АНТОНОВИЧ)

(1904-1968)

Сформулював уявлення про рівні енергії в ядрі та показав, що більш ефективнішими
„ядерними снарядами” є протони.

ВАЛЬТЕР АНТОН КАРЛОВИЧ

(1905-1965)

Провів цикл досліджень розмірів і форми ядер методом розсіяння електронів.

КЛЮЧАРЬОВ ОЛЕКСІЙ ПАВЛОВИЧ

(нар.1910 р.)

Вперше вивчив (1959 р.) ізометрію атомних ядер в мілісекундній області, отримав більше 20 нових ізомерних ядер і встановив закономірності їх розпаду, виявив більш складні ізомерні стани – трьох і чотирьохчастинкові.

Відкрив (1962 р.) ізобар-аналогові стани і резонанси в області середньотяжких ядер (ідентифіковано 27 ізобар-аналогових станів в ядрах з непарним А£41).

Визначив (1969 р.) квантові характеристики рівнів ряду ядер, більшість з яких отримано вперше.

АФАНАСЬЄВ МИКОЛА ГРИГОРОВИЧ

Провів в 1962-65 рр. дослідження з розсіяння атомними ядрами електронів. Показав, що для всіх середніх і тяжких ядер, починаючи з ²⁸Si середньоквадратичні зарядові радіуси ядер про­порційні Z^1/3, а не А^1/3, як передбачалось раніше (R_z=r₀(2z)^1/3), а крива залежності середньоквадратичного радіуса від Z або А не є монотонною, а є осцилюючою, що відображає оболонкову структуру ядер.

ЛАЗАРЄВ БОРИС ГЕОРГІЙОВИЧ

(1906-2001)

Розробив низькотемпературний метод розділення ізотопів гелію, який дав змогу добувати із суміші ізотопів гелію.

ДАВИДОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ

(1912-1993)

Праці Давидова з теорії ядра справили великий вплив на уявлення про форму ядер та види колективних рухів в них. Сформулював і розвинув основні положення моделі жорсткого неаксіального ротатора, яка дала можливість пояснити багато закономірностей у спектрах низьких збуджень великої групи несферичних ядер.