Протонно-нейтронная структура ядра

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМНЫХ ЯДЕР

В настоящее время твердо установлено и нет сомнений в том, что атом состоит из электронов (Дж. Томсон, 1897), и ядра (Э. Резерфорд, 1911). Атомные ядра обладают целым рядом индивидуальных свойств, которые позволяют отличать ядра отдельных химических элементов друг от друга, и в то же время являются общими характеристиками для всех ядер.

Атомные ядра могут быть стабильными, т.е. живущими неограниченно долго, и нестабильными, испытывающие спонтанные (самопроизвольные) радиоактивные превращения.

Стабильные атомные ядра имеют следующие характеристики: число нуклонов в ядре; электрический заряд ядра; масса ядра; энергия связи ядра; размер ядра; спин ядра; магнитный и электрический моменты ядра; четность волновой функции; изотопический спин; статистику.

Нестабильные ядра имеют ряд дополнительных характеристик, таких как тип радиоактивного превращения, среднее время жизни, энергия, выделяемая при распаде.

Ядра могут находиться в различных энергетических состояниях и как любая квантовая система имеют свою индивидуальную, присущую только ядру данного нуклида, систему энергетических уровней. Состояние ядра с наименьшей энергией называется основным, остальные – возбужденными. Ядра в возбужденных состояниях неустойчивы и, в отличие от основных состояний, могут находиться в возбужденных состояниях ограниченное время, испытывая спонтанные переходы в состояния с меньшей энергией.

Ниже будет показано (см. §1.7), что разделение на стабильные, нестабильные и возбужденные ядра является до некоторой степени условным, так как они могут характеризоваться рядом общих свойств.

Протонно-нейтронная структура ядра.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размер атома определяется электронной оболочкой и равен ≈ 10^-8 см. Ядро – центральная массивная часть атома, расположено в центре атома и имеет размеры ≈ 10^-13 ¸ 10¹² см (1 – 10 Фм (ферми)). Следовательно, размер ядра меньше атома в 10⁴ – 10⁵ раз.

Ядро состоитиз особых частиц (Гейзенберг, Иваненко) - протонов и нейтронов (Чедвик, 1932). Протон имеет один положительный элементарный электрический заряд, а электрический заряд нейтрона равен нулю. Между этими частицами в любых парных комбинациях действуют особые (ядерные) силы, не зависящие от электрического заряда частиц, которые обеспечивают связь отдельных частиц с ядром. Поэтому в ядерной физике используют обобщающий термин нуклон, обозначающий любую из частиц, входящую в состав ядра, - как протон, так и нейтрон.

Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Массовое число – всегда целое число.

Число протонов в ядре обозначается буквой Z. Кроме этого Z – число электронов в атоме с ядром, имеющим Z протонов, поскольку атом является электрически нейтральным. Так как химические свойства элементов определяются числом электронов в атоме, то Z есть также порядковый или атомный номер элемента в таблице Менделеева.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Следовательно, число нейтронов в ядре N = A – Z.

Любая из трех пар чисел (Z,N), (N,A) или (A,Z) однозначно определяет состав ядра. Обычно, по причинам, которые будут указаны ниже, используют пару чисел (А,Z).

Атом с конкретными A и Z называют нуклидом, а совокупность нуклидов с одинаковым Z - химическим элементом. Число Z полностью определяет химический элемент, а числа Z и A - нуклид. Для обозначения нуклида используют две формы записи: (А,Z) или , где Х - символ химического элемента. Например, (12,6) или - соответствующий нуклид углерода. Поскольку символ химического элемента однозначно связан с Z, то часто атомный номер в форме записи с указанием символа химического элемента опускают и пишут просто . Такие же обозначения используются и для ядер.

Нуклиды, ядра которых имеют в своем составе одинаковое число протонов Z, но различаются числом нуклонов А, называются изотопами химического элемента. Вещества, имеющие в своем составе атомы изотопов, имеют одинаковые химические свойства, но различную плотность, температуру плавления, кипения и пр., т.е. различаются физическими свойствами. Например: изотопы водорода. ¹Н - протий (легкий водород); ¹Н - дейтерий (тяжелый водород, употребляют также символ , для ядра - d); ³Н - тритий (сверхтяжелый водород, употребляют также символ , для ядра d). ²³³U, ²³⁵U, ²³⁸U - изотопы урана. Однако об изотопе имеет смысл говорить, подразумевая его принадлежность к химическому элементу. Поэтому ²³⁵U - делящийся нуклид урана, а не делящийся изотоп урана. Таким же образом ³Н - радиоактивный нуклид водорода, а не радиоактивный изотоп, так как и в этом случае подразумеваются физические характеристики ядра, а не соответствующие химические свойства атома.

Нуклиды, ядра которых имеют одинаковое число нуклонов (одинаковое массовое число А), но различное число протонов Z, называют изобарами. Например: ³Н и ³Не - изобары трития и гелия, ¹⁰Ве, ¹⁰В, ¹⁰С - изобары бериллия, бора и углерода.

Нуклиды с одинаковым числом нейтронов в составе ядра называют изотонами. Например, ²Н и ³Не - изотоны водорода и гелия.

Свойства ядер различных нуклидов можно систематизировать с помощью протонно-нейтронной диаграммы (диаграммы Сегре) – таблицы, строки которой соответствуют нуклидам с одинаковым числом протонов, а столбцы – нуклидам с одинаковым числом нейтронов. На рис.1.1.1 показан принцип построения протонно-нейтронной диаграммы на примере нуклидов с легкими ядрами. Протонно-нейтронная диаграмма для всех известных нуклидов приведена на рис.1.1.2.

Отметим следующие эмпирические факты и закономерности, которые следуют из протонно-нейтронной диаграммы атомных ядер.

1. Известно более 2000 нуклидов, из них 265 нуклидов являются стабильными нуклидами.

2. Нуклиды с официальными названиями имеют Z от 0 (нейтрон) до 109 (мейтнерий). Для существующих в природе ядер Z меняется от 1 (водород) до 92 (уран). Остальные нуклиды получают искусственно. Не существует стабильных нуклидов с Z = 0, 43, 61 и Z ³ 84.

3. Известны нуклиды с числом нуклонов А от 1 до 263 включительно. Не существует стабильных нуклидов при А = 5, 8 и при А ³ 210.

4. Область протонно-нейтронной диаграмы, где располагаются β‑стабильные нуклиды (заштрихованная полоса 1 на рис.1.1.2), называется дорожкой стабильности. Легкие стабильные нуклиды (до Z ≤ 20) содержат в составе ядра примерно равное число протонов и нейтронов. С ростом массового числа А относительная доля нейтронов возрастает. Например, у легкого нуклида N/Z = 1; у среднего нуклида N/Z= 1,15; у тяжелого нуклида N/Z = 1,59. Опережающий рост числа нейтронов при больших А вызван действием дальнодействующих кулоновских сил отталкивания протонов в ядре.

5. Большинство химических элементов имеетпо несколько стабильных иb-активных нуклидов. Некоторые элементы имеют (см. рис.1.1.1) всего по одному стабильному нуклиду (⁹Be, ¹⁹F, ²³Na), остальные - по 2 - 3 стабильных нуклидов. Олово (Sn) имеет десять стабильных нуклидов.

6. Выше дорожки стабильности располагаются β⁺‑активные нуклиды, ниже – β^-‑активные нуклиды.

7. Свойства ядер существенно зависят от четности чисел Z и N. Наибольшее число стабильных нуклидов (155 из 265) имеют четно-четные ядра (Z – четно, N – четно), поровну стабильных нуклидов (по 53) с четно-нечетным и нечетно-четным количеством нуклонов в составе ядер. И имеется всего четыре стабильных нуклида (²Н, ⁶Li, ¹⁰В и ¹⁴N), имеющих нечетно-нечетный состав ядер.