Склад і характеристики атомних ядер

Ядра всіх елементів складаються із елементарних частинок двох видів: протонів і нейтронів (нуклонів).

Протони (іони атомів водню) мають заряд +1,6×10^-19 Кл =+е, масу m_p = 1836,1×m_e, спін 0,5, власний магнітний момент μ_р = 2,79×μ_я = 2,79×μ_Б ×( m_p/m_e) = μ_Б/660, де μ_Б – магнетон Бора (див. розділ 8.2). Магнітний момент протона у 660 разів менший, ніж магнітний момент електрона.

Нейтрон був відкритий у 1932 році англійським фізиком Д.Чедвіком (1891-1974). При бомбардуванні берилію α – частинками (двозарядні іони гелію ) було виявлене невідоме сильно проникаюче випромінювання. Енергія частинок цього випромінювання була оцінена Чедвіком по взаємодії з азотом і аргоном. Були одержані значення 55 МеВ, 90 МеВ, 150 МеВ з дуже великою розбіжністю. Для γ–випромінювання (короткохвильове електромагнітне випромінювання) таку велику різницю в енергії γ-квантів пояснити неможливо. Тому був зроблений висновок, що має місце потік важких частинок масою m_n = 1836,6×m_e. Велика проникаюча здатність (10÷20 см шар свинцю) пояснювалась відсутністю заряду. Не дивлячись на це, нейтрон має спін 0,5ħ і власний магнітний момент μ_n = -1,91×μ_я. Знак (-) показує, що вектор магнітного моменту направлений проти вектора механічного моменту.

Після відкриття нейтрона радянський фізик Д.Д.Іваненко і німецький В.К.Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель ядра. По цій моделі ядро складається із протонів і нейтронів, загальна їх кількість дає масове число А. Число протонів Z дорівнює позитивному заряду ядра і кількості електронів в атомі. Це порядковий номер елементу в таблиці Д.І Менделеєва. Тоді очевидно, що число нейтронів N = A – Z. Позначаються ядра . Ядра з однаковим порядковим номером Z і різними масовими числами А, тобто різною кількістю нейтронів, називаються ізотопами, наприклад,

Радіуси ядер залежать від масового числа А (кількості нуклонів)

, (9.1)

а тому густина ядер усіх елементів однакова.

Спін ядра складається із спінів нуклонів, які орієнтуються антипаралельно. Тому більшість спінів нуклонів взаємно компенсуються. Ядра з парною кількістю протонів і парною кількістю нейтронів мають нульовий спін.