Лекция 12. Атомное ядро

Атомное ядро характеризуется заря­домZe, где е — заряд протона, Z — за­рядовое числоядра, равное числу про­тонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периоди­ческой системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z=1 до Z=107. Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: ^A_ZХ, где X — символ химического элемента, Z — атом­ный номер (число протонов в ядре), А — массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распреде­ление по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свой­ства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химическо­го элемента, т. е. определяет число элек­тронов в атоме, конфигурацию их элек­тронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N =А — Z) называются изотопами,а ядра с одинаковыми A, но разными Z — изоба­рами.Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: ¹₁Н — протий (Z=1, N=0), ²₁Н — дейтерий (Z=1, N=1), ³₁Н — тритий (Z= 1, N= 2), олово — десять, и т. д. В по­давляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и по­чти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изо­топы водорода), определяющимися в ос­новном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра ¹⁰₄Be, ¹⁰₅B, ¹⁰₆C. В настоящее время известно бо­лее 2000 ядер, отличающихся либо Z, либо A, либо тем и другим.

Радиус ядразадается формулой

R =R₀A^1/3, (251.1)

где R₀=(1,3—1,7) 10^-15м. Однако при употреблении этого термина необходимо соблюдать осторожность (из-за его неод­нозначности, например из-за размытости границы ядра). Из формулы (251.1) вы­текает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (»10¹⁷ кг/м³).

Из закона сохранения энергии вытекает и обратное: для разделе­ния ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нук­лоны, называется энергией связи ядра E_св=[Zm_p + (A-Z)m_n-m_я]c²,(252.1). Величина Dm=[Zm_p + (A- Z)m_n-m_я

называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшается масса всех нукло­нов при образовании из них атомного ядра. Часто вместо энергии связи рассмат­ривают удельную энергию связи dE_св — энергию связи, отнесенную к одному нук­лону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е. чем боль­ше dE_св, тем устойчивее ядро. Удельная энергия связи зависит от массового чис­ла А элемента (рис. 342).

Собственный момент импульса ядра — спин ядра — складывается из спинов нук­лонов и из орбитальных моментов импуль­са нуклонов (моментов импульса, обуслов­ленных движением нуклонов внутри яд­ра). Обе эти величины являются вектора­ми, поэтому спин ядра представляет их векторную сумму. Спин ядра квантуется по закону

L_я=hÖI(I+1)

где I — спиновое ядерное квантовое число (его часто называют просто спином ядра), которое принимает целые или полуцелые значения 0, ¹/₂, 1, ³/₂, ... . Ядра с четными А имеют целые I, с нечетными — полуце­лые I.

В настоящее время под радиоактивно­стью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтан­но) превращаться в другие ядра с ис­пусканием различных видов радиоактив­ных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную(наблюдается у неустойчи­вых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реак­ций). Принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превраще­ния в обоих случаях одинаковы.

Под радиоактивным распадом, или просто распадом, понимают естественное радио­активное превращение ядер, происходя­щее самопроизвольно. Атомное ядро, ис­пытывающее радиоактивный распад, назы­вается материнским, возникающее ядро — дочерним.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми прави­лами смещения, позволяющими устано­вить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Пра­вила смещения:

для a-распада ^A_ZX®^A-4_Z-2Y+⁴₂He, (256.4)

для b-распада ^A_ZX®+^A_Z+1Y+⁰_-1e, (256.5)

где^A_ZX — материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, ⁴₂Не — ядро гелия (a-частица), ⁰_-1e— символическое обоз­начение электрона (заряд его равен — 1, а массовое число — нулю). Правила сме­щения являются ничем иным, как след­ствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах,— сохранения электрического заряда и сохранения мас­сового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

2. Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами. Их свойства:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные силы являются коротко­действующими — их действие проявляется только на расстояниях примерно 10^-15м. При увеличении расстояния между ну­клонами ядерные силы быстро уменьшают­ся до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются при­мерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;

3) ядерным силам свойственна зарядо­вая независимость: ядерные силы, дей­ствующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по вели­чине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

4) ядерным силам свойственно насы­щение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимо­действует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нукло­нов не растет, а остается приблизительно постоянной;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон толь­ко при условии параллельной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются цен­тральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.