Строение атомного ядра

Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов.Протон (p) имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона, и массу покоя, превышающую массу покоя электрона в 1836 раз. Нейтральная частица нейтрон (n) имеет массу, превышающую массу электрона в 1839 раз. Протоны и нейтроны называются нуклонами(от лат. nucleus – ядро), общее число нуклонов в ядре называется массовым числом А. Заряд ядра определяется числом протонов Z, которое называется зарядовым числом. Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов. В настоящее время известно более 100 химических элементов и около 1500 ядер, отличающихся либо А, либо Z, либо тем и другим. Примерно 20 % этих ядер устойчивы, остальные нестабильны (радиоактивны). Ядра с одинаковым зарядовым числом А (одинаковым числом протонов), но разным массовым числом Z(разным числом нейтронов) называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов: кислород имеет три стабильных изотопа (¹⁶О, ¹⁷О, ¹⁸О), у олова 10 изотопов и т.д. Водород имеет три изотопа: стабильные протий ¹Н и дейтерий ²Н и радиоактивный тритий ³Н.

Радиус ядра пропорционален массовому числу А и составляет (1,3-1,7)×10^{-15 м. Плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (1017} кг/м³).

Опыт показывает, что масса ядра меньше суммы масс составляющих нуклонов на величину Dm, называемую дефектом массыядра. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра W_св. Энергия связи ядра связана с его дефектом массы Dm соотношением W_св.=Dmc².

Важной характеристикой ядра является его удельная энергия связи Wсв/A – энергия связи, отнесенная к одному нуклону. Эта энергия в миллион раз меньше, чем энергия связи электронов в атомах. Из рисунка 16 следует, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны процессы деления тяжелых ядер на более легкие и слияние легких ядер в более тяжелые.

Рисунок 16 – Зависимость удельной энергии связи ядра от числа нуклонов

При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерного синтеза)

Между составляющими ядро нуклонами действуют особые силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Эти силы называются ядерными. Отличительные особенности ядерных сил состоят, в частности, в следующем:

Ядерные силы являются короткодействующими. Радиус действия ядерных сил составляет 10^{-15 м; на расстояниях, больших 10-15 м, ядерное притяжение протонов сменяется их кулоновским отталкиванием.}

Ядерные силы обладают зарядовой независимостью. Взаимодействие протона с протоном, протона с нейтроном и нейтрона с нейтроном имеет одинаковую величину.

Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.

Единая последовательная теория атомного ядра до настоящего времени не разработана. Среди моделей, описывающих свойства ядра, наиболее известны капельная и оболочечная модели. Капельная модель (Н. Бор, Я.И. Френкель, 1936) основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Оболочечная модель (М. Гепперт-Майер, Х. Иенсен, 1950) предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули. Устойчивость ядер в этой модели связана с заполнением этих оболочек. Наиболее устойчивыми (магическими) оказываются ядра с полностью заполненными оболочками (⁴Не, ¹⁶О, ⁴⁰Са, ⁴⁸Са, ²⁰⁸Pb).