Строение ядра атома. Опыт Резерфорда. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы Строение атома и атомного ядра

В 1911 году Э. Резерфорд на основе проделанных им экспериментов обосновал наличие в атоме положительно заряженного ядра. Схему опыта Резерфорда вы видите на рисунке. В цилиндре 1 находилось радиоактивное вещество, испускавшее поток α-частиц 2. Они попадали на тонкую золотую фольгу 3 и, взаимодействуя с ней, ударялись об экран 4. В местах ударов частиц на экране возникали вспышки света 5.

То, что некоторые α-частицы значительно меняли направление полёта, противоречило «рыхлой» модели атома Томсона (см. § 15-б). Резерфорд рассуждал так. Если некоторые α-частицы отлетают назад, значит, сильный положительный заряд есть и в атомах фольги. Но поскольку большая часть α-частиц пролетает сквозь фольгу, почти не отклоняясь, этот положительный заряд занимает малую часть атома. Её назвали ядром атома.

Подсчитывая α-частицы, отклоняющиеся на разные углы, определили размеры ядра атома: около 10 -14 м. Это приблизительно в 10 000 раз меньше самого атома. Поэтому Резерфорду пришлось в своей ядерной модели атома всё незанятое ядром пространство в атоме «заполнить» электронами. Он писал так: «Атом состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».

Резерфорд не указывал, как именно в атоме расположены электроны и движутся ли они. Его эксперимент и не мог дать ответ на этот вопрос, но родилось предположение , что электроны движутся вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Однако тогда электроны имели бы центростремительное ускорение (см. § 12-л). И, как и любые движущиеся с ускорением заряды, они излучали бы электромагнитные волны (см. § 11-з). С течением времени, теряя энергию, все электроны неизбежно «упали» бы на ядро. Но размеры никаких атомов не уменьшаются. Значит, гипотеза о движении электронов неверна?

Первый шаг на пути снятия противоречия между планетарной моделью атома и его долговечностью был сделан в 1913 году датчанином Н. Бором. Он развил идеи Планка о квантовании энергии (см. § 15-а) и предположил, что кванты испускаются атомами, а не электронами. Согласно Бору, атомная система (ядро и электроны) может находиться в энергетически устойчивых состояниях, при переходах между которыми испускаются или поглощаются кванты излучения, переносящие энергию.

Бору удалось вывести формулу, описывающую положения линий в спектрах водорода и других одновалентных атомов (см. § 14-й). Сделанные расчёты положений спектральных линий совпадали с наблюдаемыми спектрами. Их происхождение теория Бора легко объясняла прерывистым характером допустимых значений энергии атома.

Следующие шаги для понимания причин устойчивости атомов привели к отказу от понятия орбиты электрона в пользу понятий электронных уровней и подуровней. Поэтому с середины XX века планетарная модель в физике не используется. Несмотря на это, квантование энергии атомной системы является одним из главных принципов физики по сей день.

Перейдём к рассмотрению строения ядра атома. В 1919 году Э. Резерфорд, бомбардируя атомы азота ядрами атомов гелия, обнаружил появление ядер атомов водорода. Аналогичная бомбардировка натрия, алюминия, неона и других элементов тоже порождала ядра атомов водорода. Их назвали протонами и сделали вывод, что они входят в состав ядер всех атомов. В 1932 году английский физик Д. Чедвик открыл нейтрон – частицу ядра с массой, равной массе протона, и без электрического заряда.

В настоящее время считается, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, вместе именуемых нуклонами (лат. «нуклеус» – ядро). Ядра прочны благодаря наличию особых ядерных сил, действующих между всеми нуклонами. Эти силы примерно в 100 раз интенсивнее электрических, но действуют только на расстояниях до 10 -15 м, то есть в пределах ядра.

Атом – это мельчайшая частица химического элемента. От строения атома зависят химические свойства элемента, в частности – его способность соединяться с атомами других элементов с образованием молекул сложных веществ.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам электронов. Атомное ядро несет на себе электрический заряд q = Ze , где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а e – так называемый элементарный электрический заряд , который невозможно разделить на части: е = 1,6 · 10 -19 Кл (кулона). Заряд элементарной частицы электрона равен –е , а число электронов на орбитах атома равно Z , так что их суммарный заряд q е = – Ze по абсолютной величине равен заряду ядра, но противоположен по знаку, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Размеры атомов всех элементов примерно одинаковы, и их радиусы составляют примерно величину ≈ 10 -8 см.

1.1.2. Строение и свойства атомного ядра

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Атомное ядро состоит из элементарных частиц – нуклонов , которые имеют две разновидности, называемые протонами (p ) и нейтронами (n ) . Все основные характеристики протонов и нейтронов – размеры, массы и другие – практически одинаковы, и их главное различие заключается в электрическом заряде: заряд протона равен +е , а заряд нейтрона равен нулю, т.е. нейтрон электрически нейтрален.

Различные атомные ядра содержат в себе различные количества нуклонов каждого сорта. Число протонов в ядре Z совпадает с порядковым номером химического элемента и определяет электрический заряд ядра (см. выше). Число нейтронов N не влияет на заряд ядра, а, следовательно – и на принадлежность атома тому или иному элементу. Поэтому ядра атомов одного элемента имеют одинаковые Z , но могут иметь различные N . Разновидности одного элемента с разными количествами нейтронов в их ядрах называются изотоп ами . Поскольку массы протонов и нейтронов почти одинаковы, масса ядра определяется в первом приближении общим числом всех нуклонов N + Z = А . Поэтому число А называется массовым числом . При обозначении изотопов массовое число указывается сверху слева от символа химического элемента. Так, например, известны изотопы водорода: обычный водород, ядром которого является одинокий протон – 1 Н, тяжелый водород (дейтерий), в ядре которого к протону добавляется один нейтрон – 2 Н, и сверхтяжелый водород (тритий) 3 Н, ядра которого состоят из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий и тритий иногда обозначаются символами D и T соответственно. Изотопы есть у всех элементов, причем в некоторых случаях их число достигает двух-трех десятков. У природного урана (Z = 92) имеются три изотопа: 234 U, 235 U и 238 U, и кроме этого искусственно получают еще несколько изотопов: 232 U, 233 U, 236 U, 239 U и другие. Все изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами – они вступают в одни и те же химические реакции, образуют одинаковые химические соединения и т.п., но их ядерные свойства могут сильно различаться. Так, например, ядра 235 U делятся медленными нейтронами, а ядра 238 U – нет (см. ниже).

Ядра с одинаковым числом всех нуклонов, и, следовательно, с одинаковыми массовыми числами А, называются изобар ами , т.е. ядрами примерно одинакового веса (от греческого слова барос – вес). Изобарами являются, например, ядра 3 Н и 3 Не, или 58 Fe и 58 Ni. Иногда выделяют ядра изотоны , содержащие одинаковые количества нейтронов, и ядра изомеры , о которых подробнее будет рассказано ниже.

Возможность различных комбинаций чисел Z и N приводит к возможности существования громадного количества различных типов ядер. Каждый тип ядер с определенными значениями Z и N называется нуклидом . В природе существует около 300 различных нуклидов и еще свыше 2000 нуклидов могут быть получены искусственно.

Одноименные электрические заряды протонов отталкиваются друг от друга по законам электростатики, пытаясь разорвать ядро на части. Тем не менее, известно, что ядра многих нуклидов являются чрезвычайно прочными объектами, способными существовать практически вечно без каких бы то ни было изменений. Этот факт говорит о том, что в ядре между нуклонами действуют какие-то мощные силы притяжения, намного превосходящие по величине силы электростатического отталкивания. Эти силы так и называются ядерными силами . Ядерные силы обладают целым рядом специфических свойств, резко отличающих их от всех других сил в природе. С их большой величиной и связаны громадные запасы энергии, заключенные в атомных ядрах.

Размеры атомных ядер чрезвычайно малы – около 10 -12 см. Это означает, что ядро в 10 000 раз меньше самого атома. Но именно в этих ядрах сосредоточены свыше 99,9% массы всего вещества и громадные запасы энергии. Эксперименты показывают, что радиусы всех ядер зависят от числа нуклонов в ядре и выражаются простой формулой:

R=1,4·10 -13 A 1/3 см.

Масса ядра. В начале отметим, что в ядерной физике принято иметь дело не с массами ядер, а с массами атомов, так как их легче измерять, а в случае необходимости массу ядра можно всегда легко найти, вычтя из массы атома М суммарную массу электронов Zm e , т.к. масса электрона хорошо известна: m e = 9,108·10 -28 г. Для выражения масс атомов в ядерной физике принята специальная единица, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.)и определяется как одна двенадцатая доля массы атома основного изотопа углерода 12 С. 1 а.е.м.= 1,66·10 -27 кг = 1,66·10 -24 г. Выраженная в этих единицах масса атома так и называется атомной массой М.. Единицу атомной массы выбрали специально с таким расчетом, чтобы атомные массы, округленные до целых чисел, совпадали бы с атомными числами, т.е. с числом нуклонов в ядре. Например:

М (1 Н) = 1,007825 а.е.м.,

М (238 U)=238,05076 а.е.м.

Разность между атомной массой и массовым числом называется избытком или декрементом массы : δ = М – А. Именно эти величины и приводятся обычно в таблицах, чтобы не загромождать их лишними числами, а, зная декремент, всегда можно найти точное значение массы атома М = А +δ.

Атомные массы измеряют с помощью особых приборов масс-спектрографов и масс-спектрометров, принцип действия которых основан на отклонении пучков ионов в электрических и магнитных полях: чем тяжелее ион, тем меньше он отклоняется при пролете через такие поля. Поэтому по величине отклонения можно определить массу иона.

На различии масс атомов различных изотопов основаны и разные физические методы их разделения, ибо химические методы разделения веществ для разделения изотопов совершенно непригодны.

Энергия связи ядра . Преодолеть действие ядерных сил можно, введя в ядро достаточное количество энергии. Количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разорвать ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра . Такое же количество энергии выделилось бы при образовании ядра из отдельных нуклонов, уйдя из системы в виде вылетающих гамма-квантов. Аналогично определяется энергия связи любого нуклона или групп нуклонов, например: энергия связи нейтрона в ядре – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы вырвать один нейтрон из ядра.

Удельная энергия связи нуклонов в ядре В . Так называется доля полной энергии связи ядра, приходящаяся в среднем на один нуклон в ядре. Из этого определения следует: В = Е св /А . Величина В зависит от числа нуклонов в ядре А (рис. 1): с ростом А значения В сначала резко возрастают, а затем, пройдя плавный максимум, постепенно уменьшаются. При этом у большинства ядер (кроме самых легких) значения В не сильно отличаются от 8 МэВ. Форма кривой удельной энергии связи на рис.1.1 говорит о том, что наиболее крепко связанными являются ядра со средними значениями А . Именно поэтому как процессы деления тяжелых ядер, так и процессы слияния легких ядер, приводящие к образованию ядер со средними массовыми числами, «энергетически выгодны», т.е. сопровождаются выделением огромной энергии. Поэтому на этих процессах основаны два известных способа получения «ядерной» энергии – это деление тяжелых ядер и синтез легких ядер (термоядерный), соответственно.

Дефект массы. Согласно теории относительности, любое изменение энергии системы сопровождается и изменением ее массы: Δ Е =Δ М·с 2 . Поскольку при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия связи, то согласно последнему соотношению, такой процесс должен приводить к уменьшению массы системы. Поэтому масса ядра всегда оказывается меньше суммы масс отдельно взятых нуклонов, из которых это ядро состоит:

Δ М = ZM H + (A – Z)m n – M(A,Z) .

Рис.1.1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа нуклида.

Это уменьшение массы при образовании ядра называется дефектом массы (здесь M H - масса атома водорода, m n – масса нейтрона, M (A , Z ) – масса атома, о котором идет речь.). Напомним, что хотя в этом выражении фигурируют массы атомов, но атом (A , Z ) содержит ровно столько же электронов, как и Z атомов водорода, поэтому массы электронов сокращаются, и дефект массы фактически выражает разность масс отдельных нуклонов и рассматриваемого ядра.

Из сказанного выше следует, что дефект массы определяет энергию связи ядра: Е св =Δ М·с 2 . Это выражение можно существенно упростить, если с помощью соотношения Е = М·с 2 найти количество энергии, соответствующее одной атомной единице массы: 1а.е.м = 931,5 МэВ. Тогда рассчитав величину Δ М в атомных единицах массы, можно легко найти значение энергии связи в МэВ: Е св (МэВ) = 931,5·Δ М (а.е.м.).

Выражение для дефекта массы можно тоже упростить, выразив все входящие в него массы через соответствующие декременты: M H = 1 + δ(Н), m n = 1 + δ n , M (A , Z ) = А + δ(A , Z ), что после сокращения подобных членов дает:

Δ М = Z δ(Н) + (A – Z) δ n – δ(A,Z ).

Энергетические состояния ядер. Нуклоны и состоящие из них атомные ядра, как и все другие элементарные частицы, подчиняются законам квантовой механики, которые во многом отличаются от законов классической физики. В частности, энергия в микромире может изменяться лишь определенными порциями (квантами), а не непрерывно, как в классической механике. Соответственно и ядро может находиться лишь в состояниях с определенными значениями энергии, а промежуточные состояния оказываются невозможными. Эти состояния принято обозначать на схемах черточками, которые называются энергетическими уровнями (рис. 1.2). Энергия на таких схемах откладывается снизу вверх. Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным , все остальные – возбужденными . Обычно все ядра находятся в своих основных состояниях, но получив достаточную порцию энергии, они могут перейти в одно из возбужденных состояний. Энергия E i , необходимая для перехода ядра в i -ое состояние, указывается на схемах уровней рядом с соответствующим уровнем (энергия основного состояния принимается за 0). Оказавшись на i -ом уровне, ядро может перейти на любой к -ый уровень с меньшей энергией. При таком переходе выделяется разность энергий, которую уносит вылетающий из ядра гамма-квант: Е γ = E i – Е к . После нескольких таких переходов, называемых каскадом , ядро приходит в основное состояние. Время нахождения ядра в возбужденном состоянии, называется временем жизни соответствующего уровня и обозначается буквой τ. У нижних возбужденных уровней значения τ обычно бывают порядка 10 -10 – 10 -12 с, у верхних – ещё меньше, порядка 10 -15 – 10 -17 с. Однако, у некоторых ядер встречаются возбужденные уровни с аномально большими временами жизни от нескольких секунд до миллионов лет. Такие долгоживущие уровни называются метастабильными уровнями , а все явление в целом – ядерной изомерией .

Рис.1.2. Схема ядерных уровней

Помимо энергии, каждый уровень характеризуется еще целым рядом величин, в том числе моментом количества движения . В квантовой механике моментом количества движения называется величина P =ћ√ I (I +1), где I – т.н. квантовое число момента количества движения . Поскольку величина P однозначно определяется числом I , то обычно, говоря о моменте количества движения, только это число и называют. По законам квантовой механики у ядер с четным числом нуклонов значения I могут быть только целыми числами: 0, 1, 2, 3,…., а у ядер с нечетным числом нуклонов – только полуцелыми числами: 1/2, 3/2, 5/2 и т.д. Каждый возбужденный уровень имеет свое значение числа I , определяемое, как правило, опытным путем. Числа I сильно влияют на вероятность переходов ядра между уровнями: чем больше разность значений I между начальным и конечным уровнями Δ I = I i - I k , тем менее вероятен переход.

Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре - лёгкий водород (протий).

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом .
В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы , у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z {\displaystyle Z} - это число равно порядковому номеру элемента , к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева . Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N {\displaystyle N} . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами . Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов - называются изотонами . Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A {\displaystyle A} ( A = N + Z {\displaystyle A=N+Z} ) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами .

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Строение атомного ядра. Ядерные силы

✪ Ядерные силы

✪ Строение атомного ядра Ядерные силы

✪ КАК УСТРОЕНА АТОМНАЯ БОМБА "ТОЛСТЯК"

✪ Ядерная физика - Строение ядра атома v1

Субтитры

История

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин - протон . После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер , в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном . В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена .

Теории строения атомного ядра

В процессе развития физики выдвигались различные гипотезы строения атомного ядра; тем не менее, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели могут взаимоисключать друг друга.

Наиболее известными являются следующие:

• Капельная модель ядра - предложена в 1936 году Нильсом Бором .
• Оболочечная модель ядра - предложена в 30-х годах XX века.
• Обобщённая модель Бора - Моттельсона
• Кластерная модель ядра
• Модель нуклонных ассоциаций
• Сверхтекучая модель ядра
• Статистическая модель ядра

Ядерно-физические характеристики

Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году . Свои экспериментальные наблюдения учёный интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы Z {\displaystyle Z} , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

1 / λ = a Z − b {\displaystyle {\sqrt {1/\lambda }}=aZ-b} , где

A {\displaystyle a} и b {\displaystyle b} - постоянные.

Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли .

Масса

Из-за разницы в числе нейтронов A − Z {\displaystyle A-Z} изотопы элемента имеют разную массу M (A , Z) {\displaystyle M(A,Z)} , которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м. ), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида 12 C . Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида - это масса нейтрального атома . Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы . Согласно соотношению Эйнштейна , каждому значению массы M {\displaystyle M} соответствует полная энергия:

E = M c 2 {\displaystyle E=Mc^{2}} , где c {\displaystyle c} - скорость света в вакууме .

Соотношение между а. е. м. и её энергетическим эквивалентом в джоулях :

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 {\displaystyle E_{1}=1,660539\cdot 10^{-27}\cdot (2,997925\cdot 10^{8})^{2}=1,492418\cdot 10^{-10}} , E 1 = 931 , 494 {\displaystyle E_{1}=931,494} .

Радиус

Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:

R = r 0 A 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}} ,

где - константа.

Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил , то значение r 0 {\displaystyle r_{0}} зависит от процесса, при анализе которого получено значение R {\displaystyle R} , усреднённое значение r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 {\displaystyle r_{0}=1,23\cdot 10^{-15}} м, таким образом радиус ядра в метрах :

R = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 {\displaystyle R=1,23\cdot 10^{-15}A^{1/3}} .

Моменты ядра

Как и составляющие его нуклоны, ядро имеет собственные моменты.

Спин

Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным 1 / 2 {\displaystyle 1/2} , то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения ℏ {\displaystyle \hbar } (постоянная Дирака). Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.

Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких ℏ {\displaystyle \hbar } , что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д. .

Магнитный момент

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов . Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов , поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами , наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса .

Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона .

Электрический квадрупольный момент

Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольные моменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина (веретенообразное тело), и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина (чечевицеобразное тело). Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии у электрического поля , создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры , расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента .

Энергия связи

Устойчивость ядер

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми A {\displaystyle A} энергетически выгоден процесс слияния - термоядерный синтез , приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими A {\displaystyle A} - процесс деления . В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики , а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что устойчивость ядер также существенно зависит от параметра N / Z {\displaystyle N/Z} - отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 {\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^{2/3}} , поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при N ≈ Z {\displaystyle N\approx Z} , а с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону N > Z {\displaystyle N>Z} (см. поясняющий рисунок ).

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениям Z {\displaystyle Z} и N {\displaystyle N} . Все ядра с нечётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов 1 2 H {\displaystyle {}_{1}^{2}{\textrm {H}}} , 3 6 Li {\displaystyle {}_{3}^{6}{\textrm {Li}}} , 5 10 B {\displaystyle {}_{5}^{10}{\textrm {B}}} , 7 14 N {\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}} . Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных A {\displaystyle A} часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее - нечётно-нечётные. Это явления свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами , что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от A {\displaystyle A} .

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов .

Ядерные силы

Ядерные силы - это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами .

Уровни ядра

В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения (так называемый непрерывный спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике , могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро - система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным . Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние .

Расположение энергетических уровней ядра в первом приближении:

D = a e − b E ∗ {\displaystyle D=ae^{-b{\sqrt {E^{*}}}}} , где:

D {\displaystyle D} - среднее расстояние между уровнями,

А́томное ядро́ - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом. Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом - это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.

В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил :

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин -протон. После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер, в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена.

Радиоактивность

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») - спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие ядра (нуклиды, изотопы и химические элементы) радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Закон радиоактивного распада - закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

что означает, что число распадов за интервал времени t в произвольном веществе пропорционально числу N имеющихся в образце радиоактивных атомов данного типа.

В этом математическом выражении λ - постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеет размерность с −1 . Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем. Закон выражает независимость распада радиоактивных ядер друг от друга и от времени: вероятность распада данного ядра в каждую следующую единицу времени не зависит от времени, прошедшего с начала эксперимента, и от количества ядер, оставшихся в образце.

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

Или , где Т - период полураспада равный времени, в течение которого число радиоактивных атомов или активность образца уменьшаются в 2 раза.

12. Ядерные реакции.

Ядерная реакция - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Виды ядерных реакций

Ядерная реакция деления - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Ядерная реакция синтеза - процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания - это так называемый «кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10 −15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном, нейтронов.

Запись ядерных реакций

способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа - сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.