Тема 14. Атомное ядро

Согласно теории Резерфорда, атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Размеры ядра – 10^-14-10^-15м. Ядро состоит из протонов и нейтронов – нуклонов (лат. -ядро).

m_p = 1,6726×10^{-27 кг} m_n - 1,6749×10^{-27 кг}

m_p >1836 m _e m_n >1839 m _e

Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где е-заряд протона, Z -зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева.

- химический элемент, А - массовое число, Z – номер в таблице Менделеева (число протонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме, конфигурацию электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

Ядра, с одинаковым числом протонов Z в ядре, но разным числом нейтронов N называют изотопами.

А ядра с одинаковым массовым числом, но разным числом протонов Z называют изобарами.

Например: -водород; его изотопы - дейтерий, - тритий.

Ядра – изобары: , , .

Радиус ядра определяется эмпирической формулой

где .

Атомные ядра характеризуются собственным моментом импульса (спином) и магнитным моментом.

Собственный момент импульса ядра – спин ядра складывается из спинов нуклонов и из орбитальных моментов импульса нуклонов.

- спин ядра

I - спиновое ядерное квантовое число I = 0, 1/2, 1, 3/2 ,…

Ядра с четными массовыми числами А имеют целые спиновое ядерное квантовое число I, с нечетными массовыми числами А - полуцелые спиновое ядерное квантовое число I.

Магнитный момент ядра

g_Я – ядерное гиромагнитное отношение.

Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон

Атомные ядра являются устойчивыми образованиями, следовательно, в ядре между нуклонами существует определенная связь.

Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра

где - дефект массы ядра.

На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра.

Часто вместо энергии связи рассматривают удельную энергию связи - энергия связи, отнесенная к одному нуклону. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер. Чем больше удельная энергия связи , тем устойчивее ядро. Наиболее устойчивыми являются так называемые магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2,8,20,28,50,82,126. Особенно стабильны дважды магические ядра (их всего 5)

, , , , .

Между нуклонами действуют особые для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами и относятся к классу сильных взаимодействий.

Основные свойства ядерных сил:

- ядерные силы – силы притяжения;

- ядерные силы – короткодействующие силы – их действие проявляется на расстоянии » 10^-14 – 10^{-15 м};

- ядерным силам свойственно зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами или двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном одинаковы по величине;

- ядерным силам свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

- ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов;

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

Под радиоактивностью понимают способность некоторых атомных ядер самопроизвольно 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 реакции. Принципиального различия нет и законы радиоактивного распада одинаковы.

Радиоактивное излучение бывает трех типов: a, b и g - излучения.

a – излучение – поток ядер атомов гелия Не;

b - излучение – поток электронов;

g - излучение – электромагнитная волна с длиной волны < 10¹⁰ м и вследствие этого обладает корпускулярными свойствами, т.е. является потоком

g - квантов – фотонов.

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

- закон радиоактивного распада

где - начальное число нераспавшихся ядер (при t = 0);

N – число нераспавшихся ядер в момент времени t;

l - постоянная радиоактивного распада, знак «-» указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Интенсивность процесса характеризуют:

- период полураспада Т_1/2 – время, за которое исходное число радиоактивных ядер уменьшается вдвое

- среднее время жизни радиоактивного ядра t

- активность нуклида – ядра

[бк] – беккерель

Внесистемная единица [ки] – кюри

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилом смещения.

для a - распада -- à

для b - распада -- à