Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое число

Атомное ядро было открыто английским физиком Э. Резерфордом в 1911 году в опытах по рассеянию α-частиц при прохождении их через вещество. Схема этого опыта была приведена нами в первой лекции (см. рис. 1.1), там же было дано его краткое описание. Опыт Резерфорда послужил нам в первой лекции отправной точкой для обсуждения планетарной модели атома и проблемы нестабильности атома в этой модели. Теперь же нас будет интересовать само ядро.

Ядро - центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер порядка 10^-15÷10^-14 м. Ядра имеют положительный заряд, кратный элементарному заряду е:

Целое число Z называется зарядовым числом. Оно совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов (см. лекцию 9, § 2).

Ядро состоит из протонов и нейтронов (ниже мы уточним это утверждение).

Термин "протон" (от греческого protos - первый) был введен Резерфордом в начале 20-х годов. Протон обозначают символом "р", он имеет следующие характеристики.

Протон - одна из двух стабильных элементарных частиц (другой стабильной частицей является электрон).

Масса протона:

здесь m_е - масса электрона.

В ядерной физике и в физике элементарных частиц массы принято выражать в единицах энергии, умножая их значение в системе СИ, на квадрат скорости света с², в соответствии с релятивистской формулой, связывающей массу частицы с ее энергией покоя (см. Ч.1, (12.7)): W₀ = m с².

Так масса частицы, равная 1 МэВ (точнее - 1 Мэв/с²) в системе СИ будет равна:

Выраженная в МэВ масса электрона равна:

Заряд протона - равен элементарному:

Протон имеет спин s = 1/2 и, следовательно, подчиняется принципу запрета Паули (см. лекцию 9, § 1).

Протон обладает собственным магнитным моментом:

здесь

-единица измерения магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. (Сравните с магнетоном Бора, введенным в части 2 формулой (13.19), там в формуле, аналогичной (16.7) на месте m_р стояла масса электрона m_е, значит ядерный магнетон в 1836 раз (см. (16.2)) меньше магнетона Бора). Магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше магнитного момента электрона.

Нейтрон был открыт в 1932 году английским физиком Д. Чедвиком - учеником Резерфорда. Обозначение нейтрона - символ "n". Электрический заряд нейтрона равен нулю.

Масса нейтрона:

Так как масса нейтрона больше массы протона, то он нестабилен и распадается в свободном состоянии по схеме:

здесь - обозначение электрона,

- символ, обозначающий антинейтрино.

Время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов (период полураспада) Т_1/2 ≈ 12 минут.

Нейтрон, как и протон, имеет спин s=1/2 и поэтому подчиняется принципу запрета Паули.

Несмотря на свою электрическую нейтральность, нейтрон обладает собственным магнитным моментом:

Знак "-" указывает на то, что магнитный момент направлен против механического (спинового). Уже этот факт говорит о наличии внутренней структуры у нейтрона.

Отношения магнитного момента протона к магнитному моменту нейтрона с большой точностью равно 3/2. Объяснение этому было дано на основе представления о кварковой структуре протона и нейтрона.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра была предложена в 1932 г. советским физиком Д. Иваненко после открытия нейтрона. Затем эта модель была развита немецким физиком В. Гейзенбергом.

Протоны и нейтроны получили общее название нуклонов, т.е. ядерных части. Отметим, что в ядре нейтрон является стабильной частицей.

Общее число нуклонов в ядре означается буквой А и называется массовым числом ядра.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Если учесть, что число протонов в ядре (зарядовое число) обозначается буквой Z, то для числа нейтронов имеем:

По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов и атомное ядро - сложная система, состоящая из большого количества кварков, глюонных и мезонных полей, взаимодействующих друг с другом. Задача последовательного теоретического описания атомного ядра ставится в рамках квантовой хромодинамики. Однако в силу своей сложности эта задача пока не решена.

При описании атомного ядра и ядерных реакций, происходящих при небольших энергиях (≤ 1 ГэВ на нуклон) можно с хорошей точностью считать, что ядро состоит из вполне определенного числа нуклонов, движущихся с нерелятивистскими скоростями (v²/c²~0,1).

Размер ядра довольно точно определяется формулой:

здесь Ф - ферми - единица длины в ядерной физике, равная 10^-15 м.

Для обозначения ядер применяют следующий символ:

здесь Х - химический символ данного элемента в таблице Менделеева, А - массовое число, Z - зарядовое число.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Химические свойства элементов определяются валентными электронами.

У протонов числа электронов одинаковы, значит по своим химическим свойствам атомы протонов совершенно одинаковы.

Большинство химических элементов имеет по нескольку стабильных протонов. Например, у водорода три изотопа:

Обычный водород и дейтерий стабильны, тритий - радиоактивен, его период полураспада Т_1/2=12,35 года.