Модель атома и элементарные частицы. Атомное ядро

Как известно, наименьшей частицей вещества, обладающей всеми химическими свойствами данного химического элемента, является атом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. В ядре со­средоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер имеют поря­док 10^—10... 10 ^—15 м, в то время как линейные размеры атомов порядка 10^-10 м.

Массу частиц в ядерной физике принято выражать либо в атомных едини­цах массы (а.е.м.), либо в единицах энергии покоя частицы - мегаэлектронвольтах (МэВ). Энергия покоя находится в соответствии с форму­лой взаимосвязи массы (m) и энергии (Е) Е=mс², (1.1) где с - скорость света в вакууме.

Формула (1.1) записана в системе единиц СИ, а эквивалентное, соотноше­ние, записанное во внесистемных единицах, в котором масса выражается в а.е.м., а энергия - в МэВ, имеет вид Е=931,5m. (1.2)

Соотношение различных единиц массы можно представить равенством

1 а.е.м. = 1,661∙10^-27 кг = 931,5 МэВ.

Ядра состоят из двух элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протон представляет собой ядро простейшего атома-водорода. Он имеет положи­тельный заряд, численно равный заряду электрона е = 1,6-10^-19Кл, и массу покоя mр = 1,6726∙10^-19 кг = 1836mе, где mе - масса покоя электрона. Масса по­коя - это масса частицы (тела), измеренная в той системе координат, где части­ца неподвижна. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозна­чается буквой Z. Оно совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Очевидно, что заряд ядра равен Z-e, поэтому число Z на­зывают также зарядовым числом ядра. Нейтрон электрически нейтрален, а его масса покоя почти совпадает с массой покоя протона: mn = 1,6794∙10^-27 = =1839me. Протоны и нейтроны объединяют общим названием - нуклоны. Об­щее число нуклонов в ядре называют массовым числом Am: Am = Z+ ne, где ne - количество нейтронов в ядре.

Чтобы охарактеризовать химический элемент, используют его символ X и указывают атомный номер и массовое число ядра:

В ядрах атомов одного и того же химического элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов постоянное. Ядра, содержащие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называют изотопами. Термин "изотопы" применяет­ся только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, то используется термин «изобары». Ядра, имеющие одно и то же массовое число Am при раз­ных Z, называются изобарами. Например, сера-36 и серебро-36 при Z = 16 и Z = 18 соответственно.

На сегодняшний день известно около 300 устойчивых и свыше 1000 неус­тойчивых (радиоактивных) изотопов. Это в то время, как в периодической таб­лице Д. И. Менделеева содержится 110 химических элементов.

Ядра не имеют резко выраженной границы. Поэтому радиус ядра имеет условный смысл. Эмпирическая формула для вычисления радиуса ядра:

где R = (1,3...1,7)∙10^-15 м,

Am - массовое число ядра. Формула (1.3) показывает, что размер чрезвычайно мал даже для ядра с большим числом нуклонов. Он примерно в 10 раз меньше размера атома. Зная, что объем шара V пропорционален кубу радиуса, с учетом формулы (1.3) имеем V~A_m. Следовательно, объем ядра пропорционален числу нуклонов в нем. Плот­ность ядерного вещества (8) постоянна для всех ядер, ее значение Плотностью вещества называют массу, приходящуюся на единицу объема.

Как известно, одноименно заряженные частицы отталкиваются. Поэтому наличие в ядре нескольких положительно заряженных протонов свидетельству­ет о существовании специфических ядерных сил притяжения, которые преоб­ладают над электрическим отталкиванием протонов. Эти силы обеспечивают стабильность ядер. Поэтому ядерными силами называются силы, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре. Ядерные силы не сводятся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных, электромагнит­ных). Они имеют ряд специфических свойств. Важнейшей особенностью ядер­ных сил является их коротко действие: ядерные силы велики, если расстояние между нуклонами порядка 10^-13 м, и практически равны нулю, если расстояние между нуклонами превышает 10^-15 м. Ядерные силы достигают величины, в 100-1000 раз превышающей силу взаимодействия электрических зарядов. Они отличаются зарядовой независимостью, т.е. притяжение между двумя нуклона ми одинаково и не зависит от их зарядового состояния, протонного или ней­тронного. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это свойство означает, что с увеличением числа нуклонов в ядре ядерные силы возрастают только для са­мых легких ядер (изотопов водорода и гелия). А после гелия, они примерно одинаковы для всех других ядер. Свойство насыщения вытекает из короткодействия ядерных сил. Благодаря этому каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщенностью ядерных сил объясняется пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов. Таким образом, ядерные силы являются силами притяжения и проявляют­ся между нуклонами на расстоянии, сравнимом с размерами самих нуклонов.