Что такое ядро атома. Строение атома: ядро, нейтрон, протон, электрон

Делимо ли атомное ядро? И если да, то из каких частиц оно состоит? На этот вопрос пытались ответить многие физики.

В 1909 г. британский физик Эрнест Резерфорд вместе с немецким физиком Гансом Гейгером и физиком из Новой Зеландии Эрнстом Марсденом провёл свой известный эксперимент по рассеянию α-частиц, результатом которого стал вывод о том, что атом вовсе не неделимая частица. Он состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Причём, несмотря на то, что размер ядра примерно в 10 000 раз меньше размера самого атома, в нём сосредоточено 99,9% массы атома.

Но что из себя представляет ядро атома? Какие частицы входят в его состав? Это сейчас мы знаем, что ядро любого элемента состоит из протонов и нейтронов , общее название которых нуклоны . А в начале ХХ века после появления планетарной, или ядерной, модели атома, это было загадкой для многих учёных. Выдвигались разные гипотезы и предлагались разные модели. Но правильный ответ на этот вопрос снова дал Резерфорд.

Открытие протона

Опыт Резерфорда

Ядро атома водорода – это атом водорода, из которого удалили его единственный электрон.

К 1913 г. были вычислены масса и заряд ядра атома водорода. Кроме того, стало известно, что масса атома любого химического элемента всегда делится без остатка на массу атома водорода. Этот факт навёл Резерфорда на мысль, что в любое ядро входят ядра атомов водорода. И ему удалось доказать это экспериментально в 1919 г.

В своём опыте Резерфорд поместил источник α-частиц в камеру, в которой был создан вакуум. Толщина фольги, закрывавшей окно камеры, была такой, что α-частицы не могли выходить наружу. За окном камеры располагался экран, на который нанесли покрытие из сернистого цинка.

Когда камеру начинали заполнять азотом, на экране фиксировались световые вспышки. Это означало, что под воздействием α-частиц из азота выбивались какие-то новые частицы, без труда проникавшие через фольгу, непроходимую для α-частиц. Оказалось, что неизвестные частицы имеют положительный заряд, равный по величине заряду электрона, а их масса равна массе ядра атома водорода. Эти частицы Резерфорд назвал протонами .

Но вскоре стало понятно, что ядра атомов состоят не только из протонов. Ведь если бы это было так, то масса атома равнялась бы сумме масс протонов в ядре, а отношение заряда ядра к массе было бы величиной постоянной. На самом деле, это справедливо только для простейшего атома водорода. В атомах других элементов всё по-другому. К примеру, в ядре атома бериллия сума масс протонов равна 4 единицам, а масса самого ядра равна 9 единицам. Значит, в этом ядре существуют и другие частицы, обладающие массой в 5 единиц, но не имеющие заряда.

Открытие нейтрона

В 1930 г. немецкий физик Вальтер Боте Боте и Ханс Беккер во время эксперимента обнаружили, что излучение, возникающее при бомбардировке атомов бериллия α-частицами, имеет огромную проникающую способность. Спустя 2 года английский физик Джеймс Чедвик, ученик Резерфорда, выяснил, что даже свинцовая пластинка толщиной 20 см, помещённая на пути этого неизвестного излучения, не ослабляет и не усиливает его. Оказалось, что и электромагнитное поле не оказывает на излучаемые частицы никакого воздействия. Это означало, что они не имеют заряда. Так была открыта ещё одна частица, входящая в состав ядра. Её назвали нейтроном . Масса нейтрона оказалась равной массе протона.

Протонно-нейтронная теория ядра

После экспериментального открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг, независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную теорию ядра, которая дала научное обоснование состава ядра. Согласно этой теории ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Их общее название - нуклоны.

Общее число нуклонов в ядре обозначают буквой A . Если число протонов в ядре обозначить буквой Z , а число нейтронов буквой N , то получим выражение:

A = Z + N

Это уравнение называется уравнением Иваненко-Гейзенберга .

Так как заряд ядра атома равен количеству протонов в нём, то Z называют также зарядовым числом . Зарядовое число, или атомный номер, совпадает с его порядковым номером в периодической системе элементов Менделеева.

В природе существуют элементы, химические свойства которых абсолютно одинаковы, а массовые числа разные. Такие элементы называются изотопами . У изотопов одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов.

К примеру, у водорода три изотопа. Все они имеют порядковый номер, равный 1, а число нейтронов в ядре у них разное. Так, у самого простого изотопа водорода, протия, массовое число 1, в ядре 1 протон и ни одного нейтрона. Это простейший химический элемент.

Протонно-электронная теория

К началу $1932$ г. Было известно только три элементарные частицы: электрон, протон и нейтрон. По этой причине было сделано предположение, что ядро атома состоит с протонов и электронов (протонно-электронная гипотеза). Считалось, что в состав ядра с номером $Z$ в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и массовым числом $A$ входит $A$ протонов и $Z-A$ нейтронов. В соответствии с этой гипотезой электроны, которые входили в состав ядра, выполняли роль «цементирующего» средства, с помощью которого положительно заряженные протоны удерживались в ядре. Сторонники протонно-электронной гипотезы состава атомного ядра считали, что $\beta ^-$ - радиоактивность -- это подтверждение правильности гипотезы. Но эта гипотеза оказалась на в состоянии объяснить результаты эксперимента и была отброшена. Одним с таких затруднений была невозможность объяснить то, что спин ядра азота $^{14}_7N$ равен единице $(\hbar)$. В соответствии с протонно-электронной гипотезой, ядро азота $^{14}_7N$ должно состоять с $14$ протонов и $7$ электронов. Спин протонов и электронов равен $1/2$. По этой причине ядро атома азота, которое состоит в соответствии с этой гипотезой с $21$ частицы, должно иметь спин $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Это несоответствие протонно-электронной теории названо «азотной катастрофой». Так же непонятным было то, что при наличии электронов в ядре его магнитный момент имеет малый магнитный момент по сравнению с магнитным моментом электрона.

В $1932$ году Дж. Чедвик открыл нейтрон. После этого открытия Д. Д. Иваненко и Е. Г. Гапон выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомного ядра, какую подробно разработал В. Гейзенберг.

Замечание 1

Протонно-нейтронный состав ядра подтвержден не только теоретическими выводами, но и непосредственно опытами по расщеплению ядра на протоны и нейтроны. Сейчас общепринято, что атомное ядро состоит с протонов и нейтронов, которые так же называются нуклонами (от латинского nucleus -- ядро, зерно).

Строение атомного ядра

Ядро являет собой центральную часть атома, в которой сосредоточено положительный электрический заряд и основная часть массы атома. Размеры ядра, в сравнении с орбитами электронов чрезвычайно малы: $10^{-15}-10^{-14}\ м$. ядра состоят с протонов и нейтронов, которые почти одинаковы по массе, но электрический заряд несет только протон. Полное число протонов называется атомным номером $Z$ атома, который совпадает с числом электронов у нейтральном атоме. Нуклоны удерживаются в ядре большими силами, по своей природе эти силы не относятся ни к электрическим ни к гравитационным, а по величине они на много превышают силы, которые связывают электроны с ядром.

Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра:

• ядра всех химических элементов состоят из нуклонов;
• заряд ядра обусловлен только протонами;
• число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента;
• число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов ($N=A-Z$)

Протон ($^2_1H\ или\ p$) -- положительно заряженная частица: её заряд равен заряду электрона $e=1.6\cdot 10^{-19}\ Кл$, а масса покоя $m_p=1.627\cdot 10^{-27}\ кг$. Протон является ядром налёгшего нуклона атома гидрогена.

Для упрощения записей и расчётов массу ядра зачастую определяют в атомных единицах массы (а.е.м) или в единицах энергии (записывая вместо массы соответствующую энергию $E=mc^2$ в электрон-вольтах). За атомною единицу массы берут $1/12$ массы нуклида углерода $^{12}_6С$. В этих единицах получаем:

Протон подобно электрону имеет собственный момент импульса -- спин, который равен $1/2$ (в единицах $\hbar $). Последний, во внешнем магнитном поле может ориентироваться только так, что его проекция и направления поля равны $+1/2$ или $-1/2$. Протон, как и электрон, подлежит квантовой статистике Ферми-Дирака, т.е. принадлежит к фермионам.

Протон характеризируется собственным магнитным моментом, который для частицы со спином $1/2$ зарядом $e$ и массой $m$ равен

Для электрона собственный магнитный момент равен

Для описания магнетизма нуклонов и ядер используют ядерный магнетон (в $1836$ раз меньше магнетона Бора):

Поначалу считали, что магнитный момент протона равен ядерному магнетону, т.к. его масса в $1836$ раз больше массы электрона. Но измерения показали, что на самом деле собственный магнитный момент протона в $2,79$ раз больше от ядерного магнетрона, имеет положительный знак, т.е. направление совпадает со спином.

Современная физика объясняет эти разногласия тем, что протоны и нейтроны взаимопреобразуются и на протяжении некоторого времени пребывают в состоянии диссоциации на $\pi ^\pm $ -- мезон и соответственного знака другой нуклон:

Масса покоя $\pi ^\pm $ - мезона равна $193,63$ МэВ, по этому его собственный магнитный момент в $6,6$ раз больше от ядерного магнетона. В измерениях появляется некоторое эффективное значение магнитного момента протона и $\pi ^+$ -- мезонного окружения.

Нейтрон ($n$) -- электрически нейтральная частица; ее масса покоя

Хоть нейтрон и лишен заряда, он имеет магнитный момент $\mu _n=-1.91\mu _Я$. Знак «$-$» показывает, что за направлением магнитный момент противоположный спину протона. Магнетизм нейтрона определяется эффективным значением магнитного момента частиц, на которые он способен диссоцыировать.

В свободном состоянии нейтрон неустойчивая частица и произвольно распадается (период полураспада $12$ мин): излучая $\beta $ -- частицу и антинейтрино он превращается в протон. Схема распада нейтрона записывается в таком виде:

В отличии от внутриядерного распада нейтрона $\beta $ -- распад принадлежит и до внутреннего распада и до физики элементарных частиц.

Взаимное преобразование нейтрона и протона, равенство спинов, приближённость масс и свойств дают основания предполагать, что речь идет о двух разновидностях одной и той же ядерной частицы -- нуклона. Протонно-нейтронная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Как составляющие ядра протоны и нейтроны обнаруживают в многочисленных реакциях деления и синтеза.

В произвольных и штучных делениях ядер наблюдаются так же потоки электронов, позитронов, мезонов, нейтрино и антинейтрино. Масса $\beta $ -- частицы (электрон или позитрон) в $1836$ раз меньше массы нуклона. Мезоны -- положительные, отрицательные и нулевые частицы -- по массе занимают промежуточное место между $\beta $ -- частицами и нуклонами; время жизни таких частиц очень мало и составляет миллионные доли секунды. Нейтрино и антинейтрино -- элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю. Однако электроны, позитроны и мезоны не могут быть составляющими ядра. Эти легкие частицы не могут быть локализованы в малом объеме, которым является ядро радиусом $\sim 10^{-15}\ м$.

Для доказательства этого определим энергию электрического взаимодействия (например, электрона с позитроном или протоном в ядре)

и сравним ее с собственной энергией электрона

Посколькy энергия внешнего взаимодействия превышает собственную энергию электрона, он не может существовать и сохранять собственную индивидуальность, в условиях ядра он будет уничтожен. Другая ситуация с нуклонами, их собственная энергия более $900$ МэВ, поэтому в ядре они могут сохранять свои особенности.

Легкие частицы излучаются с ядер в процессе перехода их с одного состояния в другое.

В 20 -х годах XX века сомнений насчет сложности строения открытых Резерфордом в 1911 году ядер атомов у физиков уже не оставалось. На данный факт указывало большое количество различных совершенных к тому времени время экспериментов, таких как:

• открытие явления радиоактивности,
• опытное доказательство ядерной модели атома,
• измерение отношения e m для электрона, α -частицы и для H -частицы, представляющей собой ядро атома водорода,
• открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций,
• измерение зарядов атомных ядер и многие другие.

Из каких же частиц состоят ядра атомов? В наше время является фактом то, что ядра атомов различных элементов состоят из двух видов частиц, то есть из нейтронов и протонов. Вторая из этих частиц является лишившийся единственного своего электрона атомом водорода. Такая частица была замечена уже в опытах Дж. Томсона 1907 года. Ученый смог измерить у нее отношение e m .

Определение 1

Э. Резерфордом в 1919 году были обнаружены в продуктах расщепления ядер атомов значительного числа элементов атомные ядра водорода. Физиком найденной частице было дано название протона . Он предположил, что в состав любого из ядер атомов входят протоны.

Схема опытов Резерфорда проиллюстрирована на рисунке 6 . 5 . 1 .

Рисунок 6 . 5 . 1 . Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α -частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М представляет собой микроскоп.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры с расположенным в ней контейнером К , в котором находился источник α -частиц. Металлическая фольга, на рисунке обозначенная как Ф , перекрывала окно камеры. Толщина фольги подбиралась таким образом, чтобы предотвратить проникание через нее α -частиц. За окном был расположен покрытый сернистым цинком экран, на изображении 6 . 5 . 1 отмеченный буквой Э. Применяя микроскоп М , можно было наблюдать световые вспышки или, как их еще называют, сцинтилляции в точках, в точках экрана, в которых происходило попадание тяжелых заряженных частиц.

В процессе заполнения камеры азотом с низким давлением на экране обнаруживались световые вспышки. Данное явление указывало на тот факт, что в условиях эксперимента существует поток неизвестных частиц, обладающих способностью проникать сквозь практически полностью задерживающую поток α -частиц фольгу Ф . Раз за разом удаляя от окна камеры экран Э. Резерфорд смог измерить среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Полученная величина оказалась приблизительно равной 28 с м, что совпадало с оценкой длины пробега наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном H -частиц.

С помощью исследований воздействия электрических и магнитных полей на выбиваемые из ядер азота частицы были получены данные о положительности их элементарного заряда. Также было доказано, что масса таких частиц эквивалентна массе ядер атомов водорода.

Впоследствии опыт выполнили с целым рядом других газообразных веществ. Во всех проведенных подобных опытах было обнаружено, что из их ядер α -частицы выбивают H -частицы или протоны.

Согласно современным измерениям, положительный заряд протона абсолютно эквивалентен элементарному заряду e = 1 , 60217733 · 10 – 19 К л. Другими словами, по модулю он равен отрицательному заряду электрона. В наше время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 – 22 . Подобное совпадение зарядов двух значительно отличающихся друг от друга частиц вызывает искреннее недоумение и по сей день остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Определение 2

Опираясь на современные измерения, можно заявить, что масса протона равна m p = 1 , 67262 · 10 – 27 к г. В условиях ядерной физики принадлежащую частицам массу нередко выражают в атомных единицах массы (а. е. м.) , равных массы атома углерода с массовым числом 12:

1 а. е. м. = 1 , 66057 · 10 - 27 к г.

Соответственно, m p = 1 , 007276 а. е. м.

Довольно часто выражение массы частицы наиболее удобно при использовании эквивалентных значений энергии в соответствии со следующей формулой: E = m c 2 . По причине того, что 1 э В = 1 , 60218 · 10 – 19 Д ж, в энергетических единицах масса протона равняется 938 , 272331 М э В.

Следовательно, опыт Резерфорда, открывший явление расщепления ядер азота и иных элементов таблицы Менделеева в условиях ударов быстрых α -частиц, также показал, что в состав атомных ядер входят протоны.

Вследствие открытия протонов у некоторых физиков появилось предположение, что новые частицы не просто входят в состав ядер атомов, а являются его единственными возможными элементами. Однако по причине того, что отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны, данное предположение было признано несостоятельным. Для более тяжелых ядер такое отношение оказывается меньше, чем для легких, из чего следует, что при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра возрастает быстрее заряда.

В 1920 году Э. Резерфордом была высказана гипотеза о присутствии в составе ядер некой компактной жестко связанной пары, состоящей из электрона и протона. В понимании ученого данная связка являлась электрически нейтральным образованием в качестве частицы, обладающей практически эквивалентной массе протона массой. Им также было придумано название для данной гипотетической частицы, Резерфорд хотел назвать ее нейтроном. К сожалению, приведенная идея, несмотря на свою красоту, была ошибочной. Было выяснено, что электрон не может являться частью ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10 – 13 с м, электрон должен обладать невероятной кинетической энергией, которая на много порядков превосходит энергию связи ядер в расчете на одну частицу.

Идея о существовании некой тяжелой нейтрально заряженной частицы в составе ядра была крайне привлекательна для Резерфорда. Ученый незамедлительно обратился к группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком с предложением заняться ее поисками. По прошествии 12 лет, в 1932 году Чедвик провел экспериментальное исследование излучения, возникающего в условиях облучения бериллия α -частицами. В процессе он обнаружил, что данное излучение является потоком нейтральных частиц, обладающих массой, практически эквивалентной массе протона. Таким образом был открыт нейтрон. На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирована упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Рисунок 6 . 5 . 2 . Схема установки для обнаружения нейтронов.

В процессе бомбардировки бериллия испускаемыми радиоактивным полонием α -частицами появляется мощное проникающее излучение, способное пройти сквозь преграду в виде 10 - 20 сантиметрового слоя свинца. Данное излучение практически в то же время, что и Чедвик обнаружили супруги дочь Марии и Пьера Кюри Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, однако ими было выдвинуто предположение, что это γ -лучи большой энергии. Они заметили, что если на пути излучения бериллия установить парафиновую пластину, то ионизирующая способность данного излучения скачкообразно увеличивается. Супруги доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина в большом количестве имеющиеся в приведенном водородосодержащем веществе протоны. Используя значение длины свободного пробега протонов в воздухе, учеными была оценена энергия γ -квантов, обладающих способностью в условиях столкновения сообщать протонам нужную скорость. Полученное в результате оценки значение энергии оказалось огромным – около 50 М э В.

В 1932 Дж. Чедвиком была выполнена целая серия из экспериментов, направленных на всестороннее изучение свойств излучения, которое возникает при облучении бериллия α -частицами. В своих опытах Чедвик применял разные методы исследования ионизирующих излучений.

Определение 3

На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирован счетчик Гейгера , прибор, использующийся для регистрации заряженных частиц.

Данное устройство состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, обычно в его качестве выступает аргон, при низком давлении. Заряженная частица в процессе перемещения в газе вызывает ионизацию молекул.

Определение 4

Возникающие в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается явление ударной ионизации. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.

Определение 5

Еще одним обладающим чрезвычайной важностью для исследования частиц прибором является камера Вильсона , в которой быстрая заряженная частица оставляет след или, как его еще называют, трек.

Траекторию частицы можно фотографировать или наблюдать непосредственно. Фундаментом действия созданной в 1912 году камеры Вильсона является явление конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. При помощи камеры Вильсона появляется возможность наблюдения искривления траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Доказательство 1

В своих экспериментах Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона следы испытавших столкновение с бериллиевым излучением ядер азота. Основываясь на данных опытах, ученый оценил энергию γ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Полученное значение равнялось 100 – 150 М э В. Настолько огромной энергией не могли обладать испущенные бериллием γ -кванты. Исходя из этого факта, Чедвик заключил, что из бериллия при воздействии α -частиц вылетают не безмассовые γ -кванты, а достаточно тяжелые частицы. Данные частицы обладали немалой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, соответственно, они были электронейтральны. Таким образом было доказано существование нейтрона – частицы, которую предсказал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Определение 6

Нейтрон представляет собой элементарную частицу. Ошибочным будет ее представление в виде компактной протон-электронной пары, как изначально предполагал Резерфорд.

Исходя из результатов современных измерений, мы можем сказать, что масса нейтрона m n = 1 , 67493 · 10 – 27 к г = 1 , 008665 а. е. м.

В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна 939 , 56563 М э В. Масса нейтрона примерно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко на пару с немецким физиком В. Гейзенберг выдвинул гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Определение 7

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами .

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений.

Определение 8

Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).

Заряд ядра равен Z e , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .

Определение 9

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра A:

Определение понятия изотопа

Ядра химических элементов обозначают символом X Z A , где X – химический символ элемента. Например,
H 1 1 – водород, He 2 4 – гелий, C 6 12 – углерод, O 8 16 – кислород, U 92 238 – уран.

Определение 10

Число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие ядра называются изотопами .

Большая часть химических элементов обладает несколькими изотопами. Например, у водорода их три: H 1 1 – обычный водород, H 1 2 – дейтерий и H 1 3 – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3 .

Химические элементы в природных условиях чаще всего представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равняется 12 , 011 .

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 … 10 -15 м (линейные размеры атома – 10 -10 м).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц  протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д. Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом.

Протон (р ) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоят p = 1,6726∙10 -27 кг 1836m e , гдеm e масса электрона. Нейтрон (n )нейтральная частица с массой покояm n = 1,6749∙10 -27 кг 1839т e ,. Массу протонов и нейтронов часто выражают в других единицах – в атомных единицах массы (а.е.м., единица массы, равная 1/12 массы атома углерода
). Массы протона и нейтрона равны приблизительно одной атомной единице массы. Протоны и нейтроны называют­сянуклонами (от лат.nucleus ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называ­етсямассовым числомА ).

Радиусы ядер возрастают с увеличением массового числа в соответствии с соотношением R = 1,4А 1/3 10 -13 см.

Эксперименты показывают, что ядра не имеют резких границ. В центре ядра существует определенная плотность ядерного вещества, и она постепенно уменьшается до нуля с увеличением расстояния от центра. Из-за отсутствия четко определенной границы ядра его «радиус» определяется как расстояние от центра, на котором плотность ядерного вещества уменьшается в два раза. Среднее распределение плотности материи для большинства ядер оказывается не просто сферическим. Большинство ядер деформировано. Часто ядра имеют форму вытянутых или сплющенных эллипсоидов

Атомное ядро характеризуетсязарядом Ze, гдеZ зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом:
, гдеX символ химического элемента,Z атомный номер (число протонов в ядре),А массовое число (число нуклонов в ядре). Массовое числоА приблизительно равно массе ядра в атомных единицах массы.

Так как атом нейтрален, то заряд ядра Z определяет и число электронов в атоме. От числа электронов зависитих распределение по состояниям в атоме. Заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электро­нов в атоме, конфигурациюих электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z , но с разными массовыми числамиА (т. е. с разными числами нейтронов N = A – Z ), называются изотопами, а ядра с одинаковымиА, но разнымиZ – изобарами. Например, водород (Z = l) имеет три изотопа: Н – протий (Z = l,N = 0), Н – дейтерий (Z = l,N = 1), Н – тритий (Z = l,N = 2), олово – десять изотопов и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами.

Е , МэВ

Уровни энергии

и наблюдаемые переходы для ядра атома бора

Квантовая теория строго ограничивает значения энергий, которыми могут обладать составные части ядер. Совокупности протонов и нейтронов в ядрах могут находиться только в определенных дискретных энергетических состояниях, характерных для данного изотопа.

Когда электрон переходит из более высокого в более низкое энергетическое состояние, разность энергий излучается в виде фотона. Энергия этих фотонов имеет порядок нескольких электронвольт. Для ядер энергии уровней лежат в интервале примерно от 1 до 10 МэВ. При переходах между этими уровнями испускаются фотоны очень больших энергий (γ–кванты). Для иллюстрации таких переходов на рис. 6.1 приведены пять первых уровней энергии ядра
.Вертикальными линиями указаны наблюдаемые переходы. Например, γквант с энергией 1,43 МэВ испускается при переходе ядра из состояния с энергией 3,58 МэВ в состояние с энергией 2,15 МэВ.

.
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 Энергия связи частиц в ядре Деление ядер урана Цепная реакция

✪ Ядерные реакции

✪ Ядерная физика - Строение ядра атома v1

✪ КАК УСТРОЕНА АТОМНАЯ БОМБА "ТОЛСТЯК"

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 . В 1921 году Лиза Мейтнер предложила первую, протон-электронную, модель строения атомного ядра, согласно которой оно состоит из протонов, электронов и альфа-частиц :96 . Однако в 1929 году произошла «азотная катастрофа» - В. Гайтлер и Г. Герцберг установили , что ядро атома азота подчиняется статистике Бозе - Эйнштейна , а не статистике Ферми - Дирака , как предсказывала протон-электронная модель :374 . Таким образом, эта модель вступила в противоречие с экспериментальными результатами 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,

E ∗ {\displaystyle E^{*}} - энергия возбуждения ядра,

A {\displaystyle a} и b {\displaystyle b} - коэффициенты, постоянные для данного ядра:

A {\displaystyle a} - среднее расстояние между первыми возбуждёнными уровнями (для лёгких ядер примерно 1 МэВ, для тяжёлых - 0,1 МэВ)