Характеристики ядра. Ядерные силы . Модели атомного ядра

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. ( см. лекцию с опытами Резерфорда). Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов (p) и нейтронов (n), которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона (от лат. nucleus — ядро).

Общее число нуклонов в атомном ядре A называется массовым числом. Заряд ядра равен величине Ze, где e — заряд протона, Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре (совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов — атомным номером). Ядро химического элемента X с атомным номером Z и массовым

числом A обозначается .

Изотопами называются ядра с одинаковым атомным номером Z (зарядом или числом протонов), но разными A (т.е. разным числом нейтронов N = A - Z). Например, изотопы водорода (Z= 1): протий — (Z =1, N = 0), дейтерий — (Z =1, N =1), тритий — (Z =1, N = 2).

Изобарами называются ядра с одинаковым массовым числом A, но разными Z. Например, .

Изотонами называются ядра с одинаковым числом нейтронов N = A − Z. Например, .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра,имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра (38.1), где R ₀ = (1,3 ÷1,7)10^-15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (≈10¹⁷ кг/м3).

Поскольку большинство ядер устойчиво, то между нуклонами существует особое ядерное (сильное) взаимодействие — притяжение, которое обеспечивает устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

Энергией связи ядра E _св называется физическая величина, равная работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех нуклонов в ядре и их энергией в свободном состоянии. Энергия связи нуклонов в атомном ядре:

(38.2)

 

 

Масса Δm, соответствующая энергии связи: (38.3)

называется дефектом массы ядра.

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

Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

(38.4). Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т.е.чем больше Δε _св, тем прочнее ядро.

Собственный момент импульса ядра — спин ядра — векторная сумма спинов нуклонов (равен 1/2) и орбитальных моментов импульса нуклонов (момента импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра). Спин ядра квантуется по закону:

(38.5), где I — спиновое квантовое число, которое принимает значения 0, ½, 1, 3/2, ….

Атомное ядро кроме спина обладает магнитным моментом (38.6), где g_я — коэффициент пропорциональности, называемый ядерным гиромагнитным отношением. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон: .

Ядерный магнетон в раз меньше магнетона Бора, поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.

Наличие магнитного момента ядра объясняет сверхтонкую структуру в спектрах атомов во внешнем магнитном поле.

Свойства ядерных сил:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные являются короткодействующими — их действие проявляется только на расстояниях порядка 10 ^–15 м;

3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: притяжение между любыми двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтронного); ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

4) ядерным силам свойственно насыщение: каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон — ядро изотопа дейтерия — только при условии

параллельной ориентации их спинов;

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

1. Капельная модель. Эта модель основана на аналогии между поведением молекул в капле жидкости и нуклонов в ядре — короткодействие ядерных взаимодействий, одинаковая плотность ядерного вещества в разных ядрах (несжимаемость), свойство насыщения ядерных сил. Она трактует ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости, подчиняющуюся законам квантовой механики.

2. Оболочечная модель. В этой модели нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми — магические ядра, у которых число протонов Z или нейтронов N равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Ядра, у которых магическими являются и Z, и N, называются дважды магическими. Дважды магических ядер известно всего пять: .