Физика атома и ядра (курс лекций)

Ядро атома.

Каждый атом обладает отрицательно заряженной электронной оболочкой и положительно заряженным атомным ядром.

Атомное ядро - это центральная часть атома, в которой сосредоточена 99,95 % всей массы атома. Она обладает ничтожно малым размером и колоссальной прочностью. Для сравнения скажем, что для отрыв обоих электронов от атома гелия достаточно энергии 79 эВ, а для разрыва ядра гелия на составные части необходима энергия 28 МэВ.

Существование в атоме тяжелого плотного положительно заряженного ядра было открыто Э. Резерфордом и его сотрудниками в 1906 году при изучении рассеяния α-частиц атомами золота и некоторых других металлов. Прочность атомных ядер была впервые установлена также этими опытами.

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов.

Протон был открыт Резерфордом, когда он продолжил свои опыты с частицами. Он заметил, что при облучении α-частицами азота, бора и других элементов возникают новые частицы, также создающие сцинтилляции, но отличающиеся от частиц большей проникающей способностью. С помощью магнитного отклонения и других методов удалось установить заряд и массу, а тем самым природу этих частиц. Они оказались быстродвижущимися ядрами атомов водорода. Частицы были названы протонами.

В 1920 году Резерфорд высказал гипотезу о возможности существования в атомном ядре нейтральной частицы с массой, примерно равной массе протона. Он называл эту частицы нейтроном. Нейтрон был открыт в 1932 году Дж. Чедвиком, когда исследовал неизвестное излучение, открытое другими учеными. Чедвик установил, что данное излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Тем самым нашел ту частицу, существование которой предсказал его учитель Резерфорд. Таким образом, была выдвинута гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Обе частицы носят общее название нуклонов.

Заряд ядра.

В 1913 году Г. Мозли выполнил опыты по измерению электрического заряда атомных ядер различных химических элементов по рентгеновским спектрам, испускаемым атомами этих элементов при их облучении потоком электронов высоких энергий. Он установил, что заряд атомного ядра равен произведению элементарного электрического заряда e, равного абсолютной величине заряда электрона, на порядковый номер соответствующего химического элемента в таблице Менделеева

Оказалось, что порядковый номер химического элемента определяется числом положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. В связи с этим порядковый номер элемента называется зарядовым числом.

Масса ядра.

Она немного отличается от массы атома. Обычно массу ядер выражают в особых единицах, называемых атомными единицами (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/12 часть массы атома углерода с массовым числом 12. Масса протона и нейтрона равны соответственно: m_p=1.00728, m_n=1.00867 а.е.м.

Масса частицы связана с ее полной энергией соотношением Эйнштейна

Поэтому в ядерной физике и физике элементарных частиц массу принято измерять в энергетических единицах, как правило, в МэВ. Энергетический эквивалент атомной единицы массы равен

Массы электрона, протона и нейтрона в энергетических единицах равны

Массы атомов и атомных ядер измеряются с помощью масс-спектрографом. По известным значениям индукции B магнитного поля, скорости v, заряда q иона и радиуса r окружности определяется масса иона

Размер ядра.

О размерах ядра нельзя говорить с той же определенностью и однозначностью, как это делается в случае макроскопических тел. Наибольшей определенностью характеризуются размеры тяжелых ядер. Для количественного определения ядер вводят понятие радиуса ядра. Атомные ядра являются микрочастицами, для которых существенны квантовомеханические закономерности, поэтому не имеют четко определенной границы. Были разработаны несколько способов определения радиуса ядра, основанные на том или ином методе измерения. Они показывают, что радиусы всех ядер могут быть вычислены по приближенной формуле

(4) где A - массовое число, равное целому числу, ближайшему атомному весу соответствующего химического элемента. Вводится единица измерения длины в ядерных масштабах. Эта единица называется Ферми. 1Ф=10^-15м.

Энергия связи.

Ядро представляет собой прочно связанную систему нуклонов, между которыми действуют ядерные силы. Точные измерения показали, что если несколько протонов и нейтронов сливаются в единое ядро, то часть их массы Δm пропадает, превращаясь в энергию

Поэтому масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него нуклонов:

Величину Δm называют дефектом массы, а величина ΔE равна энергии связи нуклонов в ядре. Из закона массы-энергии можно получить выражение для энергии связи:

Выражение энергию связи нуклонов в ядре принято написать в МэВ

Здесь в скобках масса нуклонов и ядра заданы в атомных единицах масс. Таким образом, энергия связи есть та минимальная энергия, которую нужно затратить для разделения (расщепления) атомного ядра на составляющие его нуклоны. Эта энергия расходуется на совершение работы против действия ядерных сил притяжения между нуклонами. Вводят понятие удельной энергии связи, под которым подразумевают отношение энергии E_св связи нуклонов ядра к числу всех нуклонов в ядре - массовому числу A

Классификация ядер по составу нуклонов.

Для обозначения ядер применяется символическая запись ядра

где под символом X подразумевается знак химического элемента, соответствующего данному ядру. Символы Z,A зарядовое и массовое число ядра. Массовое число - это целое число, ближайшее к атомной массе атома, выраженной в а.е.м. Оказалось, что оно равно числу нуклонов в ядре: A=Z+N. Число протонов равно зарядовому числу. Классификация ядер по составу нуклонов позволяет подразделять их на изотопы, изобары, изотоны и зеркальные ядра.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но разными массовыми числами A называются изотопами. Известны изотопы водорода: протон ₁H¹, дейтрон ₁H² и тритий ₁H³, соответственно атомы называются протием, дейтерием, и тритием. Все ядра имеют по нескольку изотопов.

Изобарами называются ядра с одинаковым массовым числом A, но разными зарядовыми числами Z. Например, ядра ₈O¹⁶, ₇N¹⁶.

Ядра с одинаковым числом N нейтронов называются изотонами. Группу изотонов образуют ядра \( _{6}^{14}C_8 \), \( _{8}^{16}O_8 \), \( _{7}^{15}N_8 \).

Зеркальными называются два ядра с одинаковыми массовыми числами A, для которых число протонов одного равно числу нейтронов другого, или наоборот. Например, ядра \( _{1}^{3}H_2 \), \( _{2}^{3}He_1 \) или пара других ядер \( _{4}^{7}Be_3 \), \( _{3}^{7}Li_4 \).