Строение атомного ядра

Атомное ядро — положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома. Состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). Число протонов определяет электрический заряд атомного ядра и порядковый номер Z атома в периодической системе элементов. Число нейтронов равно разности массового числа и числа протонов. Объём атомного ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. В поперечнике тяжёлые ядра достигают ю¹² см. Плотность ядерного вещества порядка ю¹⁴ г/см³.

Электрон — стабильная отрицательно заряженная частица со спином ½ с массой g-Ю'²⁸ гис магнитным моментом равным магнетону Бора; относится к лептонам и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях.

Позитрон — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд -1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Нуклон — общее название протона и нейтрона, являющихся составными частями атомных ядер.

Протон — стабильная элементарная частица с зарядом +е, со спином 1/2, магнитным моментом р=2, удрв и массой 1838,5 электронных масс (ю²⁴ г), относящаяся к группе барионов (класс адронов). Положительный заряд протона точно равен элементарному заряду е=1,6 021 773 ю‘⁹ Кл, масса протона равна т_р=1,6 726 231-10²⁷ кг=1,726 470 а.е.м.=дз8,27 231 МэВ. Масса лёгкого изотопа атома водорода (протия). m_am (iH^,)=i, 814 а.е.м.=дз8,7 МэВ=18з7т_е, т_р=1,759 а.е.м.=9з8,7МэВ=18здт_е

Нейтрон — электрически нейтральная элементарная частица со спином 1/2, магнитным моментом /t=-i, gipB и массой, превышающей массу протона на 2,5 электронных масс; относится к барионам М_п=1,8 986 а.е.м. = 939,5 МэВ = 1838,5 т_t>. Из т_п>т_Р+т_t>. В свободном состоянии нейтрон нестабилен: он распадается с периодом полураспада T=io, i8 мин (время жизни нейтрона т=881.5±1.5 с), образуя протон и испуская электрон и антинейтрино, v (fr-pacnad). Вместе с протонами нейтроны образуют атомные ядра; в ядрах нейтрон стабилен.

Нейтрино (v) — стабильная незаряженная элементарная частица со спином ½ и, возможно, нулевой массой; относится к лептонам. Нейтрино участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях и поэтому чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Различают электронное нейтрино (v_e) всегда выступающее в паре с электроном или позитроном, мюонное нейтрино (vj, выступающее в паре с мюоном, и лептонное нейтрино (vQ, связанное с тяжёлым лептоном. Каждый тип нейтрино имеет свою античастицу(v_t., i^, v/), отличающуюся от нейтрино знаком лептонного заряда и спиральностью: нейтрино имеют левую спиральность, (спин направлен против движения частицы), а антинейтрино — правую (спин — по направлению движения).

Ядро атома состоит из нуклонов. Нуклон — ядерная частица, способная существовать в двух состояниях — протона или нейтрона. Термин нуклон ввели, когда выяснили, что ядерные силы у протонов и нейтронов одинаковы (без учёта электромагнитных сил). Так как ядерные силы намного превышают электромагнитные, то замена протона на нейтрон внутри ядра практически не влияет на его общую энергию.

Замечание. Различие между протоном и нейтроном можно провести только, если они находятся в свободном состоянии (в свободном состоянии нейтрон — нестабилен и подвергается (5-распаду; нейтрон в ядре — стабилен; протон — стабилен всегда). Провести различие между протоном и нейтроном в ядре невозможно, так что ядро состоит из частиц одного вида — нуклонов.

Атомное ядро с зарядом Z и массовым числом А состоит из А нуклонов: Z — протонов и N нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Ядро имеет Z положительных элементарных зарядов. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом A=N+Z. Эта сумма всегда является целым числом; её не следует отожествлять с атомной массой.

Замечание. Число нуклонов, А, равно сумме числа нейтронов и протонов, но масса ядра не равна весу протонов и нейтронов, из которых он был синтезирован, т.к. масса нуклона меньше массы свободного протона или нейтрона. Это различие в массах обусловливает связь нуклонов в атомном ядре.

Массовое число атомного ядра, А — суммарное количество протонов и нейтронов (называемых общим термином «нуклоны») в ядре. Массовое число близко к атомной массе изотопа, выраженной в атомных единицах массы, но совпадает с ней только для ¹²С, т.к. атомная единица массы (а. е. м.) определяется сейчас как V_i2 массы атома ^,2С. Во всех остальных случаях атомная масса не является целым числом, в отличие от массового числа. Гак, массовое число изотопа хлора ³⁵С1 равно 35, а его атомная масса составляет 34,96 885 а.е.м.

Атомная .масса, относительная атомная масса — значение массы атома, выраженное в атомных единицах массы. Атомная единица массы принята равной 1/12 массы нейтрального атома изотопа углерода ^,2С, поэтому атомная масса этого изотопа по определению равна точно 12. Разность между атомной массой изотопа и его массовым числом называется избытком массы (обычно его выражают в МэВ). Он может быть как положительным, так и отрицательным; причина его возникновения — нелинейная зависимость энергии связи ядер от числа протонов и нейтронов, а также различие в массах протона и нейтрона.

Атомная единица, массы (далътон) — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Официально рекомендованными являются англоязычные термины atomic mass unit (a.m.u.). 1 a. e. m. =1,6 605 402 10~²* г =1 a. e. m. 0,931 494 028 ГэВ/с².

Конкретный изотоп обозначается символом химического элемента, слева внизу указывается число протонов Z (атомный номер в периодической системе), слева вверху — массовое число, А, справа внизу — число нейтронов N (обычно не указывается), справа вверху — заряд иона (валентность).

2 Хими ческий символ_v

Часто N обычно не указывают, а справа от символа верху пишут валентность или заряд иона. Например, типичное обозначение нуклида уг;

12⁴+.

лерода имеет вид: ₆ С.

Изотопы — нуклиды с одинаковым числом протонов, но различным количеством нейтронов (Z=const). Все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Например, ²U>²92^ и²||(/ - изотопы урана (Z=g2). Только для трёх изотопов водорода используются собственные названия и символы: протий Н=Н; дейтерий H=D; тритий Н=Т.

Изотопы — нуклиды с одинаковым количеством нейтронов в ядре, N,)io с разным числом протонов, Z (N=const). Например, ²Н и ³Не — изотопы водорода и гелия. Некоторые ядерные свойства изотопов подобны, аналогично подобности химических свойств изотопов.

Изодиаферы — нуклиды с одинаковым избытком нейтронов (N-Z-const). Нуклиды i$ 5i, ЦР, f$S, 17CI, ЦАг содержат соответственно на два нейтрона больше, чем протонов.

Изобары — нуклиды с одинаковым массовым числом, А, но с разными числами нейтронов и протонов. Например, ³Н и ^:}Не — изобары трития и гелия, ^юВе, ^ЮВ, ^{, 0}Сизобары бериллия, бора и углерода. Изобары (A=const) играют важную роль в радиоактивных процессах распада.

Изомер — нуклид в возбужденном ядерном состоянии, с измеримой продолжительностью жизни (>10−9 с).

Изомерные нуклиды различаются не числом протонов или числом нейтронов, а энергией связи ядра. Изомеры находятся в различных энергетических состояниях, причём каждое состояние ядра имеет определенное измеримое время жизни. Состояние нуклида с минимальным значением энергии является основным состоянием. Высокоэнергетическое состояние с очень малым временем жизни (меньше одной микросекунды) называется.

«возбужденным состоянием».

Рис. 1. Протонно-нейтронная диаграмма: 1 — дорожка (3-

стабильных ядер (265 ядер); 2 — область (3-активных ядер (1700 ядер); 3 — область (3⁺-активных ядер.

Замечание. Для различия отдельных изомеров принято прибавлять к числу нуклонов букву у (для основного состояния) или т (для высокоэнергетического метастабильного состояния), например, ⁴⁶«Sc в отличие от 4^6,Sc.

Атомные ядра с чётным числом протонов и чётным числом нейтронов называют чётно-чётными ядрами, ядра с нечётным числом протонов и нечётным числом нейтронов — нечётно-нечётными ядрами. Чётно-нечётными ядрами называются ядра с нечётным (чётным) числом протонов и чётным (нечётным) числом нейтронов.

Свойства ядер различных нуклидов систематизируют с помощью протонно-нейтронной диаграммы — графика, связывающего число протонов в нуклиде с числом нейтронов (рис. i). В настоящее время известны нуклиды со всеми значениями Z от о (нейтрон) до 117. Для существующих в природе ядер Z меняется от 1 (водород) до 92 (уран). Остальные нуклиды получают искусственно. Не существует стабильных нуклидов с Z-о, 43, 61 и Z>84. Известны нуклиды с числом нуклонов А от 1 до 263 включительно. Не существует стабильных нуклидов при А-5, 8 и при А>210.

Ядра с чётным числом протонов и чётным числом нейтронов устойчивы, в то время как комбинация из нечётного числа протонов и нечётного числа нейтронов, наоборот, крайне неустойчива. Здесь действует правило Маттауха: нет двух стабильных изобаров, порядковые номера которых различались бы на единицу. Исключение из этого правила имеет место при числе нуклонов Д=50,113 и 180. Правило Маттауха важно для обнаружения существующих в природе радионуклидов. Так, например, в триадах природных изобаров: %Аг, °K, |оСа; ^гЦВа, ЩЬа, ^jPr; Yb^₁Lu,^Y1₁Uf средний член является радиоактивным нуклидом.

Область нейтронной диаграммы (рис. 1), где располагаются р-стабильные нуклиды, называется дорожкой стабильности. Лёгкие стабильные нуклиды (до Z<20) содержат в составе ядра примерно равное число протонов и нейтронов. При увеличении А относительная доля нейтронов возрастает. Например, у лёгкого нуклида соотношение N/Z=i; у среднего нуклида le^^e N/Z= 1,15; у тяжёлого нуклида ²||(/ N/Z= 1,59- Опережающий рост числа нейтронов при больших А вызван действием дальнодействующих кулоновских сил отталкивания протонов в ядре. Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных и р-активных нуклидов. Некоторые элементы имеют всего по одному стабильному нуклиду (⁹Ве, ¹⁹F, ²3Na), остальные по 2-^3 стабильных нуклида. Олово (Sn) имеет десять стабильных нуклидов. Выше дорожки стабильности располагаются р⁺-активные нуклиды, ниже — реактивные нуклиды. Свойства ядер существенно зависят от чётности чисел Z и N. Наибольшее число стабильных нуклидов (155 из 265) имеют чётно-чётные ядра (Z — чётно, N — чётно), поровну стабильных нуклидов (по 53) с чётно-нечётным и нечётно-чётным количеством нуклонов в составе ядер. Имеется всего четыре стабильных нуклида (²Н, ⁶Li, ^ЮВ и ‘"N) с нечётно-нечётном составом ядер.