23 (Лекции кафедральные (PDF))

Семестр 4. Лекция 23.Лекция 23. Структура атомного ядра.Характеристики ядра: заряд, масса, энергия связи, спин и магнитный момент. Свойства и обменный характер ядерных сил. Деление тяжелых ядер и цепные реакции. Термоядерный синтез.Атомное ядро.В 1911 году Резерфорд на основании результатов своих опытов по рассеянию заряженных α-частиц установил, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра, окружённого отрицательно заряженными электронами.

Размер ядра много меньше размера атома.Именно с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.Атомное ядро - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса(∼99,9%). Средние размеры ядер различных атомов имеют порядок фемтометра (1 фм = 10-15 м),что в более чем в 100 тысяч раз меньше средних размеров самого атома ( ∼10-10 м = 1 Å (ангстрем)).По современной модели, предложенной в 1932 году Д.Д.Иваненко и В.Гейзенбергом,атомное ядро состоит двух видов элементарных частиц - положительно заряженных протонов инейтральных нейтронов, которые принято называть нуклонами. Нуклоны в ядре связаны междусобой при помощи сильного взаимодействия.Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z - это число равно порядковому номеру соответствующего химического элемента в таблице Менделеева.

Количествоэлектронов в неионизированном атоме равно зарядовому числу, в этом смысле количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и химические свойства соответствующего элемента.Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковымчислом 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 количествонуклонов в ядре называется его массовым числом А (A=N+Z), приблизительно равным среднеймассе атома, указанной в таблице Менделеева. Ядро химического элемента Х условно обозначается ZA X или Z X A .Некоторые ядра имеют собственные названия. Например, ядро атома гелия 2He4 называется α- частицей, ядро дейтерия 1H2 (или D) - дейтроном, а ядро трития 1H3 (или T) - тритоном.Последние два ядра являются изотопами водорода и поэтому могут входить в состав молекулводы, давая в итоге так называемую тяжёлую воду.1Атомное ядро можно приближённо считать шаром радиуса R ≈ 1, 23 ⋅ A3 фм (для A>20).Масса ядер в тысячи раз больше массы входящих в атом электронов и зависит от количествавходящих в него частиц и энергии их связи.

Плотность ядерного вещества ∼1017 кг/м3 и примерно одинаково для всех атомов.В настоящее время обнаружено примерно 3500 атомных ядер, представляющих собойразличные сочетания протонов и нейтронов. Примерно 20% из них стабильны, остальные нестабильные и подвержены радиоактивному распаду.В природе на данный момент не встречаются естественные ядра с Z>92, т.к.

они из-засвоей радиоактивности полностью распались к настоящему времени. Некоторые ядра, в частности, трансурановых элементов, были получены искусственным путём.Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов инейтронов, принято называть нуклидом. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разнымпротонно-нейтронным составом принято называть изобарами.Протон (др. греч. πρῶτος - первый, основной) - элементарная частица – ядро атома водорода. Относится к барионам, имеет спин 1/2 (фермион), электрический заряд +е.

Стабилен 1Семестр 4. Лекция 23.нижнее ограничение на время жизни ∼ 2,9⋅1029 лет независимо от канала распада, ∼1,6⋅1033 летдля распада в позитрон и нейтральный пион.Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет mp≈938,272 МэВ; mp≈1,007а.е.м. (атомной единицы массы); mp≈ 1,672⋅10−27 кг; mp≈1836,153 массы электрона.Протон является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа - протия).

В физикепротон обозначается буквой p (или p+). Химическое обозначение протона (рассматриваемого вкачестве положительного иона водорода) - H+, астрофизическое — HII.Измерения среднего радиуса протона с помощью атомов обычного водорода, проводимые разными методами с 1960-х годов, привели к результату R≈0,87 фм.Нейтрон - элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является1фермионом ( s = ) и принадлежит к классу барионов.2Открытие нейтрона принадлежит Дж. Чедвику (1932), за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.Масса протона mn≈ 939,565 МэВ, mn≈1,675⋅10−27 кг, mn≈1,009 а. е.

м., что примерно на0,14 % больше, чем масса протона.Нейтрон распадается в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Время жизни в свободном состоянии885,7 ± 0,8 секунды, период полураспада — 614 секунд.Разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ - невелика по меркам ядернойфизики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме,чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным.

Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтронно- дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральнойчастицей. Магнитный момент нейтрона µ≈1,913 ядерного магнетона.Спин ядра.Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным , то и ядра имеют механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в ор2битальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения .Все механические моменты нуклонов, как спиновые, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычноневелики и составляют не более нескольких , что объясняется особенностью взаимодействиянуклонов.

Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимнокомпенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие изчётного 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, 3и т.д.Магнитный моментИзмерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных сeними магнитных моментов.

Они измеряются в ядерных магнетонах µ p =≈ 5.051⋅10−272m p2Семестр 4. Лекция 23.Дж/Тл и для 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.Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядерс непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона.Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к расщеплению спектральных линий излучения атома ∆λ∼10-12 м, что называется сверхтонкой структурой излучения атома.Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённомсостоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами.

Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами.Энергия связи.Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса ядра меньшесуммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением:∆m = Z ⋅ m p + ( A − Z ) ⋅ mn − mЯгде mp и mn - массы свободного протона и нейтрона, mЯ - масса ядра.Согласно принципу эквивалентности массы и энергии дефект массы представляет собоймассу, эквивалентную работе, затраченной ядерными силами, чтобы собрать все нуклоны вместе при образовании ядра.

Эта величина равна изменению потенциальной энергии нуклонов врезультате их объединения в ядро. Энергия, эквивалентная дефекту массы, называется энергиейсвязи ядра и равна:EСВ = ∆m ⋅ с 2 =  Z ⋅ m p + ( A − Z ) ⋅ mn − mЯ  ⋅ с 2где c - скорость света в вакууме.Другим важным параметром ядра является удельная энергия связи - энергия, приходящаяся на один нуклон ядра, равная отношению энергии связи ядра и числа содержащихся в нёмнуклонов:EEУД = СВ .AЭта величина равна среднему значению энергии, которую нужно затратить, чтобы удалить один нуклон из ядра, или среднему изменении энергии связи ядра при поглощении свободного протона или нейтрона.Как видно из рисунка, при малых значениях массовых чисел удельная энергия связи ядеррезко возрастает и достигает максимума при A≈50÷60 (примерно 8,8 МэВ).

Нуклиды с такими3Семестр 4. Лекция 23.массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом A средняя энергия связи немного уменьшается. Так для ядра урана 92U238 удельная энергия связи примерно равна 7,5МэВ/нуклон.Такой характер поведения средней энергии связи указывает на свойство ядерных силдостигать насыщения, то есть на возможность взаимодействия нуклона только с малым числом«партнёров». Если бы ядерные силы не обладали свойством насыщения, то в пределах радиусадействия ядерных сил каждый нуклон взаимодействовал бы с каждым из остальных нуклонов.Тогда энергия взаимодействия была бы пропорциональна A⋅(A-1), а средняя энергия связи одного нуклона не была бы постоянной у разных ядер, а возрастала бы с ростом A.Энергия связи нуклонов в ядре в миллионы раз больше энергии связи электронов в атомах.

Таким образом, в ядре запасена огромная ядерная энергия, в миллионы раз превышающаяэнергию, выделяющуюся в химических реакциях.Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами большеили меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми A энергетически выгоден процесс слияния термоядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими A процесс деления. Так деление одного ядра с массовым числом А=240 на два одинаковых осколкапривело бы к выделению энергии 240 МэВ, а слияние двух ядер дейтерия в одно ядро гелия высвободило бы энергию в 24 МэВ. Для примера – сгорание углерода –химическая реакцияС+О2=СО2 сопровождается выделением энергии 5 эВ.Ядерные силы.Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерныхсил, поскольку гравитационные силы между нуклонами слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Ядерное взаимодействие является самым интенсивным, значительно превосходящим интенсивность электромагнитных сил.Ядерные силы являются короткодействующими.