15 (Лекции Лунева PDF)

Семестр 4. Лекция 15.Лекция 15.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 -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 свойстваатомных 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 из двух видов элементарных частиц - положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые принято называть нуклонами.

Нуклоны в ядре связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z - это число равнопорядковому номеру соответствующего химического элемента в таблице Менделеева. Количество электронов в неионизированном атоме равно зарядовому числу, в этом смысле количествопротонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома ихимические 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 одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называются изотонами.

Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, атакже для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полноеколичество нуклонов в ядре называется его массовым числом А (A=N+Z), приблизительноравным средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Ядро химического элемента Хусловно 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 молекул воды, давая в итоге так называемую тяжёлую воду.1Атомное ядро можно приближённо считать шаром радиуса R  1, 23  A 3 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 одинакова 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.1Семестр 4. Лекция 15.Протон (др. греч. πρῶτος - первый, основной) - элементарная частица – ядро атома водорода. Относится к барионам, имеет спин 1/2 (фермион), электрический заряд +е. Стабилен 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.

(1 а.е.м. =1,660610−27 кг) ; 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 нейтрона: 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.Разность масс протона и нейтрона около 1,3 МэВ - невелика по меркам ядерной физики.В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным.

Это приводит ктому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтронно- дефицитных ядрахпроисходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральнойчастицей. Магнитный момент нейтрона  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 количествадвижения 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-либополуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2.

Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т.д.2Семестр 4. Лекция 15.Магнитный моментИзмерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных сe 5.0511027ними магнитных моментов. Они измеряются в ядерных магнетонах:  p 2m pДж/Тл и для различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительнобольшой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитнымимоментами 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: 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 разность называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением:m  Z  mp   A  Z   mn  mЯ ,где mp и mn - массы свободного протона и нейтрона, m - 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 энергией связи ядра и равна:EСВ  m  c 2   Z  mp  ( A  Z )  mn  m   c 2 ,где c - скорость света в вакууме. Если при расчёте энергии связи ядра массы частиц выражатьв атомных единицах массы и учесть, что 1 а.е.м. соответствует энергия покоя, равная 931,5 Мэв,то последнее соотношение преобразуется к виду:EСВ  931,5   Z  mp  ( A  Z )  mn  m  Мэв .С большой степенью точности эту зависимость можно записать в виде:EСВ  931,5   Z  mH  ( A  Z )  mn  ma  Мэв .Такая формула удобна для расчётов энергии связи ядер, так как в таблицах обычно дают немассы ядер m , а массы атомов mа .