Структура ядра

Ядерная физика

Лекция № 14

Физика ядра и частиц

Строение ядра. Энергия связи. Радиоактивность. a, b, g - распад. Законы сохранения барионного и лептонного зарядов. Ядерные реакции. Ускорители. Их использование в медицине. Превращения элементов. Деление ядер. Ядерный синтез. Атомная и водородная бомба. Физический принцип действия ПЭТ-томографа, γ-ножа, кибер-ножа.

В начале ХХ века после открытия структуры атома для физиков представляла интерес проблема: обладает ли атомное ядро структурой, и какой эта структура могла бы быть? Экспериментальные исследования показали, что ядро обладает свойством испускать α, β и γ-лучи[1]. К тому же под действием этих лучей на ядра из них вылетали и другие частицы, то есть происходили ядерные реакции. Позднее был открыт нейтрон, который, как и протон, находится внутри ядра в виде частицы. Между ними существует сильное взаимодействие, которое примерно на два порядка интенсивнее электромагнитного. В отличие от электромагнитного взаимодействия сильные взаимодействия не являются центральными, а имеют сложный характер. Их взаимодействие можно интерпретировать как притяжение двух частиц не по прямой линии, соединяющей центры этих частиц. К тому же они зависят и от квантовых характеристик ядер.

Оказалось, что ядро достаточно сложно, и в его структуре остается много неясного и по настоящее время. Тем не менее, в начале 30-х годов была предложена модель атомного ядра, которая по-прежнему остается общепризнанной. Согласно этой модели, атомное ядро состоит из двух элементарных частиц – протонов и нейтронов [2].

Протон представляет собой ядро простейшего атома – водорода. Он имеет положительный заряд е⁺=+1.6×10^-19 Кл и массу

m_p=(1.672623±0.000008) ×10^{-27 кг = 1.007276470 а.е.м.}

= 938.2723 МэВ/с².

Нейтрон, существование которого было установлено Джеймсом Чедвиком в 1932 году, электрически нейтрален, что и объясняет его название. Его масса оказалась несколько больше массы протона:

m_p=(1.674929±0.000009) ×10^{-27 кг = 1.008664904 а.е.м.}

= 939.5656 МэВ/с².

В свободном состоянии (то есть вне ядра) нейтрон живет примерно десять минут, а затем распадается. Внутри ядра нейтрон стабилен.

Атомная единица массы ядра (1а.е.м.) составляет 931.5 МэВ. Для ее определения предполагается, что ядро углерода весит 12 а.е.м.

Протоны и нейтроны объединяют общим наименованием нуклонов. Различные типы ядер называют нуклидами.

Каждое ядро атома характеризуется двумя числами: зарядом Z и массовым числом А. Заряд ядра Z равен числу протонов в ядре и совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе. Массовое число А, равное числу нуклонов в ядре, то есть сумме числа протонов и нейтронов.

N=A-Z – число нейтронов, находящихся в ядре. Обычно атомное ядро обозначают символом , где Х – символ химического элемента, А – массовое число, Z – атомный номер.

Пример 14.1. означает ядро атома азота, содержащее 7 протонов и 8 нейтронов, то есть всего 15 нуклонов.

Пример 14.2. В ядрах углерода число протонов всегда равно 6, а число нейтронов может быть равно 5, 6, 7, 8, 9 или 10 (для ядер углерода , , , и ).

Ядра, содержащие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами[3]. В ядрах одного химического элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. В природе разные изотопы распространяются неравномерно. Так распространенность в природе ядер составляет 98.9%, а ядер - 1.1%.

Ядра имеют примерно сферическую форму. Их размер, как уже отмечалось, впервые определил Резерфорд. Более точные измерения размеров ядер были осуществлены позднее в экспериментах по рассеянию быстрых электронов. Их радиус удобно определять по приближенной формуле:

(14.1.1)

Дата добавления: 2014-01-06