Курс лекций по разделу физика атома и ядра

Протонно-нейтронная структура ядра.

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размер атома определяется электронной оболочкой и равен ≈ 10^-8см. Ядро – центральная массивная часть атома, расположено в центре атома и имеет размеры ≈ 10^-13¸ 10^-12см (1 – 10 Фм (ферми)). Следовательно, размер ядра меньше атома в 10⁴ – 10⁵ раз.

Ядро состоитиз особых частиц - протонов и нейтронов. Протон имеет один элементарный  положительный электрический заряд, а электрический заряд нейтрона равен нулю. Между этими частицами в любых парных комбинациях действуют особые (ядерные) силы, не зависящие от их электрического заряда, которые обеспечивают связь отдельных частиц с ядром. Поэтому в ядерной физике используют обобщающий термин нуклон, обозначающий любую из частиц, входящую в состав ядра, - как протон, так и нейтрон.

Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Массовое число – всегда целое число.

Число протонов в ядре обозначается буквой Z. Кроме этого Z – число электронов в атоме с ядром, имеющим Z протонов, поскольку атом является электрически нейтральным. Так как химические свойства элементов определяются числом электронов в атоме, то Z есть также порядковый номер или атомный номер элемента в таблице Менделеева.

Число нейтронов в ядре обозначают буквой N. Следовательно, число нейтронов в ядре N = A – Z.

Любая из трех пар чисел (Z,N), (N,A) или (A,Z) однозначно определяет состав ядра. Обычно, по причинам, которые будут указаны ниже, используют пару чисел (А,Z).

Атомы, ядра которых имеют конкретные значения А и Z, называются нуклидами. Для обозначения нуклида используют две формы записи: (А,Z) или , где Х - символ химического элемента, атомы которого имеют соответствующее ядро. Например, (12,6) или - соответствующий нуклид углерода. Поскольку символ химического элемента однозначно связан с Z, то часто атомный номер в форме записи с указанием символа химического элемента опускают и пишут просто . Такие же обозначения используются и для ядер.

Атомы, ядра которых имеют в своем составе одинаковое число протонов Z, но различающиеся числом нуклонов А, называются изотопами химического элемента. Вещества, имеющие в своем составе атомы изотопов, имеют одинаковые химические свойства, но различную плотность, температуру плавления, кипения и пр., т.е. различаются физическими свойствами. Например: изотопы водорода. ¹Н - Протий (легкий водород); ²Н - дейтерий (тяжелый водород, употребляют также символ , для ядра - d); ³Н - тритий (сверхтяжелый водород, употребляют также символ , для ядра d). ²³³U, ²³⁵U, ²³⁸U - изотопы урана. Однако об изотопе имеет смысл говорить, подразумевая его принадлежность к химическому элементу. Поэтому ²³⁵U- делящийся нуклид урана, а не делящийся изотоп урана. Таким же образом ³Н - радиоактивный нуклид водорода, а не радиоактивный изотоп, так как и в этом случае подразумеваются физические характеристики ядра, а не соответствующие химические свойства атома.

Свойства градиента и производной по направлению Криволинейный интеграл Первоначально функции управления системой коммутации возлагались на операторов.

Нуклиды, ядра которых имеют одинаковое число нуклонов (одинаковое массовое число А), но различное число протонов Z, называют изобарами. Например: ³Н и ³Не - изобары трития и гелия, ¹⁰Ве, ¹⁰В, ¹⁰С - изобары бериллия, бора и углерода.

Нуклиды с одинаковым числом нейтронов в составе ядра называют изотонами. Например, ²Н и ³Не - изотоны водорода и гелия.

Свойства ядер различных нуклидов можно систематизировать с помощью протонно-нейтронной диаграммы – таблицы, строки которой соответствуют нуклидам с одинаковым числом протонов, а столбцы – нуклидам с одинаковым числом нейтронов. На рис.1.1.1 показан принцип построения протонно-нейтронной диаграммы на примере нуклидов с легкими ядрами. Протонно-нейтронная диаграмма для всех известных нуклидов приведена на рис.1.1.2.

Отметим следующие эмпирические факты и закономерности, которые следуют из протонно-нейтронной диаграммы атомных ядер.

1. Известно 265 стабильных нуклидов, нестабильных нуклидов значительно больше, около 1700.

2. Известны нуклиды со всеми значениями Z от 0 (нейтрон) до 108. Для существующих в природе ядер Z меняется от 1 (водород) до 92 (уран). Остальные нуклиды получают искусственно. Не существует стабильных нуклидов с Z = 0, 43, 61 и Z ³ 84.

3. Известны нуклиды с числом нуклонов А от 1 до 263 включительно. Не существует стабильных нуклидов при А =5, 8 и при А ³ 210.

4. Область нейтронной диаграмы, где располагаются β‑стабильные нуклиды (заштрихованная полоса 1 на рис.1.1.2), называется дорожкой стабильности. Легкие стабильные нуклиды (до Z ≤ 20) содержат в составе ядра примерно равное число протонов и нейтронов. При увеличении А относительная доля нейтронов возрастает. Например, у легкого нуклида  N/Z = 1; у среднего нуклидаN/Z= 1,15; у тяжелого нуклида N/Z = 1,59. Опережающий рост числа нейтрона при больших А вызван действием дальнодействующих кулоновских сил отталкивания протонов в ядре.

5. Большинство химических элементов имеетпо несколько стабильных иb-активных нуклидов. Некоторые элементы имеют (см. рис.1.1.1) всего по одному стабильному нуклиду (⁹Be, ¹⁹F, ²³Na), остальные - по 2 - 3 стабильных нуклидов. Олово (Sn) имеет десять стабильных нуклидов.

6. Выше дорожки стабильности располагаются β⁺‑активные нуклиды, ниже – ‑активные нуклиды.

7. Свойства ядер существенно зависят от четности чисел Z и N. Наибольшее число стабильных нуклидов (155 из 265) имеют четно-четные ядра (Z – четно, N – четно), поровну стабильных нуклидов (по 53) с четно-нечетным и нечетно-четным количеством нуклонов в составе ядер. И имеется всего четыре стабильных нуклида (²Н, ⁶Li, ¹⁰В и ¹⁴N), имеющих нечетно-нечетный состав ядер.

[an error occurred while processing this directive]