Состав и характеристика атомного ядра

Модель атомного ядра была разработана в начале 30–х годов. Согласно этой модели, ядро состоит из частиц двух типов протонов и нейтронов. Протон – это ядро атома гелия с зарядом l=1,6×10^-19 Кл и массой т=1,672×10^{-27 кг. Нейтрон имеет нулевой заряд и т=1,675}×10^{-27 кг. Их объединяют под общим названием нуклон, который может находиться как бы в двух состояниях. Число протонов в ядре дает атомный номер и обозначается буквой} Z. Общее число нуклонов называют массовым числом. Число нейтронов равно N=A-Z. В ядрах одного химического элемента число нейтронов может быть различно, а число протонов всегда одно и тоже. Подобные элементы называются изотопами. Например,

.

Распространенность этих изотопов разная, например, 98,9% в природе находится на изотоп и только 1,1% на . Многие изотопы не встречаются в природе, но их можно получить искусственно. Характерный размер ядра определяется выражением

Энергия связи

Общая масса ядра всегда меньше суммы масс, составляющих его протонов и нейтронов. Например, . Масса нейтрального атома равна 4,002603 а.е.м. Сумма масс двух нейтронов и двух протонов (даже если забыть про электроны)

2m_n=2,017330

2m_p=2,017330

Что в сумме дает 4,032980 а.е.м. (Массы ядер измеряют в атомных единицах массы (а.е.м. или 1 а.е.м = 931,5016 Мэв/с). Куда исчезла часть массы? Разность масс называют энергией связи ядра. Она показывает, какую энергию необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны. Если бы масса гелия была бы в точности равна массе двух нейтронов и протонов, то ядро распадалось бы самопроизвольно, без сообщения ему дополнительной энергии.

Возникает вопрос, почему ядро не разлетается на части несмотря на силы отталкивания между протонами? Так как стабильные ядра существуют, ясно, что должна действовать какая–то другая по природе сила, превосходящая кулоновскую силу отталкивания, и она получила название сильного (ядерного) взаимодействия. Точное математическое описание сильного взаимодействия пока неизвестно. Действует эта сила на расстоянии порядка 10^{-15 м, а затем убывает до нуля, то есть это очень короткодействующие силы.}

При A > 40 число нейтронов в ядрах превышает число протонов. При очень больших избыток нейтронов не в состоянии скомпенсировать кулоновское отталкивание и при Z > 82 стабильных ядер не существует.

Необходимо упомянуть о существовании еще одного типа ядерного взаимодействия – слабое взаимодействие. Оно проявляется в существовании определеннных типов радиоактивного распада.

Радиоактивность

Радиоактивность возникает в результате распада нестабильного ядра. Многие нестабильные изотопы встречаются в природе. Их радиоактивность называется естественной.

Резерфорд и ряд других физиков обнаружили, что по проникающей способности излучение можно разделить на три различные вида. Излучение одного вида едва проходит через лист бумаги. Излучение другого вида проходило через пластинки алюминия толщиной до 3 мм. Излучение третьего вида проходило через слой свинца в несколько сантиметров. Их назвали соответственно альфа (a) ,бета (b) и гамма (g) излучением. Все три вида имеют различный электрический заряд и по разному отклоняются в магнитном поле. Альфа-частицы представляют собой ядра гелия. Бета-частицы – это обычные электроны, а гамма-частицы – это фотоны большой энергии, большей чем у рентгеновских фотонов.

Гамма-излучение является наиболее проникающим видом ионизирующих излучений. Прохождение γ-излучения сквозь вещество сопровождается его поглощением. Поглощение происходит по закону Бугера и зависимость интенсивности γ-излучения I от толщины поглощающего слоя вещества x выражается соотношением

I=I₀e^-μx, (110)

где I₀ – начальная интенсивность падающего излучения, μ- коэффициент линейного поглощения, зависящий от энергии γ-излучения.

При бета-распаде образуется еще одна частица – нейтрино, предсказанная в 1934 году и обнаруженная 1956 г.

При радиоактивном распаде выполняются все законы сохранения плюс закон сохранения числа нуклонов.

Скорость распада любого изотопа характеризуется его периодом полураспада – промежуток времени, за который распадается половина исходного количества изотопа в данном образце. Например, для , T=5730 лет.