6.1. Характеристики атомного ядра. Размер, состав и заряд атомного ядра

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 ^-14… 10 ^{-15 м (линейные размеры атома – 10-10 м).}

Атомное ядро состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов.

Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя т_p= 1,6726∙10^{-27 кг} 1836 m_e, где m_e - масса электрона. Нейтрон (n) - нейтральная частица с массой покоя m_n= 1,6749∙10^-27 кг 1839 т_e,. Массу протонов и нейтронов часто выражают в других единицах – в атомных единицах массы (а.е.м., единица массы, равная 1/12 массы атома углерода ). Массы протона и нейтрона равны приблизительно одной атомной единице массы. Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называ­ется массовым числом А).

Радиусы ядер возрастают с увеличением массового числа в соответствии с соотношением R = 1,4 А^1/310^{-13 см.}

Эксперименты показывают, что ядра не имеют резких границ. В центре ядра существует определенная плотность ядерного вещества, и она постепенно уменьшается до нуля с увеличением расстояния от центра. Из-за отсутствия четко определенной границы ядра его «радиус» определяется как расстояние от центра, на котором плотность ядерного вещества уменьшается в два раза. Среднее распределение плотности материи для большинства ядер оказывается не просто сферическим. Большинство ядер деформировано.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: , где X - символ химического элемента, Z - атомный номер (число протонов в ядре), А - массовое число (число нуклонов в ядре). Массовое число А приблизительно равно массе ядра в атомных единицах массы.

Так как атом нейтрален, то заряд ядра Z определяет и число электронов в атоме. От числа электронов зависит их распределение по состояниям в атоме. Заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электро­нов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но с разными массовыми числами А (т. е. с разными числами нейтронов N = A – Z), называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z – изобарами. Например, водород (Z = l) имеет три изотопа: Н – протий (Z = l, N = 0), Н – дейтерий (Z = l, N = 1), Н – тритий (Z = l, N = 2), олово – десять изотопов и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами.

Е, МэВ

Квантовая теория строго ограничивает значения энергий, которыми могут обладать составные части ядер.

Когда электрон переходит из более высокого в более низкое энергетическое состояние, разность энергий излучается в виде фотона. Энергия этих фотонов имеет порядок нескольких электрон-вольт. Для ядер энергии уровней лежат в интервале примерно от 1 до 10 МэВ. При переходах между этими уровнями испускаются фотоны очень больших энергий (γ–кванты). Для иллюстрации таких переходов на рис. 6.1 приведены пять первых уровней энергии ядра . Вертикальными линиями указаны наблюдаемые переходы. Например, γ-квант с энергией 1,43 МэВ испускается при переходе ядра из состояния с энергией 3,58 МэВ в состояние с энергией 2,15 МэВ.