Атомное ядро. Размеры ядра

Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.

Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

Размеры планет и даже самого Солнца малы по сравнению с размерами солнечной системы. Так, напри­мер, расстояние от Земли до Солнца больше диаметра Солнца, примерно, в 100 раз, а расстояние от Солнца до самой удалённой планеты Плутона больше диамет­ра Солнца в 4 000 раз. Объём Солнца составляет лишь

■iwuoiuoььoJ - Объёма шара с радиусом, равным рас­стоянию от Солнца до Плутона. Такое же положе­ние имеет место и в атоме, несмотря на то, что почти вся тяжесть атома сосредоточена в его ядре, 10 размеры ядра очень малы по сравнению с размерами атома.

Диаметры ядер атомов разных элементов несколько отличаются друг от друга, но в общем диаметр ядра, примерно, в 100 000 раз меньше диаметра атома. Таким

Образом, ядро занимает в атоме лишь "Т"оооооо ооо ооо ооо"

Часть его объёма (напоминаем, что объём пропорцио-

Нален кубу диаметра). Ядро в атоме занимает в 2 000 раз меньше места, чем Солнце в солнечной системе.

Если увеличить ядро до размеров булавочной голов­ки, то атом с трудом поместился бы в огромном сто­метровом зале. Если же мы увеличили бы ядро до размеров винтика карманных часов, то атом был бы больше огромного океанского парохода (рис. 3).

Предположим теперь, что удалось бы сжать веще­ство до такой степени, что ядра атомов касались бы друг друга. Тогда огромный линкор водоизмещением в 45 000 тонн поместился бы в булавочной головке!

Наша задача состоит в том, чтобы рассказать об атомном ядре и его энергии. Об атоме и его строении мы подробно говорить здесь не собираемся, и если выше нам пришлось кратко остановиться на этом

Вопросе, то лишь потому, что ядро является частью атома. Не зная строения атома, изучать свойства ядра невозможно. Поэтому физики вначале энергично заня­лись атомом. Изучение ядра оказалось в центре вни­мания лишь лет 15 тому назад, когда строение атома стало хорошо известно, В настоящее время исследова­ние свойств и строения атомного ядра как раз и яв­ляется основным вопросом, которым занимаются мно­гие физики.

Мы знаем, что ядро является центром атома, знаем уже его заряд, вес и размеры.

Но как ядро устроено? Состоит ли ядро из других более простых частичек или само является простейшей частицей? Нельзя ли разрушить ядро и как это сде­лать? Все эти вопросы сейчас же встают перед нами и на них нужно ответить.

Применение ядерной энергии является совсем новой областью науки и техники. Поэтому многое здесь ещё неизвестно. Фантазировать же на эту тему мы не будем. Использование ядерной энергии, о котором мы гово­рили, …

Кроме урана, под влиянием нейтронов делятся также ядра элементов протактиния (заряд 91) и тория (заряд 90). Использование протактиния не имеет абсо­лютно никакого значения, так как этот элемент очень редок: во …

235 Деление ядер урана 92 в природном уране, смешан* ном с графитом, приводит, как это ясно из сказанного выше, к образованию плутония. Замечательно, что плу­тоний обладает такими же свойствами, как …

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточенна практически вся масса и его положительный заряд. Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель была предложена сов. физиком Иваненко, а в последствии развита Гейзенбергом). Ядро атома характеризуется зарядом. Зарядом ядра является величина , где е – заряд протона, Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе, равный числу протонов в ядре. Число нуклонов в ядре А=N+Z называется массовым числом, где N-число нейтронов в ядре.

Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра которые при одинаковом А имеют различные Z,называются изобарами. Ядро хим. элемента Х обозначается

Где Х - символ хим. элемента. Размер ядра характеризуется радиусом ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра , где м, может быть истолкована как пропорциональность объёма ядра числу нуклонов в нем. Плотность для ядерного вещества составляет по порядку величины и постоянна для всех ядер. Масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов и этот дефект массы определяется по следующей формуле . Точно массу ядра можно определить с помощью масс-спектрометров. Нуклоны в атоме являются фермионами и имеют спин . Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра, равный ,где I – внутреннее (полное) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения и т.д. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон : , где е – абсолютное значение заряда электрона, - масса протона. Между спином ядра , выраженным в , и его магнитным моментом имеется соотношение , где - ядерное гиромагнитное отношение. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несиметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически-симметричного является квадрупольный электрический момент Q ядра. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так для ядра, имеющего форму эллипсоида вращения, , где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина; а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b>a и Q>0. Для ядра сплющенного в этом направлении, b

Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами. Ядерные относятся к классу так называемых сильных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: