Із чого складається ядро атома. Шкільна енциклопедія
Розміри ядер.
Розміри ядер залежать від числа нуклонів, що містяться в них. Середня щільністьчисла р нуклонів в ядрі (їх число в одиниці об'єму) для всіх багатонуклонних ядер (A> 0) практично однакова. Це означає, що обсяг ядра пропорційний числу нуклонів А, яке лінійний розмір ~А1/3. Ефективний радіус ядра R визначається співвідношенням:
R = а A1/3, (2)
де константа а близька до Гц, але відрізняється від нього і залежить від того, в яких фізичних явищвимірюється R. У разі так званого зарядового радіусу ядра, що вимірюється за розсіюванням електронів на ядрах або за положенням енергетичних рівнів m-мезоатомів: а = 1,12 ф. Ефективний радіус, визначений із процесів взаємодії адронів (нуклонів, мезонів, a-часток та ін) з ядрами, дещо більше зарядового: від 1,2 ф до 1,4 ф.
Ефективний радіус ядра R дорівнює R0 + b. Розмір b характеризує розмитість кордону ядра, майже однакова всім ядер (» 0,5 ф). Параметр r0 - подвоєна щільність на «кордоні» ядра, визначається з умови нормування (рівності об'ємного інтеграла від числа нуклонів А). З (2) слід, що розміри ядер варіюються по порядку величини від 10-13 см до 10-12 см для важких ядер (розмір атома ~ 10-8 см). Однак формула (2) описує зростання лінійних розмірів ядер зі збільшенням числа нуклонів лише огрублено, при значному збільшенні А. Зміна розміру ядра у разі приєднання до нього одного або двох нуклонів залежить від деталей структури ядра і може бути іррегулярним. Зокрема (як показали виміри ізотопічного зсуву атомних рівнів енергії), іноді радіус ядра при додаванні двох нейтронів навіть зменшується.
Енергія зв'язку та маса ядра.
Енергією зв'язку ядра xсв називається енергія, яку потрібно витратити на розщеплення ядра на окремі нуклони. Вона дорівнює різниці суми мас нуклонів, що входять до нього, і маси ядра, помноженої на c2:
xсв = (Zmp + Nmn – М) c2. (4)
Тут mp, mn і M - маси протона, нейтрону та ядра. Чудовою особливістю ядер є той факт, що xсв приблизно пропорційна числу нуклонів, так що питома енергія зв'язку xсв/А слабко змінюється за зміни А (більшість ядер xсв/А » 6-8 Мев). Це властивість, зване насиченням ядерних сил, означає, що кожен нуклон ефективно зв'язується не з усіма нуклонами ядра (у цьому випадку енергія зв'язку була пропорційна A2 при A»1), а лише з деякими з них. Теоретично це можливо, якщо сили при зміненій відстані змінюють знак (тяжіння на одних відстанях змінюється відштовхуванням на інші). Пояснити ефект насичення ядерних сил, виходячи з наявних даних про потенціал взаємодії двох нуклонів, поки не вдалося (відомо близько 50 варіантів ядерного міжнуклонного потенціалу, що задовільно описують властивості дейтрона і розсіювання нуклону на нуклоні; жоден з них не може описати ефект насичення ядерних сил багатонуклонних ядрах).
Незалежність щільності р і питомої енергіїзв'язку ядер від числа нуклонів А створює передумови запровадження поняття ядерної матерії (безмежного ядра). Фізичними об'єктами, що відповідають цьому поняттю, можуть бути не тільки макроскопічні космічні тіла, що мають ядерну щільність (наприклад, нейтронні зірки), але, у певному аспекті, і звичайні ядра з досить великими А.
Тут перше (і найбільше) доданок визначає лінійну залежність xсв від A; другий член, що зменшує xсв, обумовлений тим, що частина нуклонів знаходиться на поверхні ядра. Третій доданок - енергія електростатичного (кулонівського) відштовхування протонів (назад пропорційна радіусу ядра і прямо пропорційна квадрату його заряду). Четвертий член враховує впливом геть енергію зв'язку нерівності числа протонів і нейтронів в ядрі, п'яте доданок d(A, Z) залежить від парності чисел А і Z; воно одно:Ця порівняно невелика поправка виявляється, проте, дуже суттєвою для низки явищ і, зокрема, процесу розподілу важких ядер. Саме вона визначає подільність ядер непарних по А ізотопів урану під дією повільних нейтронів, що і зумовлює виділену роль цих ізотопів у ядерної енергетики. Усі константи, що входять у формулу (5), підбираються так, щоб найкращим чиномзадовольнити емпіричним даним. Оптимальна згода з досвідом досягається при e = 14,03 Мев, a = 13,03 Мев, b = 0,5835 Мев, g = 77,25 Мев. Формули (5) і (6) можуть бути використані для оцінки енергій зв'язку ядер, не надто віддалених від смуги стабільності ядер. Остання визначається положенням максимуму xсв як функції Z при фіксованому А. Ця умова визначає зв'язок між Z та А для стабільних ядер:
Z=A (1,98+0,15A2/3)-1 (7)
Формули типу (5) не враховують квантових ефектів, пов'язаних з деталями структури ядер, які можуть призводити до стрибкоподібних змін xсв поблизу деяких значень А та Z (див. нижче).
Структурні особливості в залежності xсв від A і Z можуть позначитися дуже істотно у питанні про граничне можливе значення Z, тобто про межі періодичної системи елементів. Ця межа обумовлена нестійкістю важких ядер щодо процесу розподілу. Теоретичні оцінки ймовірності спонтанного поділу ядер не виключають можливості існування «острівів стабільності» надважких ядерпоблизу Z = 114 та Z = 126.
Квантові властивості ядер.
Я. а. може знаходитися в різних квантових станах, що відрізняються один від одного значенням енергії та інших зберігаються в часі фізичних величин. Стан із найменшою можливою для даного ядра енергією називається основним, решта - збудженими. До найважливіших квантових характеристик ядерного стану відносяться спин I і парність Р. Спін I - ціле число у ядер з парним А і напівціле при непарному. парність стану Р = ± 1 вказує на зміну знака хвильової функції ядра при дзеркальне відображенняпростору. Ці дві характеристики часто поєднують єдиним символом IP або I±. Має місце таке емпіричне правило: для основних станів ядер з парними А та Z спин дорівнює 0, а хвильова функціяпарна (IP = 0+). Квантовий стан системи має певну парність Р, якщо система дзеркально симетрична (тобто переходить сама в себе при дзеркальне відображення). У ядрах дзеркальна симетріядещо порушена через наявність слабкої взаємодії між нуклонами, що не зберігає парність (його інтенсивність по порядку величини ~ 10-5% від основних сил, що зв'язують нуклони в ядрах). Однак обумовлене слабкою взаємодією змішування станів з різною парністю мало і мало позначається структурі ядер.
Ядром називається Центральна частинаатома, в якій зосереджена практично вся маса та його позитивний заряд. Атомне ядро складається з елементарних частинок– протонів та нейтронів (протонно-нейтронна модель була запропонована сов. фізиком Іваненком, а згодом розвинена Гейзенбергом). Ядро атома характеризується зарядом. Зарядом ядра є величина , де - заряд протона, Z - порядковий номер хімічного елементав періодичній системі, рівний числупротонів у ядрі. Число нуклонів у ядрі А = N + Z називається масовим числомде N-число нейтронів в ядрі.
Ядра з однаковими Z але різними А називаються ізотопами. Ядра які за однакового А мають різні Z, називаються ізобарами. Ядро хім. елемента Х позначається
Де Х – символ хім. елемент. Розмір ядра характеризується радіусом ядра. Емпірична формула для радіуса ядра , де м, може бути витлумачена як пропорційність обсягу ядра числу нуклонів у ньому. Щільність для ядерної речовини складає по порядку величини і є постійною для всіх ядер. Маса ядра менше, ніж сума мас нуклонів, що складають, і цей дефект маси визначається за наступною формулою . Як масу ядра можна визначити за допомогою мас-спектрометрів. Нуклони в атомі є ферміонами і мають спін. Ядро атома має власний моментімпульсу – спин ядра, рівний, де I – внутрішнє (повне) спинове квантове число.
Число I набуває цілих чи напівцілі значення і т.д. Ядерні частинки мають власні магнітні моменти, якими визначається магнітний момент ядра загалом. Одиницею магнітних моментів ядер служить ядерний магнетон : , де - абсолютне значення заряду електрона, - маса протона. Між спином ядра , вираженим у , та його магнітним моментомє співвідношення , де - Ядерне гіромагнітне відношення. Розподіл електричного заряду протонів по ядру загальному випадкунесиметрично. Мірою відхилення цього розподілу від сферично-симетричного є квадрупольний електричний момент Q ядра. Якщо щільність заряду вважається скрізь однаковою, Q визначається лише формою ядра. Так для ядра, що має форму еліпсоїда обертання, де b - піввісь еліпсоїда вздовж напрямку спина; а – піввісь у перпендикулярному напрямку. Для ядра, витягнутого вздовж напрямку спина, b>a і Q>0. Для ядра сплющеного в цьому напрямку, b
Між складовими ядро нуклонами діють особливі, специфічні для ядра сили, які значно перевищують кулонівські сили відштовхування між протонами. Вони називаються ядерними силами. Ядерні належать до класу про сильних взаємодій. Основні властивості ядерних сил: 1. отрута. сили є силами тяжіння; 2. отрута. сили є короткодіючими; 3. отрута. силам властива зарядова незалежність: ядерні сили, які діють між двома протонами, чи протоном і нейтроном, однакові за величиною, тобто. ядерні сили мають не ел. природу; 4. отрута. силам властиво насичення, тобто. кожен нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженою кількістю найближчих до нього нуклонів; 5. отрута. сили залежить від взаємної орієнтації спинів взаємодіючих нуклонів; 6. отрута. сили є центральними. Моделі ядра. 1.Крапельна модель ядра є першою моделлю. Вона заснована на аналогії між поведінкою нуклонів у ядрі та поведінкою молекул у краплі рідини. Так, в обох випадках сили, що діють між складовими частинками – молекулами в рідині та нуклонами в ядрі, є короткодіючими та їм властиво насичення. Для краплі рідини за даних зовнішніх умов характерна стала щільність її речовини. Ядра ж характеризуються практично постійною питомою енергією зв'язку та постійною щільністю, незалежно від кількості нуклонів у ядрі. Обсяг краплі та обсяг ядра пропорційні числу частинок. Істотна відмінність ядра від краплі рідини в цій моделі закл. у цьому, що вона трактує ядро як краплю ел. Зарядженої стисливої рідини, що підпорядковується законам квантової механіки. Крапельна модель ядра пояснила механізм ядерних реакцій поділу ядер, але не змогла пояснити підвищену стійкість ядер, що містять магічні числа протонів і нейтронів. 2.Оболонкова модель ядра передбачає розподіл нуклонів в ядрі за дискретними ен. рівням, що заповнюються за принципом Паулі, і пов'язує стійкість ядер із заповненням цих рівнів. Вважається, що ядра з повністю заповненими оболонками є найстійкішими. Оболонкова модель ядра дозволила пояснити спини та магнітні моменти ядер, різну стійкість атомних ядер, а також для опису легких та середніх ядер, а також для ядер, які знаходяться в основному стані. У міру подальшого накопичення експериментальних даних про властивості атомних ядер з'являлися нові факти, що не вкладаються в рамки описаних моделей. Так виникли узагальнена модель ядра, оптична модель ядра тощо. Ядерні реакції. Ядерними реакціями називають перетворення атомних ядер, викликані взаємодією їх один з одним або з елементарними частинками. Як правило, в ядерних реакціях беруть участь два ядра та дві частинки. Одна пара ядро-частка є вихідною, інша пара – кінцевою. Спроби отримати уявлення про точні розміри ядра наштовхуються на значні труднощі. Справа в тому, що частинки, з яких складається ядро, рухаються за законами квантової механіки, в основі якої лежить принцип невизначеності Гейзенберга. Внаслідок цього поверхня ядра «розмита» та уявлення про його розміри стає невизначеним. Існує кілька способів, що дозволяють провести оцінку розмірів ядра. Різні методи призводять до різних результатів, проте порядок величини завжди залишається однаковим. Перші уявлення про розміри атомного ядра були отримані Резерфордом в результаті дослідів з розсіювання частинок, які були описані в попередньому параграфі. Грубо можна оцінити розміри ядра, що відштовхує, як найменшу відстань, на яку -частка наближається до атомного ядра при лобовому ударі. Сила відштовхування між ядром і -частинкою на відстані згідно із законом Кулона дорівнює де заряд -частки, заряд ядра. Потенційна енергія на відстані між частинками дорівнює Кінетична енергія -частки на великій відстані від ядра дорівнює При прямому попаданні на центр, що розсіює -частка може підійти до ядра на відстань, що визначається рівністю Звідки (У формулі Резерфорда (11) цей член стоїть у дужках). Визначаючи при відомих і 0, можна на підставі і (12) обчислити Досвід показав, що величина ядер важких елементів має порядок див. Площі геометричних перерізів ядер, рівні більшості ядер близькі до величини Тому у ядерної фізики для вимірювання площ приймається одиниця - барн. Надалі розміри атомних ядер визначалися за енергією -частинок, що випускаються радіоактивними ядрами (див. гл. 3), по розсіянню нейтронів і електронів на ядрах, за величиною енергії зв'язку ядра та іншими методами. Найбільш надійними можуть вважатися результати, отримані щодо розсіювання ядрами нейтронів і електронів. Коротко ідея методу полягає в наступному: якщо довжина хвилі де Бройля для електронів можна порівняти з розмірами ядер, то при пружному розсіюванні електронів на ядрах виникатиме дифракція. Картину цієї дифракції можна розрахувати, вважаючи, що розсіювання електронів відбувається на зарядженій кулі радіусу припущення про рівномірний розподіл заряду в ядрі. Значення при якому теорія та експеримент найбільш узгоджуються один з одним, приймається за радіус ядра, хоча суворо слід говорити про радіус розподілу електричного заряду в ядрі. Яку енергію повинні мати електрони у такому експерименті? Очевидно необхідно, щоб див. При релятивістських швидкостях кінетична енергія електрона приблизно дорівнює отже, якщо змінювати Перекладний множник для переходу від ергів до Звідси випливає, що необхідна енергія має бути порядку Цим методом було визначено радіуси багатьох ядер у тому числі радіус протона. У припущенні про сферичну форму ядер було знайдено залежність між радіусом ядра та числом нуклонів у ядрі А Така сама залежність між була отримана при використанні інших методів. Значення постійного множника у своїй виходило дещо різним. Наприклад, щодо розсіювання на ядрах не електронів, а нейтронів було отримано значення для Відмінність у значенні отриманого різними методами, очевидно, можна пояснити тим, що розсіювання електронів визначається областю зосередження зарядів ядра, а розсіювання нейтронів визначається величиною радіусу області ядерної взаємодії. Іноді говорять у зв'язку з цим про «електричний» і «ядерний» радіус атомного ядра. Зі співвідношення видно, що маса ядра (яка визначається величиною А) пропорційна його обсягу V: до, отже, у всіх ядрах число нуклонів в одиниці об'єму однаково Одноманітною також має бути і щільність усіх ядер що має порядок 100 млн При такій щільності куля радіусом мала б вагою земної кулі. Величина радіусів ядер свідчить, що ядро складається з протонів і нейтронів, а електронів у складі немає. Це видно з порівняння розмірів ядер та довжини хвиль де Бройля для електронів. Для того, щоб електрон мав дебройлівську довжину хвилі порядку розміру ядра, його енергія повинна вимірюватися сотнями. Електрони такої енергії не можуть бути утримані ядром. Справді, енергію Екул кулонівського тяжіння електрона до ядра можна грубо оцінити так. Нехай ядра дорівнює 60 (середньоважкі ядра), тоді Як буде показано нижче, середня енергія зв'язку, що припадає на один нуклон в ядрі, дорівнює приблизно електрону з енергією, меншою або рівною енергії кулонівського тяжіння, має дебройлівську довжину хвилі принаймні на порядок більше радіусу ядра і не може знаходитися в ньому. Атомне ядро, яке розглядається як клас частинок з певним числом протонів і нейтронів, прийнято називати нуклідом. Кількість протонів в ядрі називається його зарядовим числом Z (\displaystyle Z)- Це число дорівнює порядковому номеру елемента, до якого відноситься атом, в таблиці (Періодичної системи) елементів Менделєєва. Кількість протонів в ядрі визначає структуру електронної оболонки нейтрального атома і, таким чином, хімічні властивості відповідного елемента. Кількість нейтронів у ядрі називається його ізотопічним числом N (\displaystyle N). Ядра з однаковим числом протонів та різним числом нейтронів називаються ізотопами. Ядра з однаковим числом нейтронів, але різним числом протонів - називаються ізотонами. Терміни ізотоп та ізотон використовуються також стосовно атомів, що містять зазначені ядра, а також для характеристики нехімічних різновидів одного хімічного елемента. Повна кількість нуклонів в ядрі називається його масовим числом A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A = N + Z)) і приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеної в таблиці Менделєєва. Нукліди з однаковим масовим числом, але різним протоннейтронним складом прийнято називати ізобарами. Як і будь-яка квантова система, ядра можуть перебувати в метастабільному збудженому стані, причому в окремих випадках час життя такого стану обчислюється роками. Такі збуджені стани ядер називаються ядерними ізомерами. 1
/
5 Будова атомного ядра. Ядерні сили Ядерні сили Енергія зв'язку частинок у ядрі Розподіл ядер урану Ланцюгова реакція Будова атомного ядра Ядерні сили Хімія. Будова атома: Атомне ядро. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд» Ядерні реакції Розсіяння заряджених частинок може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці і оточеного сферичним однорідним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої атома - і -частки, коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча ймовірність такого відхилення мала. Таким чином Резерфорд відкрив атомне ядро, з цього моменту і веде початок ядерна фізика, що вивчає будову та властивості. атомних ядер. Після виявлення стабільних ізотопів елементів, ядру найлегшого атома було відведено роль структурної частки всіх ядер. З 1920 року ядро атома водню має офіційний термін - протон. Після проміжної протон-електронної теорії будови ядра, що мала чимало явних недоліків, в першу чергу вона суперечила експериментальним результатам вимірювань спинів і магнітних моментів ядер, в 1932 році Джеймсом Чедвіком була відкрита нова електрично нейтральна частка, названа нейтроном. Того ж року Іваненко та, незалежно, Гейзенберг висунули гіпотезу про протон-нейтронну структуру ядра. Надалі, з розвитком ядерної фізики та її додатків, цю гіпотезу було повністю підтверджено . У розвитку фізики висувалися різні гіпотези будови атомного ядра; Проте кожна з них здатна описати лише обмежену сукупність ядерних властивостей. Деякі моделі можуть взаємовиключати одна одну. Найбільш відомими є такі: Вперше заряди атомних ядер визначив Генрі-Мозлі в 1913-му році. Свої експериментальні спостереження вчений інтерпретував залежністю довжини хвилі рентгенівського випромінювання від деякої константи Z (\displaystyle Z), що змінюється на одиницю від елемента до елемента і дорівнює одиниці водню: A (\displaystyle a)і b (\displaystyle b)- Постійні. З чого Мозлі зробив висновок, що знайдена в його дослідах константа атома, що визначає довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання і збігається з порядковим номером елемента, може бути лише зарядом атомного ядра, що стало відомо під назвою закон Мозлі . Через різницю в числі нейтронів A − Z (\displaystyle A-Z)ізотопи елемента мають різну масу M (A, Z) (\displaystyle M(A,Z))що є важливою характеристикою ядра. У ядерній фізиці масу ядер прийнято вимірювати в атомних, одиницях маси. а. е. м.), за одну а. е. м. приймають 1/12 частина маси нукліду 12 C . Слід зазначити, що стандартна маса, яка зазвичай наводиться для нукліду – це маса нейтрального атома. Для визначення маси ядра потрібно від маси атома відняти суму мас всіх електронів (точніше значення вийде, якщо врахувати ще й енергію зв'язку електронів з ядром). Крім того, в ядерній фізиці часто використовується енергетичний, еквівалент маси. Відповідно до співвідношення Ейнштейна, кожному значенню маси M (\displaystyle M)відповідає повна енергія: Співвідношення між а. е. м. та її енергетичним еквівалентом у джоулях: Аналіз розпаду важких ядер уточнив оцінку Резерфорда та зв'язав радіус ядра з масовим числом простим співвідношенням: де – константа. Так як радіус ядра не є чисто геометричною характеристикою і пов'язаний насамперед з радіусом дії ядерних сил, то значення r 0 (\displaystyle r_(0))залежить від процесу, під час аналізу якого отримано значення R (\displaystyle R), усереднене значення r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1,23\cdot 10^(-15))м, таким чином радіус ядра в метрах: R = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 (\displaystyle R=1,23\cdot 10^(-15)A^(1/3)). Як і його нуклони, ядро має власні моменти. Оскільки нуклони мають власний механічний момент, або спин, рівний 1/2 (\displaystyle 1/2), то ядра повинні мати механічні моменти. Крім того, нуклони беруть участь в ядрі в орбітальному русі, який також характеризується певним моментом кількості руху кожного нуклону. Орбітальні моменти набувають лише цілих чисел ℏ (\displaystyle \hbar )(Постійна Дірака). Всі механічні моменти нуклонів, як спини, так і орбітальні, підсумовуються алгебраїчно і складають спин ядра. Незважаючи на те, що число нуклонів в ядрі може бути дуже велике, спини ядер зазвичай невеликі і становлять не більше кількох ℏ (\displaystyle \hbar )що пояснюється особливістю взаємодії однойменних нуклонів. Усі парні протони і нейтрони взаємодіють тільки так, що їхні спини взаємно компенсуються, тобто пари завжди взаємодіють із антипаралельними спинами. Сумарний орбітальний момент пари завжди дорівнює нулю. У результаті ядра, що складаються з парного числа протонів і парного числа нейтронів, немає механічного моменту. Відмінні від нуля спини існують тільки в ядер, що мають у своєму складі непарні нуклони, спин такого нуклону підсумовується з його орбітальним моментом і має якесь напівціле значення: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра непарно-непарного складу мають цілі спини: 1, 2, 3 і т. д. . Вимірювання спинів стали можливими завдяки наявності безпосередньо пов'язаних з ними магнітних моментів. Вони вимірюються в магнетонах і різні ядер рівні від -2 до +5 ядерних магнетонів. Через відносно велику масу нуклонів магнітні моменти ядер дуже малі порівняно з магнітними моментами електронів , тому їх вимір набагато складніший. Як і спини, магнітні моменти вимірюються спектроскопічними методами, найбільш точним є метод ядерного магнітного резонансу. Магнітний момент парно-парних пар, як і спин, дорівнює нулю. Магнітні моменти ядер з непарними нуклонами утворюються власними моментами цих нуклонів і моментом, що з орбітальним рухом непарного протона . Атомні ядра, спин яких більше або дорівнює одиниці, мають відмінні від нуля квадрупольні моменти, що говорить про їх не точно сферичну форму. Квадрупольний момент має знак плюс, якщо ядро витягнуте вздовж осі спина (веретеноподібне тіло), і знак мінус, якщо ядро розтягнуте в площині, перпендикулярна до осі спина (чечевицеподібне тіло). Відомі ядра з позитивними та негативними квадрупольними моментами. Відсутність сферичної симетрії у електричного поля, створюваного ядром з ненульовим квадрупольним моментом, призводить до утворення додаткових енергетичних рівнів атомних електронів і появи в спектрах атомів ліній надтонкої структури, відстані між якими залежать від квадруполь. З факту зменшення середньої енергії зв'язку для нуклідів з масовими числами більше або менше 50-60 випливає, що для ядер з малими A (\displaystyle A)енергетично вигідний процес злиття - термоядерний синтез, що призводить до збільшення масового числа, а для ядер з великими A (\displaystyle A)- процес розподілу. В даний час обидва ці процеси, що призводять до виділення енергії, здійснені, причому останній лежить в основі сучасної ядерної енергетики, а перший знаходиться в стадії розробки. Детальні дослідження показали, що стійкість ядер також суттєво залежить від параметра N/Z (\displaystyle N/Z)- Відношення чисел нейтронів і протонів. В середньому для найбільш стабільних ядер N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^(2/3))тому ядра легких нуклідів найбільш стійкі при N ≈ Z (\displaystyle N\approx Z), а зі зростанням масового числа все більш помітним стає електростатичне відштовхування між протонами, і область стійкості зсувається убік N > Z (\displaystyle N>Z)(див. пояснювальний малюнок). Якщо розглянути таблицю стабільних нуклідів, що зустрічаються в природі, можна звернути увагу на їх розподіл за парними та непарними значеннями Z (\displaystyle Z)і N (\displaystyle N). Усі ядра з непарними значеннями цих величин є ядрами легких нуклідів 1 2 H (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))), 3 6 Li (\displaystyle ()_(3)^(6)(\textrm (Li))), 5 10 B (\displaystyle ()_(5)^(10)(\textrm (B))), 7 14 N (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))). Серед ізобар з непарними A, як правило, стабільний лише один. У разі парних A (\displaystyle A)часто зустрічаються по два, три і більш стабільні ізобари, отже, найбільш стабільні парно-парні, найменш - непарно-непарні. Це явища свідчить про те, що як нейтрони, так і протони виявляють тенденцію групуватися парами з антипаралельними спинами, що призводить до порушення плавності вищеописаної залежності енергії зв'язку від A (\displaystyle A) . Таким чином, парність числа протонів або нейтронів створює деякий запас стійкості, який призводить до можливості існування кількох стабільних нуклідів, що відрізняються відповідно за кількістю нейтронів для ізотопів і протонів для ізотонів. Також парність числа нейтронів у складі важких ядер визначає їх здатність ділитися під впливом нейтронів. Ядерні сили - це сили, що утримують нуклони в ядрі, що є великими силами тяжіння, що діють лише на малих відстанях. Вони мають властивості насичення, у зв'язку з чим ядерним силам приписується обмінний характер (за допомогою пі-мезонів). Ядерні сили залежить від спина, не залежить від електричного заряду і є центральними силами . На відміну від вільних частинок, для яких енергія може приймати будь-які значення (так званий безперервний спектр), пов'язані частинки (тобто частинки, кінетична енергіяяких менше абсолютного значенняпотенційної), згідно з квантовою механікою, можуть перебувати в станах тільки з певними дискретними значеннями енергій, так званий дискретний спектр. Так як ядро - система пов'язаних нуклонів, воно має дискретний спектр енергій. Зазвичай воно знаходиться в найнижчому енергетичному станізваним основним. Якщо передати ядру енергію, воно перейде в збуджений стан. Розташування енергетичних рівнів ядра у першому наближенні: D (\displaystyle D)- Середня відстань між рівнями, Питання «З чого складається матерія?», «Яка природа матерії?» завжди займали людство. Ще з найдавніших часів філософи та вчені шукали відповіді на ці питання, створюючи як реалістичні, так і зовсім дивовижні та фантастичні теорії та гіпотези. Проте буквально сторіччя тому людство підійшло до розгадки цієї таємниці максимально близько, відкривши атомарну структуру матерії. Але яким є склад ядра атома? Із чого все складається? На початку ХХ століття атомарна структура перестала бути лише гіпотезою, а стала абсолютним фактом. Виявилося, що склад ядра атома – поняття дуже складне. Але виникло питання: склад атома і включають в себе різна кількістьцих зарядів чи ні? Спочатку уявляли, що атом побудований дуже схоже на нашу Сонячну систему. Однак досить швидко виявилося, що подібна вистава не зовсім вірна. Проблематика суто механічного перенесення астрономічного масштабу картини в область, що займає мільйонні частки міліметра, спричинила суттєве і різка змінавластивостей та якостей явищ. Головна відмінність полягала в набагато жорсткіших законах і правилах, за якими побудований атом. По-перше, так як атоми одного роду та елемента за параметрами та властивостями повинні бути абсолютно однакові, то й орбіти у електронів цих атомів теж мають бути однакові. Проте закони руху астрономічних тіл не змогли відповісти на ці питання. Друге протиріччя у тому, що рух електрона орбітою, якщо застосувати щодо нього добре вивчені фізичні закони, Повинне обов'язково супроводжуватися перманентним виділенням енергії. В результаті цей процес призвів би до виснаження електрона, який зрештою згаснув би і навіть упав на ядро. У 1924 році молодий аристократ Луї де Бройль висунув думку, яка перевернула уявлення наукової спільнотипро такі питання, як склад атомних ядер. Ідея полягала в тому, що електрон - це не просто рухома кулька, яка обертається навколо ядра. Це розмита субстанція, яка рухається за законами, що нагадують поширення хвиль у просторі. Досить швидко цю виставу розповсюдили і на рух будь-якого тіла в цілому, пояснивши, що ми помічаємо тільки одну сторону цього руху, а ось друга фактично не виявляється. Ми можемо бачити поширення хвиль і не помітити рух частинки, або ж навпаки. Насправді обидві ці сторони руху завжди існують, і обертання електрона по орбіті - це переміщення самого заряду, а й поширення хвиль. Такий підхід кардинально відрізняється від прийнятої раніше планетарної моделі. Ядро атома – це центр. Навколо нього і обертаються електрони. Властивості саме ядра обумовлено все інше. Говорити про таке поняття як склад ядра атома необхідно з самого важливого моменту- Із заряду. У складі атома спостерігається певне несуть негативний заряд. Саме ж ядро має позитивний заряд. З цього можна зробити певні висновки: Мідь, скло, залізо, дерево мають однакові електрони. Атом може втратити пару електронів або навіть усі. Якщо ядро залишається зарядженим позитивно, воно здатне притягнути потрібну кількість негативно заряджених частинок з інших тіл, що дозволить йому зберегтися. Якщо атом втрачає деяку кількість електронів, то позитивний заряд у ядра буде більшим, ніж залишок негативних зарядів. У цьому випадку весь атом придбає надлишковий заряд, і його можна буде назвати позитивним іоном. У деяких випадках атом може залучити більша кількістьелектронів і тоді він стане негативно зарядженим. Отже його можна буде назвати негативним іоном. Маса атома переважно визначається ядром. Електрони, які входять до складу атома та атомного ядра, важать мене однієї тисячної від загальної маси. Оскільки масу вважають мірою запасу енергії, яким володіє речовина, цей факт вважається неймовірно важливим щодо такого питання, як склад ядра атома. Найбільш складні питанняз'явилися після відкриття Радіоактивні елементивипромінюють альфа-, бета-і гамма-хвилі. Але таке випромінювання має джерело. Резерфорд 1902 року показав, що таким джерелом є сам атом, а точніше сказати, ядро. З іншого боку, радіоактивність - це не тільки випромінювання променів, а й переведення одного елемента в інший, з абсолютно новими хімічними та фізичними властивостями. Тобто радіоактивність – це зміна ядра. Майже сто років тому фізик Проут висунув думку про те, що елементи в періодичній системі не є безладними формами, а являють собою комбінації. Тому можна було очікувати, що і заряди, і маси ядер виражатимуться через цілі та кратні заряди самого водню. Однак, це не зовсім так. Вивчаючи властивості атомних ядер за допомогою електромагнітних полів, фізик Астон встановив, що елементи, атомні ваги у яких не були цілими та кратними, насправді – комбінація різних атомів, а чи не одна речовина. У всіх випадках, коли атомна вага не є цілим числом, ми спостерігаємо суміш різних ізотопів. Що це таке? Якщо говорити про склад ядра атома, то ізотопи - атоми з однаковими зарядами, але з різними масами. Теорія відносності говорить, що маса - це не міра, за якою визначають кількість матерії, а міра енергії, якою володіє матерія. Відповідно, матерію можна виміряти не масою, а зарядом, що становить цю матерію, та енергією заряду. Коли однаковий заряднаближається до іншого такого ж, енергія буде збільшуватися, інакше - зменшуватися. Це, безсумнівно, значить зміна матерії. Відповідно, з цієї позиції ядро атома - це не джерело енергії, а скоріше залишок після її виділення. Отже, існує певна суперечність. Подружжя Кюрі під час бомбардування альфа-частинками берилію відкрило якісь незрозумілі промені, які, стикаючись з ядром атома, відштовхують його з величезною силою. Однак вони здатні проходити крізь велику товщину речовини. Ця суперечність вирішилася тим, що ця частка виявилася з нейтральною електричним зарядом. Відповідно її і назвали нейтроном. Завдяки подальшим дослідженнямвиявилося, що майже така сама, як і в протона. Загалом кажучи, нейтрон і протон неймовірно схожі. З урахуванням цього відкриття можна було встановити, що до складу ядра атома входять і протони, і нейтрони, причому в однакових кількостях. Все поступово ставало на місця. Число протонів - атомний номер. Атомна вага- це сума мас нейтронів та протонів. Ізотопом можна назвати елемент, у якому кількість нейтронів і протонів буде не рівним другдругові. Як мовилося раніше вище, у разі, хоча елемент залишається фактичним тим самим, його якості можуть значно змінитися.
У деяких поодиноких випадках можуть утворюватися короткоживучі екзотичні атоми, у яких замість нуклону ядром служать інші частинки.Енциклопедичний YouTube
Субтитри
Історія
Теорії будови атомного ядра
Ядерно-фізичні характеристики
Маса
Радіус
Моменти ядра
Спін
Магнітний момент
Електричний квадрупольний момент
Енергія зв'язку
Стійкість ядер
Ядерні сили
Рівні ядра
Від теорії до реальності
Планетарна модель
Недоліки планетарної моделі
Хвильова структура матері і
Елементарна основа
Властивості ядра
Скільки важить атом ?
Радіоактивність
Що ми знаємо про ядерну структуру?
Ейнштейн та ядро атома
Нейтрони
