Загальні властивості атомного ядра



ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.4. Загальні властивості атомного ядра

Дослідами Е. Резерфорда було встановлено існування атомних ядер. Атомному ядру кожного елемента, як і будь-якому іншому матеріальному об’єкту, притаманні певні властивості, що визначають його індивідуальність, а саме: електричний заряд, маса, електричний і магнітний моменти, спін тощо. Розглянемо ці основні характеристики атомних ядер.

Заряд ядра. Електричний заряд атомного ядра є позитивним.

Значення його визначається добутком Zе, де Z – атомний номер елемента, що дорівнює порядковому номеру в періодичній системі Д. І. Менделєєва; е – елементарний заряд, що дорівнює 1,6022 ∙ 1019 Кл. Носієм елементарного позитивного заряду в ядрі атома є протон. У природі є елементи із Z від 1 до 92, за винятком технецію (Z = 43) і прометію (Z = 61). Плутоній (Z = 94) спочатку одержали штучно, а потім знайшли в досить малій кількості в природному мінералі – смоляній обманці. Інші трансуранові елементи добули лише штучно.

Електричний заряд є однією з найважливіших характеристик атомів атомних ядер. Значення його визначає число

протонів у ядрі і число електронів у нейтральному атомі, характер внутрішньоатомного електричного поля, від якого залежать фізичні і хімічні властивості атомів.

Маса ядра – є його другою важливою характеристикою. Практично маса атомного ядра збігається з масою атома, оскільки маса електронів, які входять до складу атома, дуже незначна. Так, у атома гідрогену на електрон припадає 1/1836 його маси. В інших атомах сумарна маса електронів становить приблизно 1/4000 від маси атома. Масу атомів можна визначити за відхиленням їхніх йонів у електричному й магнітному полях. Ф. Астон сконструював для цього прилад, що називається мас-спектрографом. Дж. Томсон, а потім Ф. Астон за допомогою мас-спектрографа довели, що існує кілька груп атомів того самого хімічного елемента, які відрізняються атомною масою. Атоми, ядра яких мають однакові заряди, але відрізняються масами, називають ізотопами.

Масу атомів і атомних ядер прийнято виражати в атомних одиницях маси (а. о. м.). До 1962 р. за фізичною шкалою 1 а. о. м. відповідала умовній одиниці, яка в 16 разів менша за масу одного з нуклідів оксигену Загальні властивості атомного ядра За хімічною шкалою 1 а. о. м. дорівнює 1/16 атомної маси елемента оксигену, який є сумішшю трьох його стабільних нуклідів з атомними масами 16,000000 (99,759 %), 17,00450 ± 0,000060 (0,037 %) і 18,00485 ± 0,00018 (0,024 %). Починаючи з 1962 р. користуються уніфікованою атомною одиницею маси (у. а. о. м.), яка дорівнює 1/12 маси нукліда Загальні властивості атомного ядра Визначення мас ізотопів, проведене з великою точністю, показало, що вони є практично цілими числами. Це дуже важливо, оскільки дає змогу дійти висновку, що ядра всіх хімічних елементів складаються з цілого числа деяких однорідних за масою складових частинок. Масу ядра в у. а. о. м., заокруглену до найближчого цілого числа, називають масовим числом – А.

Для позначення ядер користуються символом Загальні властивості атомного ядра де X – символ хімічного елемента в таблиці Д. І. Менделєєва, що відповідає заряду ядра Z, А – масовому числу.

Поряд з ізотопами існують атоми, ядра яких за однакової маси (однакового масового числа) мають різні заряди. Їх називають ізобарами. Прикладом ізобарних ядер можуть бути Загальні властивості атомного ядра Загальні властивості атомного ядра

Стійкість ядер. Відомо близько 300 стабільних і понад 1000 радіоактивних ядер. Радіоактивні ядра є нестійкими, здатними самочинно розпадатися. Ступінь стабільності радіоактивних ядер визначається періодом піврозпаду – часом, протягом якого половина з наявних ядер зазнає розпаду. Атоми, ядра яких мають однакові А і Z, але відрізняються періодом піврозпаду, називають ізомерами. Так, радіоактивний Загальні властивості атомного ядра має два ізомери: період піврозпаду одного 6,7 год., другого – 1,14 хв.

Розміри і форма ядер. Певні відомості про розміри і форму ядра можна дістати, вивчаючи його електричне поле, яке досліджують методом розсіяння заряджених частинок на ядрах. Експериментальні дослідження, проведені з α-частинками не дуже великих енергій, показали, що на великих відстанях поле ядра є кулонівським. Проте на малих відстанях від ядра, як засвідчили дослідження розсіяння α-частинок великих енергій на легких ядрах, на кулонівські сили відштовхування накладаються специфічні ядерні сили притягання, які швидко зростають зі зменшенням відстані від ядра. Отже, ядерні сили є короткодіючими. їх немає вже на відстані порядку кількох фермі (1 Ф = 10-15 м). Цей радіус дії ядерних сил і визначає розмір ядра. Проведені дослідження показали, що радіуси ядер залежать від їхніх масових чисел і можуть бути розраховані за емпіричною формулою

Загальні властивості атомного ядра

Де r0 = 1,3…1,5 Ф; А – масове число.

Виходячи з формули (17.5), можна оцінити середню густину ядерної речовини, яка не залежить від об’єму ядра і дорівнює 1,3 ∙ 1017 кг/м.

Дослідження електричного поля ядра дали змогу дійти висновку і про його форму. Так, у випадку сферично-симетричного ядра його поле має бути також сферично-симетричним, тобто таким, як і поле точкового заряду. Проведені дослідження показали, що не всі ядра є сферично-симетричними, але для всіх ядер без винятку характерна осьова симетрія. Осьова ж симетрія може бути, якщо ядро має сферичну форму або є еліпсоїдом обертання.

Спін і магнітний момент ядра. Вивчення оптичних спектрів за допомогою приладів високої роздільної здатності дало змогу встановити наявність у атомних ядер спінів і магнітних моментів. У 1928 р. О. М. Теренін і Г. Н. Добрецов, досліджуючи спектр натрію, знайшли, що кожна з двох його D-ліній має дублетну структуру. Одна з них (із хвилею завдовжки 589 нм) складається з двох ліній, розташованих на відстані 0,0021 нм одна від одної, друга (з хвилею завдовжки 589,6 нм) також розщеплена на дві компоненти, з відстанню між ними 0,0023 нм. Таке розщеплення спектральних ліній спостерігається у багатьох елементів і називається надтонкою структурою спектральних ліній. Для пояснення надтонкої структури спектральних ліній В. Паулі висунув гіпотезу про те, що в атомних ядер є спіни і магнітні моменти.

Спін ядра разом із зарядом і масою є його найважливішою характеристикою. Спіном ядра називають його повний механічний момент, який є сумою власних моментів імпульсів складових його частинок та їхніх орбітальних механічних моментів, зумовлених внутрішньоядерними рухами. Спін ядра залежить від його стану. Тому звичайно мають на увазі спін ядра в основному стані. Спін ядра визначають за кількістю ліній надтонкої структури при спектроскопічних дослідженнях. Звертає на себе увагу проста закономірність, що пов’язує спін з масовим числом: усі ядра з парним А мають цілий, або нульовий, спін, ядра з непарним А – півцілий спін. Крім спіну для ядер характерні магнітні моменти. Магнітні моменти ядер виражаються в ядерних магнетонах, які вводяться аналогічно магнетону Бора,

Загальні властивості атомного ядра

Де е – заряд протона; h – стала Планка; mр – маса протона. Магнітні моменти ядер незначні, тому експериментально виміряти їх важко. Для вимірювання магнітних моментів ядер широко застосовують радіоспектроскопічні методи.

Аналіз значень спінів і магнітних моментів ядер приводить до висновку, що нуклони в ядрі розміщуються так, що їхні спіни і магнітні моменти взаємно компенсуються. Так, найбільший з експериментально визначених спінів ядер дорівнює 7, тобто значно менший ніж А/2. Аналогічна ситуація спостерігається і для магнітних моментів ядер.

Існує однозначний зв’язок між спіном і статистикою ядра. Ядра з півцілим спіном підлягають статистиці Фермі – Дірака, а з цілим – статистиці Бозе – Ейнштейна.

Склад ядра. До 1932 р. вважали, що ядра всіх атомів складаються з протонів і електронів (протонно-електронна гіпотеза). При цьому до складу ядра з порядковим номером Z і масовим числом А мало входити А протонів і A-Z – електронів. “Ядерні” електрони нейтралізують заряд A-Z – протонів і до того ж виконують роль цементуючого середовища, яке утримує позитивно заряджені протони в ядрі. На користь цієї гіпотези, здавалось, вказувала і наявність β–радіоактивності, при якій ядро спонтанно випромінює електрони. Проте згодом від неї відмовились, оскільки вона неспроможна пояснити цілий ряд експериментальних фактів. Перший з них пов’язаний з властивостями ядра азоту 147N і відомий у фізиці під назвою “азотної катастрофи”.

Справді, за протонно-електронною гіпотезою, таке ядро складається з 14 протонів і 7 електронів, тобто містить у собі непарне число частинок. Оскільки кожна зі складових частинок характеризується півцілим спіном, то і спін ядра має бути дробовим, що суперечить експериментальним фактам. Виходячи з протонно-електронної гіпотези, не можна пояснити і малі значення магнітних моментів ядер, які набагато менші від магнітного моменту електрона.

Вихід із цього становища було знайдено після відкриття нейтрона. Д. Д. Іваненко і В. Гейзенберг висунули гіпотезу про протонно-нейтронну будову ядер. Ця гіпотеза пояснює всі нині відомі експериментальні факти і є на сьогодні загальноприйнятою. Протони і нейтрони називають ще нуклонами.


1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (No Ratings Yet)
Loading...


Апостроф це.
Ви зараз читаєте: Загальні властивості атомного ядра