Ядерные силы. Модели ядра.

Ядерная физика. Атомное ядро. Масса частиц. Атомная единица массы. Состав и масса ядра. Нуклоны. Протон. Ядерный магнетон. Нейтрон. Заряд ядра. Обозначение ядра. Изотопы. Размеры

1. Ядерная физика– наука о строении, свойствах и превращении атомных ядер. Атомное ядро– положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома. Масса частиц в физике ядра может измеряться как в абсолютных единицах (г, кг), так и в относительной мере – в атомных единицах массы (а.е.м.). Атомная единица массы равна 1,66*10^-27 кг. Конкретные атомные ядра с данным числом протонов и нейтронов в ядре принято называть нуклидами. А.е.м. равна 1/12 массы нуклида углерода ¹²С.

Например, масса протона m_p = 1,00759 а.е.м., масса нейтрона m_n = 1,00898 а.е.м.

Массы частиц также относят к массе электрона (m_e). Например масса протона m_p = 1,6726485*10^-27 кг ≈ 1836 m_e, а масса нейтрона m_n = 1,6749543*10^-27 кг ≈ 1839 m_e.

Состав и масса ядра. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (сов. ученый Д.Иваненко 1932г.). Эти частицы называются нуклонами. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами и движутся с нерелятивистскими скоростями.

Протон обозначается р, р+ или ¹₁р, обладает положительным зарядом +е и массой m_p. Протон имеет спин и характеризуется спиновым квантовым числом s = ½. Собственный магнитный момент протона ϻ_р≈2,79ϻ_я, где ϻ_я=ећ/2m_p – ядерный магнетон – единица, в которых измеряют магнитные моменты нуклонов, ϻ_я= 5,050824*10^-27 Дж/Тл. Магнитный момент протона в ~660 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами электронов. Направление магнитного момента протона совпадает с направлением спина.

Нейтрон обозначаю n, n^oили ¹₀n, не имеет электрического заряда, масса близка к массе протона (на 0,14 % больше массы протона).

Спин нейтрона s=½. Магнитный момент нейтрона ϻ_n≈-1,91 ϻ_я. Знак «-» указывает на то, что магнитный момент имеет направление противоположное направлению спина. Заметим, что в свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается и превращается в протон, электрон и легкую частицу с нулевым зарядом – электронное антинейтрино ṽ_е.

n^o = р⁺+е^-+ ṽ_е

Период полураспада нейтрона ~ 12 мин.

Заряд ядра– величина ze, где е – заряд протона, z – число протонов в ядре, равное порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет число электронов в атоме (от числа электронов зависит их распределение в атоме по состояниям, от которого, в свою очередь зависят химические свойства атомов).

Массовое число – число нуклонов в ядре, А=z+N, где N-число нейтронов в ядре. Нуклонам приписывается А=1, а электрону А=0.

Символическое обозначение ядра химического ядра химического элемента Х: ^А_zХ

Изотопы – ядра с одинаковыми z, но разными А. Например ²⁸₁₄S; ²⁹₁₄S. Атомы изотопов обладают близкими физико-химическими свойствами за исключением трех изотопов водорода ¹_-1Н; ²₁Н; ³₁Н, ядра которых существенно отличаются. Соответствующие названия водород (протий), дейтерий и тритий, а ядра соответственно протон, дейтрон и тритон.

Размеры ядра. У атомного ядра (как и у всякой квантовой системы) отсутствуют четко определенные границы. Условно за радиус ядра r_о принимается расстояние от центра ядра до r, на котором концентрация нуклонов падает в 2 раза. В первом приближении ядро можно считать сферическим с радиусом r_o≈1,3A^⅓Ф, где Ф – единица длины (Ферми). Ф=10^-13см=10^-15 м. Диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра атома. Плотность ядра ρ_я~2*10¹⁷ кг/см³ (Сравните с плотностью воды 1*10³ кг/м³ и рассчитайте для интереса массу ядра величиной со спичечную головку (5 мм³).

2. Спин ядра складывается из спинов нуклонов, поэтому может принимать при нечетном количестве нуклонов полуцелое значение, целое или нулевое при четном. Спины ядра квантуются
, где I-спиновое ядерное квантовое число. Атомное ядро обладает магнитным моментом

Р_mя=g_я*L_я, где g_я – ядерное гидромагнитное отношение. Взаимодействие магнитных моментов ядер с магнитным полем приводит к появлению ядерных энергетических подуровней.

Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).Если на вещество, находящееся в сильном магнитном поле (до ~10 Тл), подействовать слабым переменным радиочастотным магнитным полем, то при частотах, соответствующих частотам переходов между ядерными подуровнями, возникает резкий (резонансный) максимум поглощения электромагнитной энергии. То есть ЯМР обусловлен происходящими под влиянием переменного магнитного поля квантовыми переходами между ядерными энергетическими подуровнями. Явление используется в ЯМР-томографии. Название было заменено на МРТ (магнитно-резонансную) в связи с радиофобией после Чернобыльской аварии. За изобретение МРТ П.Мэнсфилд и П.Лотербур получили Нобелевскую премию по медицине (в действительности ЯМР-томографию изобрел В.А.Иванов (патент СССР, 1960 г)

3.Ядерные силы. Модели ядра.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными и представляют собой проявление сильного взаимодействия.

Свойства ядерных сил:1)Это короткодействующие силы. На расстояниях порядка ~10^-15 м несмотря на кулоновское отталкивание ядерные силы удерживают нуклоны (притяжение Юкавы (яп.физик)). На меньших расстояниях притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2).Зарядовая независимость. Притяжение n-n, p-p и n-p одинаково.

3)Не являются центральными. Не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нулонов.

4)Зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например р и n образуют дейтрон (²₁H) только при параллельной ориентации их спинов.

12 Следующая ⇒