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 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 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 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

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 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

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,

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.