Основна маса матерії в атомі не розподілений рівномірно по об'єму атома, а сконцентрована в щільному ядрі, розмір якого (
10 -15 м) становить одну стотисячну частину розміру самого атома. Щільність ядерної речовини дуже велика.
Ядро має позитивний заряд, кратний елементарному заряду е. і відповідні спину ядра механічний і магнітний моменти.
Взаємодія магнітних моментів електронів атома і його ядра призводить до розщеплення спектральних ліній випромінювання атома, рівного, що обумовлює надтонку структуру оптичного спектра атома.
Склад ядра - нуклони (протони і нейтрони).
Протон - р - стабільна частка (час життя -), ядро атома водню, має позитивним зарядом е і масою
Власний магнітний момент. де
Дж / Тл - ядерний магнетон.
Власний магнітний момент протона приблизно в 660 разів менше власного магнітного моменту електрона.
Нейтрон - п - електрично незаряджена елементарна частинка з масою
Спін нейтрона S =.
Власний магнітний момент. Знак мінус вказує, що механічний і магнітний моменти нейтрона мають протилежне значення.
У вільному стані нейтрон нестабільний (середній час життя хв) і мимовільно розпадається, перетворюючись на протон і випускаючи електрон і антинейтрино
Характеристики атомного ядра
Z - Зарядове число дорівнює кількості протонів в ядрі і є атомним номером в таблиці Менделєєва.
А - масове число дорівнює кількості нуклонів в ядрі.
Оскільки для числа Z існує тільки один символ хімічного елемента, його часто не вказують. Наприклад, 238 U.
Конкретні атоми з даним числом протонів і нейтронів називають нуклідами.
Нукліди з однаковим числом протонів називають ізотопами. Атоми ізотопів мають практично дуже близькими фізико-хімічними властивостями, за винятком деяких випадків. Найсильніше ця різниця у трьох нуклідів: 1 Н1. 2 Н1 (дейтерій), 3 Н-1 (тритій). Ядра дейтерію і тритію називають - дейтрон (d) і тритон (t).
В даний час відомо близько 1500 різних ядер з Z від 1 до 117 і А від 1 до 271. Приблизно частина цих ядер стійкі. Багато ядра з Z від 93 до 115 були отримані штучним шляхом за допомогою ядерних реакцій.
Розміри ядер залежать від числа що містяться в них нуклонів.
У першому наближенні ядро можна вважати сферичним і при А> 10 ефективний радіус більшості ядер досить точно визначається формулою
Ф = 1 фм = 10 -15 м - ферми (назва застосовуваної в ядерній фізиці одиниці довжини, що дорівнює одному фемтометр.
Спін ядра -I. Він складається з спинив нуклонів і їх орбітальних моментів. Спін нуклона дорівнює. тому спін I ядра може бути як цілим, так і напівцілим - в залежності від числа нуклонів.
В основних станах всіх стабільних ядер. Це вказує на те, що моменти імпульсу більшості нуклонів в ядрі взаємно компенсують один одного, розташовуючись «антипараллельно».
У всіх ядер з парними числами протонів і нейтронів спин основного стану I = 0.
Маса і енергія зв'язку ядра
Маса ядра не є адитивною величиною - вона не дорівнює сумі мас утворюють ядро нуклонів. Причиною є сильна взаємодія нуклонів в ядрі.
Через це взаємодії для повного поділу ядра на окремі вільні нуклони необхідно провести мінімальну роботу, яка і визначає енергію зв'язку ядра Есв.
Навпаки, при утворенні ядра з вільних нуклонів ця енергія виділяється (у вигляді, наприклад, електромагнітного випромінювання).
Якщо виразити маси нуклонів і ядра в енергетичних одиницях, то
Так як в таблицях наводяться маси не ядер, а нуклідів то на практиці користуються формулою
тa- маса нукліда, відповідного масі ядра.
Якщо є таблиці дефектів мас нуклідів то користуються формулою
1 а.е.м. = 931,5 МеВ
За «початок відліку» прийнятий нуклід 12 С. дефект маси якого дорівнює нулю.
Питомою енергією зв'язку називають енергію, що припадає в середньому на один нуклон, тобто (). Ця величина характеризує міру міцності ядра. чим більше . тим ядро міцніше.
Робота, необхідна для розщеплення ядра маси т на дві частинки з масами т1 і т2 дорівнює енергії зв'язку цих частинок у вихідному ядрі
Найбільш міцними є ядра з масовими числами А
Як з ростом, так і зі зменшенням А питома енергія зв'язку зменшується, і важким ядер стає енергетично вигідним ділитися, утворюючи при цьому більш міцні ядра, а легким ядер, навпаки вигідно зливатися один з одним.
В обох випадках виділяється енергія. Наприклад, при розподілі ядра 235 U - близько 200 МеВ (в основному у вигляді кінетичної енергії, що розлітаються під дією кулонівських сил відштовхування осколків).
А при злитті дейтрона з тритоном (d + t = α + n) відбувається синтез α-частинок (4 Не) з виділенням енергії 17,6 МеВ. У першому випадку виділяється енергію називають атомної. у другому - термоядерної. На одиницю маси в другому випадку виділяється в 5 разів більше енергії, ніж в першому.
Величезна енергія зв'язку нуклонів в ядрах (у порівнянні з енергією зв'язку електронів в атомі
10 еВ) означає, що між нуклонами діють потужні ядерні сили тяжіння, в порівнянні з якими електромагнітні сили відштовхування в сотні разів слабкіше.
Особливості ядерних сил:
1) Радіус дії
10 -15 м (короткодіючі). На суттєво менших відстанях тяжіння нуклонів змінюється їх відвернути. На великих відстанях ядерні сили не виявляються.
2) Зарядова незалежність. що проявляється в подібності сил взаємодії нуклонів п-п, р-р, п-р.
3) Ці сили не є центральними. тому залежать від оріентиціі спинив нуклонів.
4) Мають властивість насищенія- кожен нуклон в ядрі взаємодіє з обмеженим числом найближчих нуклонів.
Механізм взаємодії нуклонів:
Відповідно до класичної фізики взаємодія між частинками здійснюється за допомогою силових полів.
Квантова фізика не змінила таке уявлення, але врахувала квантові властивості самого поля: всякому полю повинна відповідати певна частка - квант поля. яка і є переносником взаємодії. Один з взаємодіючих нуклонів випускає квант поля, інший його поглинає.
Істотно, що обмін частками лежить в основі взагалі всіх взаємодій і є фундаментальним квантовим властивістю природи (наприклад, електромагнітні взаємодії здійснюються шляхом обміну фотонами).
При взаємодії нуклонів квантами поля є π-мезони, що займають проміжне положення по масі між електроном і нуклоном.
За законами класичної фізики такі процеси йти не можуть у зв'язку з порушенням закону збереження енергії. Не може вільний нейтрон самовільно перетворитися в нейтрон + π-мезон. сумарна маса яких більша за масу нейтрона.
Квантова теорія ця заборона усуває. Зі співвідношення невизначеності слід, що енергія системи може зазнавати відхилення ДЕ. тривалість яких не повинна перевищувати величини. В цьому випадку порушення закону збереження енергії при випущенні π-мезона виявити не можна.
Частинки, випускання і поглинання яких відбувається з удаваним порушенням закону збереження енергії, називаються віртуальними частинками.
Одиночний нуклон завжди оточений так званої «мезонів шубою» тобто хмарою віртуальних π-мезонів. які безупинно випускаються і поглинаються нуклоном.
Коли два нуклона зближуються і їх мезонні шуби починають стикатися, створюються умови для обміну віртуальними мезонами - виникає ядерна взаємодія. Радіус дії ядерних сил має порядок комптонівської довжини хвилі. З досвіду відомо, що м, що дозволяє оцінити масу π-мезона. тπ
Залежність радіусу дії ядерних сил від маси віртуальних частинок - переносників взаємодії - фундаментальний квантовий закон.
Цей закон визначає дальнодействие електромагнітних сил, оскільки кванти електромагнітного поля - віртуальні фотони є безмасовими частинками, які можуть мати як завгодно малу енаргію.