Атом и атомное ядро (определение)

А́томное ядро́ – центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9%). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомные ядра изучает ядерная физика. Атомное ядро состоит из нуклонов – положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным \(\frac{\hbar}{2} = \frac h{4\pi}\) и связанным с ним магнитным моментом. Единственный атом, не содержащий нейтрон в ядре, – легкий водород (протий).

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определенным числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом. Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом \(Z\) – это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом \(N\). Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом \(A(A=N+Z)\) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбужденном состоянии, причем в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбужденные состояния ядер называются ядерными изомерами.

В 1911 году Резерфорд в своем докладе «Рассеяние \(a\)- и \(\beta\)-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил:

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведет начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер. После обнаружения стабильных изотопов элементов ядру самого легкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин – протон. После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков (в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер), в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем последующим ходом развития ядерной физики и ее приложений.

Ядерно-физические характеристики: Заряд, масса, радиус, момент ядра, спин.

Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году. Свои экспериментальные наблюдения ученый интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы \(Z\), изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

\(\sqrt{\frac 1X} = aZ-b, \) где \(a\) и \(b\) – постоянные.

Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли.

В ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы M соответствует полная энергия:

\(E=Mc^2,\) где \(c\) – скорость света в вакууме.

Соотношение между а.е.м. и ее энергетическим эквивалентом в джоулях:

\(E_1 = 1,660539\cdot 10^{-27}\cdot(2,997925\cdot 10^8)^2=1,492418\cdot 10^{-10}\),

а так как 1 электронвольт \(= 1,602176·10^{−19}\) Дж, то энергетический эквивалент а.е.м. в МэВ равен:

\(E_1=931,494\).