Строение атомного ядра

Атомное ядро – 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 \(\frac \hbar2 = \frac{h}{4\pi}\) 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.

Зарядовая симметрия сильного взаимодействия – независимость сил взаимодействия между нуклонами от их электрических зарядов. Энергетически выгодно парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра. Наиболее стабильными являются четно-четные ядра (состоящие из четного числа протонов и нейтронов), а среди них – «магические» ядра, у которых число протонов и нейтронов равно одному из чисел \(2, 8, 20, 28, 50, 82, 126\).

Максимальной устойчивостью и поэтому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра:

\(_2^4He, \ \ _8^{16}O, \ \ _{40}^{20}Ca, \ \ _{82}^{208}Pb,\)

у которых магическим является как число протонов, так и число нейтронов.

Радиус ядра зависит от массового числа по закону:

\(R = r_0\frac{A^1}{3},\)

где \(r_0=1,2\) фм.

Удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон.