03.04 ТЕМА: Атомне ядро. 

Протонно-нейтронна модель ядра. Нуклони 

Атом — це мікросистема взаємодіючих частинок, яка скла­дається з двох частин з протилежними зарядами — ядра та електронної оболонки.

Атомне ядро — позитивно заряджена центральна частина атома, в якій зосереджена майже вся його маса. Ядра складаються з протонів і нейтронів, які є різними станами однієї частинки — нуклона.

Протон р — стабільна елементарна частинка з позитивним електричним зарядом q = 1,602 • 10^-19 Кл, масою спокою т_р = = 1,673 •10^-24 г, відносною атомною масою А_r = 1,00728 (1836,1 т_e), спіном s = 1/2 та магнітним моментом μ_р = 2,793 μ_N (ядерного магнетона). Існування протона передбачив (1911) і дав йому назву (1920) Резерфорд.

Нейтрон п — електрично нейтральна елементарна частинка з т_п = 1,675 • 10^-24 г, А_r = 1,00867 (1838,6 т_е), s = 1/2 і μ_n = 1,913 ц μ_N. Нейтрон у ядрі атома цілком стійкий, проте у вільному стані він розпадається на три стабільні частинки — протон, електрон і антинейтрино. Відкрив нейтрон і визначив його масу Чедвік (1932).

Протонно-нейтронну модель ядра вперше запропонував Іваненко (1932) і розвинув Гейзенберг. Розмір ядра залежить від кількості нуклонів А, що в ньому містяться. Його радіус r = 1,33 • 10^-13А¹/³ см, а густина ρ = 1,4 • 10¹⁴ г/см³ (тобто 140 млн Т/см³) майже не залежить від порядкового номера елемента. Загальне число протонів Z і нейтронів N дорівнює цілочисловому, округленому значенню атомної маси, яке називають масовим, або нуклонним, числом А: А = Z + N.

Число протонів у ядрі характеризує його заряд і дорівнює порядковому номеру хімічного елемента, або протонному числу Z, а число нейтронів відповідає різниці А — Z. Нуклонне й протонне числа позначають відповідними верхнім і нижнім індексами зліва від символу елемента.

Оскільки позитивний заряд протона й негативний заряд елек­трона збігаються за абсолютним значенням і дорівнюють елемен­тарному заряду, то в нейтральному атомі число електронів в оболонці завжди дорівнює числу протонів у ядрі. Отже, заряд ядра визначає число електронів в оболонці атома і є найважливішою ознакою індивідуальності хімічних елементів. З послідовним зрос­танням порядкового номера елемента число протонів в ядрах ато­мів збільшується на одиницю, в той час як число нейтронів — зростає нерівномірно. Наприклад, у ізотопів легких елементів Z~N, а в атомі останнього стабільного елемента — Вісмуту Z = 83, а N =126.

Нуклони мають складну внутрішню структуру. Маса нуклона здебільшого зосереджена в ядрі з радіусом близько 2 • 10^-14 см. Ядро оточують концентричні оболонки (мантії), утворені двома швидки­ми p-мезонами — частинками з масою, близькою до маси 270 електронів. Протон і нейтрон містять позитивний і негативний електричні заряди; у нейтроні їхні абсолютні значення однакові, тому сумарний заряд нейтрона дорівнює нулю, у протоні позитив­ний заряд переважає.

Протони та нейтрони не є найдрібнішими частинками. До їх складу входять три субелементарні гіпотетичні частинки з дробо­вим електричним зарядом — кварки (Гелл-Манн, 1964).

Ядра всіх атомів певного елемента мають однакове число про­тонів. Вид ядер і атомів з даним числом протонів і нейтронів називають нуклідом. Нукліди одного й того ж елемента, що від­різняються числом нейтронів при однакових числах протонів, називають ізотопами. Отже, нуклід — більш широке поняття, ніж ізотоп, оскільки кожний ізотоп є нуклідом, але лише нукліди одного елемента є ізотопами. Атоми з різним числом протонів і нейтронів, але з однаковим числом нуклонів називають ізобарами. Атоми з однаковим числом нейтронів, але різним числом протонів назива­ють ізотонами. 

Хоч у ізотопів і різні нуклонні числа, проте, маючи однаковий заряд ядра (і однакову електронну оболонку), вони, за винятком ізотопів Гідрогену (велика різниця в масах), мають однакові хімічні властивості. Ізобари та ізотони відрізняються за своїми хімічними властивостями. Відомо близько 400 стійких і понад 1500 радіоак­тивних нуклідів. Більшість природних хімічних елементів є сумі­шами двох чи кількох ізотопів, атоми яких відрізняються за числом нуклонів. Саме цим пояснюється значне відхилення атомних мас багатьох елементів від цілочислових значень. Вони відповідають природній суміші ізотопів і є усередненими.

Ізотопи мають ті ж назви й символи, що й самі елементи, але їх розрізняють за нуклонним числом. Для деяких легких атомів прийнято спеціальні назви й позначення, наприклад: Протій (ядро — протон), Дейтерій (ядро — дейтон) і Тритій (ядро — тритон) — для ізотопів Гідрогену; альфа-частин-ка — для ядра Гелію .

Ізотопно-чистих елементів налічують лише 21.

Маса ядра завжди менша від суми мас нуклонів, з яких воно утворене, на величину, яку називають дефектом маси.

За сучасними уявленнями атомне ядро — це квантова система, що існує в основному і в збуджених станах. У зв'язку з відсутністю теорій поля ядерних сил вдаються до ядерних моделей і за їх допомогою розв'язують окремі задачі.

Згідно з моделлю оболонковог структури ядер (Гепперт-Майєр, Йєнсен, 1948) кожний нуклон перебуває у певному кванто­вому стані, який характеризується енергією, спіном, магнітним і квадрупольним моментами, парністю тощо. Протони та нейтрони заповнюють ядерні шари подібно до електронів на енергетичних рівнях атомів. Особливо стійкими є ядра з цілком заповненими шарами, яким відповідають магічні числа. Для протонів і нейтронів характерними є магічні числа 2, 8, 20, 28, 50, 82. Підвищену стійкість повинні мати і ядра атомів з магічними числами нейтронів 114, 126, 184. На основі визначених періодичностей у властивостях ядер складено періодичну систему атомних ядер, що містить сім закінчених і восьмий незакінчений періоди.

У краплинній моделі ядро розглядається як краплина рідини, що містить менші краплинки. За цією моделлю вдалося передба­чити закономірності поділу ядер, створити термодинаміку ядерної речовини.

Синтезом оболонкової та краплинної моделей є узагальнена модель ядра, яка дала змогу систематизувати й передбачити енергетичні рівні ядер.

Природу сил, які, незважаючи на відштовхування однойменно заряджених протонів, утримують разом ядерні частинки, ще оста­точно не визначено. Але відомо, що ці сили діють між сусідніми частинками на віддалях, сумірних з розмірами ядра, і мають обмінний характер. У ядрі відбувається постійне взаємоперетво­рення нуклонів, зумовлене віртуальним (неспостережним виник­ненням і зникненням короткоживучих збуджень квантових полів) обміном я-мезонами.

З одного боку, протон і нейтрон перетворюються один в одного з утворенням p-мезонів , а з другого — їх перетворення відбувається з випромінюванням електрона чи по­зитрона з одночасним виникненням антинейтрино або нейтрино .

Нейтрино v і антинейтрино — елементарні частинки з масою спокою, що не перевищує 1/2000 електронної маси, але відрізняються між собою орієнтацією спінів.

Дом.завдання: https://www.youtube.com/watch?v=W-Eb3Jmsbfk