Атом - уникальная частица мироздания. Эта статья постарается донести до читателя информацию об этом элементе материи. Здесь мы рассмотрим такие вопросы: каков диаметр атома и его размеры, какие он имеет качественные параметры, в чем заключается его роль во Вселенной.

Знакомство с атомом

Атом - составная частица веществ, имеющая микроскопические размер и массу. Это наименьшая часть элементов химической природы с невероятно малыми размерами и массой.

Атомы строятся из двух основных структурных элементов, а именно из электронов и атомного ядра, которое, в свою очередь, образуется протонами и нейтронами. Число протонов может отличаться от количества нейтронов. Как в химии, так и в физике атомы, в которых величина протонов соизмерима с количеством электронов, называют электрически нейтральными. Если выше или ниже числа протонов, то атом, приобретая положительный или отрицательный заряд, становится ионом.

Атомы и молекулы в физике долгое время считались мельчайшими «кирпичиками», из которых строится Вселенная, и даже после открытия еще меньших составных компонентов остаются среди важнейших открытий в истории человечества. Именно атомы, связанные при помощи межатомных связей, образуют молекулы. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а именно, в весе его протонов, которые составляют около 99,9 % от значений общей величины.

Исторические данные

Благодаря достижениям науки в области физики и химии было совершено множество открытий относительно природы атома, его строения и возможностей. Были произведены многочисленные опыты и расчеты, в ходе которых человек смог ответить на такие вопросы: каков диаметр атома, его размер, и многое другое.

Впервые было открыто и сформулировано философами древней Греции и Рима. В XVII-XVIII веках химики смогли при помощи экспериментов доказать идею об атоме как наименьшей частице вещества. Они показали, что множество веществ можно расщеплять многократно при помощи химических методов. Однако в дальнейшем открытые физиками показали, что даже атом можно разделить, а строится он из субатомных компонентов.

Международный съезд ученых по химии в Карлсруэ, расположенном на территории Германии, в 1860 г. принял решение относительно понятия об атомах и молекулах, где атом рассматривается как самая маленькая часть химических элементов. Следовательно, он также входит в состав веществ простого и сложного типа.

Диаметр атома водорода был изучен одним из самых первых. Однако его расчеты были произведены множество раз и последние из них, опубликованные в 2010 г., показали, что он на 4 % меньше, чем предполагалось ранее (10 -8). Показатель общего значения величины атомного ядра соответствует числу 10 -13 -10 -12 , а порядок величины всего диаметра равен 10 -8 . Это вызвало множество противоречий и проблем, поскольку сам водород по праву относится к основным составным частям всей обозримой Вселенной, а подобная несостыковка вынуждает совершать множество перерасчетов по отношению к фундаментальным утверждениям.

Атом и его модель

В настоящее время известно пять основных моделей атома, отличающиеся между собой, прежде всего, временными рамками представлениями об его устройстве. Рассмотрим непосредственно модели:

• Кусочки, из которых состоит материя. Демокрит считал, что любое свойство веществ должно определяться его формами, массой и другим рядом практических характеристик. Например, огонь может обжечь, потому что его атомы острые. Согласно мнению Демокрита, даже душа образована атомами.
• Атомная модель Томсона, созданная в 1904 г., самим Дж. Дж. Томсоном. Он предположил, что атом можно принимать в качестве положительно заряженного тела, заключенного внутри электронов.
• Ранняя планетарная атомная модель Нагаоки, созданная в 1904 году, полагала, что устройство атома аналогично системе Сатурна. Ядро маленьких размеров и имеющее положительный показатель заряда окружено электронами, которые двигаются по кольцам.
• Атомная планетарная модель, открытая Бором и Резерфордом. В 1911 г. Э. Резерфорд, после того как провел целый ряд экспериментов, стал полагать, что атом схож с планетарной системой, где у электронов есть орбиты, по которым они двигаются вокруг ядра. Однако это предположение шло в разрез с данными классической электродинамики. Чтобы доказать состоятельность этой теории, Нильс Бор ввел понятие о постулатах, утверждающих и показывающих, что электрону не требуется расходовать энергию, так как он находится в определенном, специальном энергетическом состоянии. Изучение атома в дальнейшем привело к тому, что появилась квантовая механика, которая смогла объяснить множество противоречий, которые можно было наблюдать.
• Квантово-механическая атомная модель утверждает, что центральная основа рассматриваемой частицы состоит из ядра, образующегося из протонов, а также нейтронов и электронов, движущихся вокруг него.

Особенности строения

Размер атома ранее предопределял, что это неделимая частица. Однако множество опытов и экспериментов показали нам, что он строится из субатомных частиц. Любой атом состоит из электронов, протонов и нейтронов, за исключением водорода - 1, который не включает в себя последние.

Стандартная модель показывает, что протоны и нейтроны образованы посредством взаимодействия между кварками. Они относятся к фермионам, наряду с лептонами. В настоящее время различают 6 видов кварков. Протоны своим образованием обязаны двум u-кварками и одному d-кварку, а нейтрон - одному u-кварку и двум d-кварками. Ядерное взаимодействие сильного типа, которым связываются кварки, передается при помощи глюонов.

Движение электронов в атомном пространстве предопределяется их «желанием» быть ближе к ядру, другими словами, притягиваться, а также кулоновскими силами взаимодействия между ними. Эти же типы сил удерживают каждый электрон в потенциальном барьере, окружившем ядро. Орбита движения электронов обуславливает величину диаметра атома, равную прямой линии, проходящей от одной точки в окружности к другой, а также через центр.

У атома имеется его спин, который представлен собственным импульсным моментом и лежит вне понимания общей природы материи. Описывается при помощи квантовой механики.

Размеры и масса

Каждое ядро атома с одинаковым показателем числа протонов относится к общему химическому элементу. К изотопам относятся представители атомов одного элемента, но имеющие различие в нейтронном количестве.

Поскольку в физике строение атома указывают на то, что основную их массу составляют протоны и нейтроны, то общую сумму данных частиц имеют массовым числом. Выражение атомной массы в состоянии спокойствия происходит посредством использования атомных единиц массы (а. е. м.), которые по-другому именуются дальтонами (Да).

Размер атома не имеет четко выраженных границ. Потому определяется он при помощи измерения расстояния между ядрами одинакового типа атомов, химически связанных между собой. Другой способ измерения возможен при расчете длительности пути от ядра до дальнейшей из имеющихся электронных орбит стабильного типа. элементов Д. И. Менделеева располагает в себе атомы по размеру, от меньших к большим, в направлении столбца сверху вниз, движение по направлению слева направо также основано на уменьшении их размеров.

Время распада

Все хим. элементы имеют изотопы, от одного и выше. Они содержат в себе нестабильное ядро, подверженное радиоактивному распаду, вследствие чего происходит испускание частиц или электромагнитного излучения. Радиоактивным называют тот изотоп, у которого величина радиуса сильного взаимодействия выходит за пределы дальних точек диаметра. Если рассмотреть на примере аурума, то изотопом будет атом Au, за пределы диаметра которого во всех направлениях "вылетают" излучающиеся частицы. Изначально диаметр атома золота соответствует величине двух радиусов, каждый из которых равен 144 пк, а частицы, выходящие за пределы этого расстояния от ядра, будут считаться изотопами. Существует три типа распада: альфа-, бета- и гамма излучение.

Понятие о валентности и наличии энергетических уровней

Мы уже ознакомились с ответами на такие вопросы: каков диаметр атома, его размер, ознакомились с понятием распада атома и т. д. Однако, помимо этого, существуют и такие характеристики атомов, как величина энергетических уровней и валентность.

Электроны, двигающиеся вокруг атомного ядра, обладают потенциальной энергией и пребывают в связанном состоянии, располагаясь на возбужденном уровне. В соответствии с квантовой моделью, электрон занимает только дискретное количество энергетических уровней.

Валентность - это общая способность атомов, у которых на электронной оболочке имеется свободное место, устанавливать связи химического типа с другими атомными единицами. Посредством установления химических связей атомы стараются заполнить свой слой внешней валентной оболочки.

Ионизация

В результате воздействия высокого значения напряженности на атом он может подвергаться необратимой деформации, которая сопровождается электронным отрывом.

Это приводит к ионизации атомов, в ходе которой они отдают электрон(ы) и претерпевают превращение из стабильного состояния в ионы с положительным зарядом, иначе именуемые катионами. Этот процесс требует определенной энергии, которую называют потенциалом ионизации.

Подводя итоги

Изучение вопросов о строении, особенностях взаимодействия, качественных параметрах, о том, каков же диаметр атома и какие он имеет размеры, все это позволило человеческому разуму совершить невероятный труд, помогающий лучше осознать и понять устройство всей материи вокруг нас. Эти же вопросы позволили открыть человеку понятия об электроотрицательности атома, его дисперсном притяжении, валентных возможностях, определить длительность радиоактивного распада и многое другое.

Попытки получить представление о точных размерах ядра наталкиваются на значительные трудности. Дело в том, что частицы, из которых состоит ядро, движутся по законам квантовой механики, в основе которой лежит принцип неопределенности Гейзенберга. Вследствие этого поверхность ядра «размыта» и представление о его размерах становится неопределенным.

Существует несколько способов, позволяющих произвести оценку размеров ядра. Разные методы приводят к различным результатам, однако порядок величины во всех случаях остается одинаковым.

Первые представления о размерах атомного ядра были получены Резерфордом в результате опытов по рассеянию -частиц, которые были описаны в предыдущем параграфе. Грубо можно оценить размеры отталкивающего ядра как наименьшее расстояние, на которое -частица приближается к атомному ядру при лобовом ударе.

Сила отталкивания между ядром и -частицей на расстоянии согласно закону Кулона равна где заряд -частицы, заряд ядра. Потенциальная энергия на расстоянии между частицами равна

Кинетическая энергия -частицы на большом расстоянии от ядра равна При прямом попадании на рассеивающий центр -частица может подойти к ядру на расстояние определяемое равенством Откуда

(в формуле Резерфорда (11) этот член стоит в скобках). Определяя при известных и 0, можно на основании и (12) вычислить Опыт показал, что величина для ядер тяжелых элементов имеет порядок см.

Площади геометрических сечений ядер, равные для большинства ядер близки к величине Поэтому в ядерной физике для измерения площадей принимается единица - барн.

В дальнейшем размеры атомных ядер определялись по энергии -частиц, испускаемых радиоактивными ядрами (см. гл. 3), по рассеянию нейтронов и электронов на ядрах, по величине энергии связи ядра и другими методами.

Наиболее надежными могут считаться результаты, полученные при изучении рассеяния ядрами нейтронов и электронов. Кратко идея метода заключается в следующем: если длина волны де Бройля для электронов соизмерима с размерами ядер, то при упругом рассеянии электронов на ядрах будет возникать дифракция. Картину этой дифракции можно рассчитать, полагая, что рассеяние электронов происходит на заряженном шаре радиуса в предположении о равномерном распределении заряда в ядре. Значение при котором теория и эксперимент наиболее согласуются друг с другом, принимается за радиус ядра, хотя более строго следует говорить о радиусе распределения электрического заряда в ядре.

Какую энергию должны иметь электроны в таком эксперименте? Очевидно необходимо, чтобы см.

При релятивистских скоростях кинетическая энергия электрона приблизительно равна следовательно, если изменять в

Переводной множитель для перехода от эргов к

Отсюда следует, что необходимая энергия должна быть порядка

Этим методом были определены радиусы многих ядер и в том числе радиус протона. В предположении о сферической форме ядер была найдена зависимость между радиусом ядра и числом нуклонов в ядре А

Такая же зависимость между была получена при использовании других методов. Значение постоянного множителя при этом получалось несколько различным. Например, при изучении рассеяния на ядрах не электронов, а нейтронов было получено значение для

Различие в значении полученного разными методами, по-видимому, можно объяснить тем, что рассеяние электронов определяется областью сосредоточения зарядов ядра, а рассеяние нейтронов определяется величиной радиуса области ядерного взаимодействия. Иногда говорят в связи с этим об «электрическом» и «ядерном» радиусах атомного ядра.

Из соотношения

видно, что масса ядра (определяемая величиной А) пропорциональна его объему V:

к, следовательно, во всех ядрах число нуклонов в единице объема одинаково

Одинакова также должна быть и плотность всех ядер

имеющая порядок 100 млн При такой плотности шар радиусом обладал бы весом земного шара.

Величина радиусов ядер свидетельствует о том, что ядро состоит из протонов и нейтронов, а электронов в их составе нет.

Это видно из сравнения размеров ядер и длины волн де Бройля для электронов. Для того чтобы электрон имел дебройлевскую длину волны порядка размера ядра, его энергия должна измеряться сотнями Электроны такой энергии не могут быть удержаны ядром.

Действительно, энергию Екул кулоновского притяжения электрона к ядру можно грубо оценить следующим образом. Пусть ядра равно 60 (среднетяжелые ядра), тогда

Как будет показано ниже, средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, равна примерно Электрон с энергией, меньшей или равной энергии кулоновского притяжения, имеет дебройлевскую длину волны по крайней мере на порядок больше радиуса ядра и не может находиться в нем.

Состав и характеристика атомного ядра .

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон . Протоно (p) обладает зарядом +eи массой

m p = 938,28 МэВ

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

m e = 0,511 МэВ

Из сопоставления и следует, что m p = 1836m e

Протон имеет спин, равный половине (s= ), и собственный магнитный момент

Единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μ я в 1836 раз меньше магнетона Бора μ б. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон . Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физи­ком

Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса

m n = 939,57МэВ

очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона (m n –m p)

составляет 1,3 МэВ, т.е. 2,5 m e .

Нейтрон обладает спином, равным половине (s= ) и (не­смотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

μ n = - 1,91μ я

(знак минус указывает на то, что направления собственных механи­ческого и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.

Отметим, что отношение экспериментальных значений μ p и μ n с большой степенью точности равно - 3/2 . Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e -) и еще одну частицу, называемую антинейтрино
. Период полураспада (т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схе­му распада можно написать следующим образом:

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы прото­на на 2,5m e . Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения на 1,5m e , т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра . Одной из важнейших характерис­тик атомного ядра является зарядовое числоZ. Оно равно коли­честву протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Z e . ЧислоZопределяет порядковый номер химичес­кого элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его так­же называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N=A–Z.

Для обозначения ядер применяется символ

где под Xподразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента

Ядра с одинаковым Z, но разными А называютсяизотопами . Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:

, у олова - десять, и т.д.

Водород имеет три изотопа:

– обычный водород, или протий (Z=1, N=0),

– тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),

– тритий (Z=1, N=2).

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами . В качестве примера можно привести
и
. Ядра с одинако-­ вым числом нейтроновN = A – Z носят названиеизотонов (
,
).Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковымиZ и A, отличающиеся периодом полураспада. Они называютсяизомерами . Напри-­ мер, имеются два изомера ядра
, у одного из них период полу­-распада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, осталь­ные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от1до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, Z = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы (сZ от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различ­ных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es),фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученыхII. и М. Кюри, А. Эйнштейна, З. Ферми и Д.И. Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика И.В. Курчатова.

Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реак­ций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым

Н.Н. Флеровым и его сотрудниками.

Размеры ядер . В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

(ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, рав­ной

10 -13 см). Из формулы следует, что объем ядра пропорцио­нален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра . Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядерJне превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т.е. ядро с четным числом протонов и четным чис­лом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра M J складывается с моментом электрон­ной оболочки
в полный момент импульса атомаM F , который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям M J и
(т.е. различнымF), имеют немного отли­чающуюся энергию. Взаимодействием моментов μ L иμ S обусловлива­ется тонкая структура спектров. Взаимодействиемμ J и определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщеп­ление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

Размеры ядер.

Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов. Средняя плотность числа р нуклонов в ядре (их число в единице объёма) для всех многонуклонных ядер (A > 0) практически одинакова. Это означает, что объём ядра пропорционален числу нуклонов А, а его линейный размер ~А1/3. Эффективный радиус ядра R определяется соотношением:

R = а A1/3, (2)

где константа а близка к Гц, но отличается от него и зависит от того, в каких физических явлениях измеряется R. В случае так называемого зарядового радиуса ядра, измеряемого по рассеянию электронов на ядрах или по положению энергетических уровней m-мезоатомов: а = 1,12 ф. Эффективный радиус, определённый из процессов взаимодействия адронов (нуклонов, мезонов, a-частиц и др.) с ядрами, несколько больше зарядового: от 1,2 ф до 1,4 ф.

Плотность ядерного вещества фантастически велика сравнительно с плотностью обычных веществ: она равна примерно 1014 г/см3. В ядре r почти постоянно в центральной части и экспоненциально убывает к периферии. Для приближённого описания эмпирических данных иногда принимают следующую зависимость r от расстояния r от центра ядра:

Эффективный радиус ядра R равен при этом R0 + b. Величина b характеризует размытость границы ядра, она почти одинакова для всех ядер (» 0,5 ф). Параметр r0 - удвоенная плотность на «границе» ядра, определяется из условия нормировки (равенства объёмного интеграла от р числу нуклонов А). Из (2) следует, что размеры ядер варьируются по порядку величины от 10-13 см до 10-12 см для тяжёлых ядер (размер атома ~ 10-8 см). Однако формула (2) описывает рост линейных размеров ядер с увеличением числа нуклонов лишь огрублённо, при значительном увеличении А. Изменение же размера ядра в случае присоединения к нему одного или двух нуклонов зависит от деталей структуры ядра и может быть иррегулярным. В частности (как показали измерения изотопического сдвига атомных уровней энергии), иногда радиус ядра при добавлении двух нейтронов даже уменьшается.

Энергия связи и масса ядра.

Энергией связи ядра xсв называется энергия, которую необходимо затратить на расщепление ядра на отдельные нуклоны. Она равна разности суммы масс входящих в него нуклонов и массы ядра, умноженной на c2:

xсв = (Zmp + Nmn - М) c2. (4)

Здесь mp, mn и M - массы протона, нейтрона и ядра. Замечательной особенностью ядер является тот факт, что xсв приблизительно пропорциональна числу нуклонов, так что удельная энергия связи xсв/А слабо меняется при изменении А (для большинства ядер xсв/А » 6-8 Мэв). Это свойство, называемое насыщением ядерных сил, означает, что каждый нуклон эффективно связывается не со всеми нуклонами ядра (в этом случае энергия связи была бы пропорциональна A2 при A»1), а лишь с некоторыми из них. Теоретически это возможно, если силы при измененном расстоянии изменяют знак (притяжение на одних расстояниях сменяется отталкиванием на других). Объяснить эффект насыщения ядерных сил, исходя из имеющихся данных о потенциале взаимодействия двух нуклонов, пока не удалось (известно около 50 вариантов ядерного межнуклонного потенциала, удовлетворительно описывающих свойства дейтрона и рассеяние нуклона на нуклоне; ни один из них не может описать эффект насыщения ядерных сил в многонуклонных ядрах).

Независимость плотности р и удельной энергии связи ядер от числа нуклонов А создаёт предпосылки для введения понятия ядерной материи (безграничного ядра). Физическими объектами, отвечающими этому понятию, могут быть не только макроскопические космические тела, обладающие ядерной плотностью (например, нейтронные звёзды), но, в определённом аспекте, и обычные ядра с достаточно большими А.

Здесь первое (и наибольшее) слагаемое определяет линейную зависимость xсв от A; второй член, уменьшающий xсв, обусловлен тем, что часть нуклонов находится на поверхности ядра. Третье слагаемое - энергия электростатического (кулоновского) отталкивания протонов (обратно пропорциональна радиусу ядра и прямо пропорциональна квадрату его заряда). Четвёртый член учитывает влияние на энергию связи неравенства числа протонов и нейтронов в ядре, пятое слагаемое d(A, Z) зависит от чётности чисел А и Z; оно равно:

Эта сравнительно небольшая поправка оказывается, однако, весьма существенной для ряда явлений и, в частности, для процесса деления тяжёлых ядер. Именно она определяет делимость ядер нечётных по А изотопов урана под действием медленных нейтронов, что и обусловливает выделенную роль этих изотопов в ядерной энергетике. Все константы, входящие в формулу (5), подбираются так, чтобы наилучшим образом удовлетворить эмпирическим данным. Оптимальное согласие с опытом достигается при e = 14,03 Мэв, a = 13,03 Мэв, b = 0,5835 Мэв, g= 77,25 Мэв. Формулы (5) и (6) могут быть использованы для оценки энергий связи ядер, не слишком удалённых от полосы стабильности ядер. Последняя определяется положением максимума xсв как функции Z при фиксированном А. Это условие определяет связь между Z и А для стабильных ядер:

Z=A (1,98+0,15A2/3)-1 (7)

Формулы типа (5) не учитывают квантовых эффектов, связанных с деталями структуры ядер, которые могут приводить к скачкообразным изменениям xсв вблизи некоторых значений А и Z (см. ниже).

Структурные особенности в зависимости xсв от A и Z могут сказаться весьма существенно в вопросе о предельном возможном значении Z, т. е. о границе периодической системы элементов. Эта граница обусловлена неустойчивостью тяжёлых ядер относительно процесса деления. Теоретические оценки вероятности спонтанного деления ядер не исключают возможности существования «островов стабильности» сверхтяжёлых ядер вблизи Z = 114 и Z = 126.

Квантовые характеристики ядер.

Я. а. может находиться в разных квантовых состояниях, отличающихся друг от друга значением энергии и других сохраняющихся во времени физических величин. Состояние с наименьшей возможной для данного ядра энергией называется основным, все остальные - возбуждёнными. К числу важнейших квантовых характеристик ядерного состояния относятся спин I и чётность Р. Спин I - целое число у ядер с чётным А и полуцелое при нечётном. Чётность состояния Р = ± 1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отображении пространства. Эти две характеристики часто объединяют единым символом IP или I±. Имеет место следующее эмпирическое правило: для основных состояний ядер с чётными А и Z спин равен 0, а волновая функция чётная (IP = 0+). Квантовое состояние системы имеет определённую чётность Р, если система зеркально симметрична (т. е. переходит сама в себя при зеркальном отражении). В ядрах зеркальная симметрия несколько нарушена из-за наличия слабого взаимодействия между нуклонами, не сохраняющего чётность (его интенсивность по порядку величины ~ 10-5% от основных сил, связывающих нуклоны в ядрах). Однако обусловленное слабым взаимодействием смешивание состояний с разной чётностью мало и практически не сказывается на структуре ядер.

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом .
В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы , у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z {\displaystyle 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 {\displaystyle 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 {\displaystyle A} ( A = N + Z {\displaystyle 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 возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

Строение атомного ядра. Ядерные силы

Ядерные силы Энергия связи частиц в ядре Деление ядер урана Цепная реакция

Строение атомного ядра Ядерные силы

Химия. Строение атома: Атомное ядро. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

Ядерные реакции

Субтитры

История

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого 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 ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого 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. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена .

Теории строения атомного ядра

В процессе развития физики выдвигались различные гипотезы строения атомного ядра; тем не менее, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели могут взаимоисключать друг друга.

Наиболее известными являются следующие:

• Капельная модель ядра - предложена в 1936 году Нильсом Бором .
• Оболочечная модель ядра - предложена в 30-х годах XX века.
• Обобщённая модель Бора - Моттельсона
• Кластерная модель ядра
• Модель нуклонных ассоциаций
• Сверхтекучая модель ядра
• Статистическая модель ядра

Ядерно-физические характеристики

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

1 / λ = a Z − b {\displaystyle {\sqrt {1/\lambda }}=aZ-b} , где

A {\displaystyle a} и b {\displaystyle 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 .

Масса

Из-за разницы в числе нейтронов A − Z {\displaystyle A-Z} изотопы элемента имеют разную массу M (A , Z) {\displaystyle M(A,Z)} , которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м. ), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида 12 C . Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида - это масса нейтрального атома . Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы . Согласно соотношению Эйнштейна , каждому значению массы M {\displaystyle M} соответствует полная энергия:

E = M c 2 {\displaystyle E=Mc^{2}} , где c {\displaystyle c} - скорость света в вакууме .

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

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 {\displaystyle E_{1}=1,660539\cdot 10^{-27}\cdot (2,997925\cdot 10^{8})^{2}=1,492418\cdot 10^{-10}} , E 1 = 931 , 494 {\displaystyle E_{1}=931,494} .

Радиус

Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:

R = r 0 A 1 / 3 {\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}} ,

где - константа.

Так как радиус ядра не является чисто геометрической характеристикой и связан прежде всего с радиусом действия ядерных сил , то значение r 0 {\displaystyle r_{0}} зависит от процесса, при анализе которого получено значение R {\displaystyle R} , усреднённое значение r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 {\displaystyle r_{0}=1,23\cdot 10^{-15}} м, таким образом радиус ядра в метрах :

R = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 {\displaystyle R=1,23\cdot 10^{-15}A^{1/3}} .

Моменты ядра

Как и составляющие его нуклоны, ядро имеет собственные моменты.

Спин

Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным 1 / 2 {\displaystyle 1/2} , то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения ℏ {\displaystyle \hbar } (постоянная Дирака). Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.

Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких ℏ {\displaystyle \hbar } , что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д. .

Магнитный момент

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов . Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов , поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами , наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса .

Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона .

Электрический квадрупольный момент

Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольные моменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина (веретенообразное тело), и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина (чечевицеобразное тело). Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии у электрического поля , создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры , расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента .

Энергия связи

Устойчивость ядер

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми A {\displaystyle A} энергетически выгоден процесс слияния - термоядерный синтез , приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими A {\displaystyle A} - процесс деления . В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики , а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что устойчивость ядер также существенно зависит от параметра N / Z {\displaystyle N/Z} - отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 {\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^{2/3}} , поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при N ≈ Z {\displaystyle N\approx Z} , а с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону N > Z {\displaystyle N>Z} (см. поясняющий рисунок ).

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениям Z {\displaystyle Z} и N {\displaystyle N} . Все ядра с нечётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов 1 2 H {\displaystyle {}_{1}^{2}{\textrm {H}}} , 3 6 Li {\displaystyle {}_{3}^{6}{\textrm {Li}}} , 5 10 B {\displaystyle {}_{5}^{10}{\textrm {B}}} , 7 14 N {\displaystyle {}_{7}^{14}{\textrm {N}}} . Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных A {\displaystyle A} часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее - нечётно-нечётные. Это явления свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами , что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от A {\displaystyle A} .

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов .

Ядерные силы

Ядерные силы - это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами .

Уровни ядра

В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения (так называемый непрерывный спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике , могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро - система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным . Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние .

Расположение энергетических уровней ядра в первом приближении:

D = a e − b E ∗ {\displaystyle D=ae^{-b{\sqrt {E^{*}}}}} , где:

D {\displaystyle D} - среднее расстояние между уровнями,