Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 5 из 63)

2.2 Протонно-нейтронный состав ядер

Выдающееся открытие Д. И. Менделеевым в 1869 году периодического закона изменения химических свойств элементов послужило руководящей нитью в исследовании структуры атома. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева впервые нашли отражение сложность структуры атома и значимость массового числа А и порядкового номера Z элемента.

В 1911 году Э. Резерфорд обнаружил существование атомного ядра и обосновал планетарную теорию строения атома, согласно которой, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг ядра электронов, компенсирующих заряд ядра.

В 1913 году Нильс Бор выдвинул квантовую теорию строения электронных оболочек атомов. В последующие годы модель атома Резерфорда- Бора уточнялась и конкретизировалась.

Гипотеза Резерфорда была подтверждена экспериментально Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа - частиц при прохождении через различные вещества. Установленный закон рассеяния альфа- частиц позволял определять величину заряда ядер атомов данного элемента, так как интенсивность рассеяния зависит от квадрата заряда ядра. Заряды ядер были впервые определены именно методом рассеяния альфа- частиц, и в результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона. Впоследствии это предположение было подтверждено Мозли, который исследовал рентгеновские спектры элементов. В 1932 г. Д. Иваненко и одновременно с ним В. Гейзенберг впервые высказали предположение, что атомные ядра всех химических элементов имеют сложное строение и состоят из элементарных частиц двух типов: протонов и нейтронов. Вместе протоны и нейтроны атомного ядра называют нуклонами (т.е. ядерные частицы nucleus).

Важнейшими характеристиками протонов и нейтронов, как и других элементарных частиц, являются: масса покоя, заряд, спин (собственный механический момент движения) и среднее время жизни.

Протон (р) несет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Нейтрон(n) - также элементарная частица, масса которого лишь на 0.1% больше массы протона, а электрический заряд равен нулю. Массы протона и нейтрона выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.) 1а.е.м. равна 1/12 массы изотопа углерода^-12 и составляет [(1,66035±0,0003)10^-24г]:

m_p =1,00728а.е.м. = 1,672∙10^-27кг = 1836 m.е.

m_n = 1,00866а.е.м. = 1,675∙10^-27к = 1838 m.e.

Протон - стабильная частица – представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени.

Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино:

n = p⁺ + e^- +n

И протон, и нейтрон обладают собственным моментом количества движения ( спином), равным

в единицах .

Кроме механического момента, протон обладает собственным магнитным моментом: m_{0 =}

(магнетон Бора), который имеет положительный знак и направлен в ту же сторону, что и спин. Оказалось, что измеренный собственный магнитный момент протона в 2,8 раза больше теоретического.

Еще большей неожиданностью оказалось наличие магнитного момента у нейтрона, так как в целом он не имеет электрического заряда.

Объяснение того, что собственный магнитный момент протона почти в 3 раза больше теоретического, а у нейтрона обнаружен магнитный момент, следует искать в их собственной структуре, которая как оказалось только относительно элементарна.

Как показали эксперименты по рассеянию очень быстрых электронов, атомными ядрами нуклоны имеют сложную внутреннюю структуру и не могут претендовать на роль истинно элементарных (бесструктурных) частиц. Согласно теорииЮкавы основная часть массы нуклона (например, у нейтрона-75%) содержится в «ядре» большой плотности и радиусом около 2.10^{-16 м. «Ядро» окружают концентрические оболочки (мантии), образованные двумя быстрыми π – мезонами. Протон и нейтрон содержат положительный и отрицательный электрические заряды; в нейтроне они оба представлены в равных количествах, поэтому средний заряд нейтрона равен нулю, в протоне же имеется излишний положительный заряд.}

Рис. Юкава

2.3 Свойства атомного ядра

Важнейшими характеристиками ядра являются их заряд, масса и размеры.

2.3.1 ЗАРЯД, ЧИСЛО НУКЛОНОВ И МАССА ЯДРА

Заряд атомного ядра равняется количеству протонов в ядре, которое совпадает с порядковым номером элемента (Z) в таблице Д.И. Менделеева. Заряды ядер были впервые определены Резерфордом в 1911 г. методом рассеяния альфа- частиц атомными ядрами.

Рис. Эрнест Резерфорд

В результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона.

В 1913 г. Мозли предложил для определения Z более простой способ определения заряда ядра. Исследовав рентгеновские спектры элементов, Мозли установил зависимость частоты ν характеристического рентгеновского излучения от порядкового номера элемента Z:

ν = const(Z-1)²

Таким образом, экспериментально было установлено, что заряд ядра, выраженный в единицах элементарного заряда, численно совпадает с порядковым номером элемента.

Заряд ядра, в силу нейтральности атома, в свою очередь определяет количество электронов в атоме. Поэтому в конечном итоге можно сделать вывод о том, что химические свойства атома определяются зарядом ядра и не зависят от его массы.

Другой важной характеристикой атомного ядра является его масса.

Массы атомных ядер, выраженные в обычных единицах массы, весьма малы и их обычно выражают в других единицах. В ядерной физике за одну атомную единицу массы (а.е.м.) принята 1/12 часть массы нейтрального изотопа углерода ¹²С, равной 12,000000 а.е.м. Значение а.е.м. в граммах составляет 1,66∙10^-24 г= 1,66∙10^{-27 кг. Точные значения атомных масс экспериментально определяются с помощью масс-спектрометрической техники.}

Так как, согласно уравнению Эйнштейна,

Е=mc² (2.1)

масса эквивалентна энергии, массу ядра можно выразить вместо атомных единиц массы в единицах энергии, принимая, что

1 а.е.м.=1,4923∙10^-10 Дж=931,5 Мэв.

Массу ядра следовало бы вычислять как сумму масс протонов и нейтронов, которые составляют ядро. Однако точное определение массы ядра показало, что экспериментально полученные значения массы всегда меньше значений, вычисленных как сумма масс частиц, составляющих ядро.

При изучении строения ядра следует различать два понятия: масса ядра, выражаемая в атомных единицах массы (а.е.м.) и число нуклоновА. Число нуклонов А равно сумме протонов и нейтронов в ядре.

А= (Sp +Sn) (2.2)

Значения А и Z являются главнейшими характеристиками ядра, определяющими его природу.

И так, символ Z и его числовое значение одновременно обозначают следующие физические величины:

1. Число протонов в атомном ядре;

2. Электрический заряд ядра;

3. Число электронов на всех оболочках атома;

4. Порядковый номер элемента в таблице периодического закона Д.И. Менделеева.

2.3.2 РАЗМЕРЫ ЯДЕР

Первое измерение размеров ядра было выполнено Резерфордом в 1911 году по рассеянию альфа- частиц на ядрах. В дальнейшем были разработаны и другие методы измерений размеров ядра, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) атомными ядрами.

При анализе опытов по рассеянию заряженных частиц или по поглощению нейтронов под радиусом ядра понимается такое расстояние от его центра, на котором помимо сил кулоновского отталкивания, начинают действовать специфические ядерные силы, вызывающие притяжение частицы к ядру. Проведенные измерения показали, что ядра атомов всех элементов имеют размеры порядка 10^-15−10^{-14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома. Все упомянутые методы позволяют определить то расстояние R от центра ядра, в пределах которого действуют ядерные силы.}

Если ядро в первом приближении считать шарообразным, то согласно экспериментальным данным, его радиус

R=r₀ ּA^1/3, (2.3)

где А – число нуклонов в ядре, r₀ - постоянная величина равная (1,2-1,5) ּ10^-15м. Если считать, что объем ядра приблизительно равен

V= R³, (2.4)

тогда объем V пропорционален массовому числу –A, стало быть, плотность ядра является константой r=A/V, т. е. плотности всех ядер примерно одинаковы. Это указывает на практическую несжимаемость ядерного вещества и плотную упаковку нуклонов в ядре.

2.3.3 ИЗОТОПЫ, ИЗОБАРЫ, ИЗОТОНЫ

Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.

Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” ( число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,

Х, H, Ba, U, Na