какой знак имеет заряд атомного ядра

Какой знак имеет заряд атомного ядра

Заряд, масса, размер и состав атомного ядра

Щелкните по ссылке » Физика атомного ядра «, чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд.

Заряд ядра равен Ze, где e – заряд протона, Z– зарядовое число, равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N. Как правило Z > N.

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом. Ядра с одинаковым Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z, называются изобарами.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R₀ = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами, т.к. имеют спин ħ/2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра:

где I – внутреннее (полное) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ) и подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна (бозоны). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ) и подчиняются статистике Ферми–Дирака (т.е. ядра – фермионы).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетонμ_яд:

Ядерный магнетон в m_p/m_e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ_яд – ядерное гиромагнитное отношение.

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ_n ≈ – 1,913μ_яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ_р ≈ 2,793μ_яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b

Источник

Как атомное ядро устроено в физике

Что такое атомное ядро — теории строения

В 1911 году британский физик Э. Резерфорд заявил об открытии, перевернувшее представления о химии не только общества философов, перед которым выступал ученый, но и всего научного мира.

В докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» Резерфорд говорил об:

«…атоме, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».

Открытие атомного ядра послужило началом для ядерной физики, изучающей свойства атомных ядер химических элементов.

Современное определение атомного ядра звучит так:

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена его основная масса.

Атомное ядро состоит из элементарных частиц:

Наука воспринимает атомное ядро как физический объект с характерными для него свойствами. Теоретическое описание модели атомного ядра практически не представляется возможным из-за малого размера частиц, составляющих атом. Из-за этого появляется множество представлений о строении атомного ядра, некоторые из которых могут взаимоисключать, противоречить или дополнять друг друга.

Теории строения атомного ядра:

Предложена Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапоном в 1932 году, дополнена М. Гепперт-Майер и Х. Йенесоном в 1949 году.

Модель ядра представляет собой систему протонов и нейтронов, которые движутся в усредненном поле независимо друг от друга из-за силовых воздействий от других нуклонов.

Отрицательные частицы заполняют электронные оболочки до предела, а дальше электроны продолжают присоединяться со значительным понижением энергии связи.

Теория является неполной из-за невозможности объяснения деформированных ядер.

Предложена Н. Бором в 1936 году.

Согласно данной теории, ядро по форме представляет собой сферическую равномерно заряженную каплю, которая напоминает жидкость. Она обладает несжимаемостью, насыщением ядерных сил, испарением нуклонов.

Теория является макроскопической, не объясняя свойств и строение ядра на микроскопическом уровне.

Появление относится ко второй половине 30-х годов прошлого века.

Согласно теории, ядро представляет собой α-частичные кластера.

Теория подходит для описания некоторых легких ядер, но не пригодна для более сложных систем.

В 1936 году и в 1937 году была параллельно открыта Я. Френкелем и Л. Ландау.

Рассматривает модель атома с точки зрения уровней разного порядка, средние и тяжелые ядра на которых возбуждаются при высокой энергии, но расстояние между ними остается маленьким.

Открытие относится к 1952 году, когда О. Бор и Б. Моттельсон разработали свою систему на основе теории капельной модели строения атомного ядра.

По теории ядро образуется нуклонами заполненных электронных оболочек и окружается внешними нуклонами.

Также предложена в 1952 году О. Бором и Б. Моттельсоном. Объясняла некоторые особенности поведения ядер тем, что нуклоны, образующие ядро, могут деформироваться и становиться вытянутыми или сплюснутыми.

Предложена в 1958 году О. Бором и Дж. Валатином.

Согласно теории, спаривание нуклонов приводит к сверхтекучести ядерного вещества. Причина спаривания — взаимодействие частиц, которые движутся по индивидуальным орбитам.

Описывала причину сочетания вращения всего ядра с движением отдельных нуклонов. Согласно этой модели, ядро атома должно быть несферическим.

Ядро — полупрозрачная сфера, которая обладает определенным коэффициентом преломления и поглощения, а частица, попадающая в такую среду, испытывает все характерные для полупрозрачной оптической среды виды взаимодействия.

Ядро воспринимается как жидкая капля. Используется для объяснения спектра коллективных возбуждений сферических ядер.

Ядерно-физические характеристики

Важным понятием для определения ядерно-физических характеристик является понятие нуклида.

Нуклид — атом, который определяется четко установленным массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием. Нуклид имеет определенное время жизни, которое является достаточным для наблюдений и опытов.

К ядерно-физическим характеристикам относятся понятия:

Заряд Z атомного ядра определяется числом протонов, так же, как и порядковый номер химического элемента. Впервые заряд ядра в 1913 году определил английский физик Г. Мозли, сделавший вывод, что найденная в его опытах константа атома не может быть ничем другим, кроме как зарядом атомного ядра.

Для определения массы ядра необходимо из общей массы M вычесть все электроны.

Энергетический эквивалент массы вычисляется согласно соотношению Эйнштейна по формуле:

где c c — скорость света в вакууме.

Радиус ядра вычисляется соотношением:

где r 0 r 0 — константа.

Моменты ядра делятся на:

Собственный механический момент, или спин, является обязательной чертой нуклонов. Он равен ½, при этом ядра должны иметь механические моменты.

Число нуклонов некоторых химических элементов может быть очень велико, однако это не влияет на спины — их может быть небольшое количество из-за особенности взаимодействия одноименных нуклонов. Спины взаимно компенсируют друг друга, то есть пары всегда образуются между антипараллельными спинами.

Магнитные моменты возможны в природе благодаря изменению спинов. Магнитные моменты ядер малы из-за большой массы нуклонов, поэтому не могут идти в сравнение с магнитными моментами электронов. Магнитный момент четно-четных пар равен нулю, что характерно и для спинов.

Не все атомные ядра обладают спином больше единицы. Этой чертой обладают только ядра нечетно-нечетного состава. Такие ядра могут иметь электрические квадрупольные моменты, которые характеризуют ядра как несферические объекты.

Атомные ядра, испытывающие квадрупольные моменты бывают положительными и отрицательными.

Несферическая форма электрических полей позволяет образовываться новым электрическим уровням.

Экспериментально было доказано, что масса ядра стабильных ядер меньше суммы масс отдельных нуклонов. Это привело к образованию соотношения дефекта масс:

где m p m p и m n m n — массы свободного протона и нейтрона

Энергия связи ядра эквивалентна энергии дефекта масс:

где c c — скорость света в вакууме.

Состав, из каких частиц состоит

Атомное ядро состоит из:

Электроны e образуют электронную оболочку атома, но не входят в состав ядра. Заряд электрона отрицателен.

Число нейтронов и протонов

Протоны и нейтроны вместе имеют название нуклоны и определяются массовым числом A.

Число протонов и нейтронов может отличаться. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.

Заряд ядра

Зарядовое число Z определяется числом протонов p, которое также определяет число электронов в атоме и номер химического элемента в ПСХЭ.

Например, если взять углерод, то:

Синтез атомных ядер, выделение энергии

Слияние двух и более атомных ядер с последующим появлением нового ядра или различных элементарных частиц называется синтезом атомных ядер и происходит в результате ядерных реакций.

Синтез ядер в природе очень сложен, так как заряженные ядра имеют силы отталкивания — кулоновский барьер. Для синтеза ядер требуются силы извне, которые помогут сблизить ядра на расстояние порядка 10-15 м.

При проведении ядерных реакций и радиоактивного распада происходит выделение энергии, или выделение атомной/ядерной энергии.

Применение этой энергии происходит в условиях ядерной энергетики, на атомных энергетических станциях, в военных целях.

Источник