Атомное ядро, изотопы

Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Общее число протонов и нейтронов в ядре A = Z + N называют массовым числом.

Протон – это ядро простейшего атома – атома водорода. Он несет положительный элементарный заряд е.

Нейтрон – электрически нейтральная частица. Его масса близка к массе протона.

Протоны и нейтроны обозначают буквами р и n соответственно.

Химические свойства атомов зависят только от заряда ядра, т. е. от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с равными Z, но различными А обладают одинаковыми химическими свойствами. Такие атомы называют изотопами.

Природный элемент представляет собой смесь изотопов. Так, природный водород (Z = 1) состоит из двух изотопов: водорода
(А = 1) и дейтерия (А = 2).

Определенность состава ядра используют при обозначении ядер и изотопов в виде , где X – химический символ элемента, Z – порядковый номер элемента, А – массовое число ядра. Например, символическое обозначение одного из изотопов углерода . Ядро изотопа состоит из шести протонов и шести нейтронов. Изотопы водорода, как исключение, обозначают буквами без указания Z и А: водород Н (), дейтерий D (), искусственный изотоп водорода тритий Т (). Так как каждый элемент имеет определенный порядковый номер Z, то при обозначении ядер и изотопов этот номер часто опускают.

Ядра легких изотопов удобны для бомбардировки других ядер. Они получили специальные названия и обозначения: ядро водорода – протон (р), ядро дейтерия – дейтон (d), ядро трития – тритон (t), ядро He – a -частица (a).

Массу ядер, атомов и молекул измеряют в атомных единицах массы а. е. м., равной 1/12 массы изотопа :

1 а. е. м.= 1,66 ´ 10^–24 г.

Отношение массы атома (молекулы) к атомной единице массы называют относительной атомной (молекулярной) массой. По–своему определению эти величины не имеют размерности. Кратко их называют атомной (молекулярной) массой. Атомную массу обозначают буквой A, молекулярную – буквой μ.

По соотношению Эйнштейна W = M ´ c² атомной единице массы соответствует энергия 931 МэВ. Поэтому массу покоя частиц часто выражают в энергетических единицах. Так, масса электрона в единицах а. е. м.

m_е = 5,49 ´ 10^-4 а. е. м,

а в энергетических единицах:

m_е = 931 ´ 5,49 ´ 10^-4 = 0,51 МэВ.

Протоны и нейтроны удерживаются внутри ядра силами, называемыми ядерными. По своей интенсивности они намного мощнее электрических, магнитных и гравитационных сил. Ядерные силы относятся к короткодействующим, с радиусом действия около 10^–13 см. Они проявляются одинаково между протоном и протоном, нейтроном и нейтроном, нейтроном и протоном. Поэтому протоны и нейтроны называют нуклонами (ядерными частицами).

Энергия связи нуклона в ядре намного превышает энергию связи электрона в атоме. Наибольшая энергия связи электрона в K –оболочке тяжелых изотопов (A>200) составляет около 0,1 МэВ, в то время как энергия связи нуклона в ядре тех же изотопов – больше 7 МэВ. Следовательно, энергия связи нуклона в ядре более чем в 70 раз превосходит энергию связи электрона в атоме.

Ядро, как и атом, может находиться только в дискретных энергетических состояниях. В основном состоянии энергия покоя ядра минимальна. При получении определенной порции энергии ядро переходит на один из своих возбужденных уровней. Если энергия возбуждения ядра меньше энергии связи нуклона, то возбужденное ядро, переходя в основное состояние, испускает фотоны ядерного происхождения, которые называют γ -квантами. Если же энергия возбуждения ядра больше энергии связи нуклона, то наблюдаются два конкурирующих процесса. Возбужденное ядро может перейти в основное состояние путем выбрасывания одного или нескольких нуклонов или испускания γ -квантов. В первом случае происходит превращение одного ядра в другое, во втором состав ядра не изменяется.