1.3.1. Ядро любого атома имеет сложную структуру и состоит из частиц, называемых нуклонами. Известно два типа нуклонов - протоны и нейтроны.
Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице, то есть элементарному заряду электрона.
Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.
*) Строго говоря, массы покоя протонов и нейтронов несколько отличаются: mp= 1.6726 .10-24 г, а mn= 1.67439 .10-24 г. Об этом различии речь впереди.
1.3.2. Так как масса ядра практически равна A, заряд ядра - z, а массы протона и нейтрона практически равны, при таких представлениях следует принять как должное, что ядро электронейтрального устойчивого атома состоит из z протонов и (A - z) нейтронов. Следовательно, атомный номер элемента - есть не что иное как протонный заряд ядра атома, выраженный в элементарных зарядах электрона. Другими словами, z - это число протонов в ядре атома.
1.3.3. Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом одного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. В реальности этого не происходит. Существование в природе множества устойчивых ядер приводит к выводу о существовании между нуклонами ядра более мощных, чем кулоновы, ядерных сил притяжения, которые, преодолевая кулоновское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.
1.3.4. Размеры ядер атомов, определенные по формуле (1.4), есть величины порядка 10-13см. Отсюда первое свойство ядерных сил (в отличие от кулоновых, гравитационных и других) - короткодействие: ядерные силы действуют только на малых расстояниях, сравнимых по порядку величины с размерами самих нуклонов.
Даже не зная точно, что за материальное образование представляет собой протон или нейтрон, можно оценить их эффективные размеры как диаметр сферы, на поверхности которой ядерное притяжение двух соседних протонов уравновешивается их кулоновским отталкиванием. Эксперименты на ускорителях по рассеянию ядрами электронов позволили оценить эффективный радиус нуклона Rн ≈ 1.21 .10-13см.
1.3.5. Из короткодействия ядерных сил вытекает второе их свойство, кратко именуемое насыщением. Это означает, что любой нуклон ядра взаимодействует не со всеми другими нуклонами, а лишь с ограниченным числом нуклонов, являющихся его непосредственными соседями.
1.3.6. Третье свойство ядерных сил - их равнодействие. Поскольку предполагается, что силы взаимодействия между нуклонами обоих видов являются силами одной природы, то тем самым постулируется, что на равных расстояниях порядка 10-13 см два протона, два нейтрона или протон с нейтроном взаимодействуют одинаково.
1.3.7. Протон в свободном состоянии (то есть вне атомных ядер) стабилен. Нейтрон в свободном состоянии длительно существовать не может: он претерпевает распад на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада T1/2 = 11.2 мин. по схеме:
0n1→1p1 + -1e + n
*) Антинейтрино (n) - электронейтральная частица материи с нулевой массой покоя.
1.3.8. Итак, любое ядро считается полностью индивидуализированным, если известны две его основные характеристики - число протонов z и массовое число A, поскольку разница (A - z) определяет число нейтронов в ядре. Индивидуализированные ядра атомов принято в общем случае называть нуклидами.
Среди множества нуклидов (а их в настоящее время известно более 2000 - естественных и искусственных) есть такие, у которых одна из двух упомянутых характеристик одинакова, а другая – отличается по величине.
Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Поскольку атомный номер определяет в соответствии с Периодическим Законом Д.И.Менделеева индивидуальность только химических свойств атома элемента, об изотопах всегда говорят со ссылкой на соответствующий химический элемент в Периодической Системе.
Например, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U, 239U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов имеет порядковый номер z = 92.
Изотопы любого химического элемента, как видим, имеют равное число протонов, но различные числа нейтронов.
Нуклиды равной массы (A), но с различными зарядами z называют изобарами. Изобары, в отличие от изотопов, - нуклиды различных химических элементов.
Примеры. 11B5 и 11C4 - изобары нуклидов бора и углерода; 7Li3 и 7Be4 - изобары нуклидов лития и бериллия; 135J53, 135Xe54 и 135Cs55 - также являются изобарами йода, ксенона и цезия соответственно.
1.3.9. Из формулы (1.4) можно оценить плотность нуклонов в ядрах и массовую плотность ядерного вещества. Считая ядро сферой с радиусом R и с количеством нуклонов в ее объёме, равным A, число нуклонов в единице объёма ядра найдём как:
Nн = A/Vя = 3A/4pR3 = 3A/4p(1.21 .10-13A 1/3)3 = 1.348 .1038 нукл/см3,
а, так как масса одного нуклона равна 1 а.е.м. = 1.66056.10-24 г, то плотность ядерного вещества найдётся как:
γяв= Nmн= 1.348 .1038 .1.66056 .10-24 ≈ 2.238 .1014 г/см3.= 223 800 000 т/см3
Порядок приведенного расчёта свидетельствует о том, что плотность ядерного вещества одинакова в ядрах всех химических элементов.
Объём, приходящийся на 1 нуклон в ядре, Vя/A = 1/N = 1/1.348 .1038 = 7.421 .10-39см3
- также одинаков для всех ядер, поэтому среднее расстояние между центрами соседних нуклонов в любом ядре (которое можно условно назвать средним диаметром нуклона) будет равно
Dн = (Vя)1/3 = (7.421 .10-39)1/3 = 1.951 .10-13 см.
1.3.10. О плотности расположения протонов и нейтронов в ядре атома до настоящего времени мало что известно. Поскольку протоны, в отличие от нейтронов, подвержены действию не только ядерного и гравитационного притяжения, но и кулоновского отталкивания, можно предположить, что протонный заряд ядра более или менее равномерно распределен по его поверхности.
Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице, то есть элементарному заряду электрона.
Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.
*) Строго говоря, массы покоя протонов и нейтронов несколько отличаются: mp= 1.6726 .10-24 г, а mn= 1.67439 .10-24 г. Об этом различии речь впереди.
1.3.2. Так как масса ядра практически равна A, заряд ядра - z, а массы протона и нейтрона практически равны, при таких представлениях следует принять как должное, что ядро электронейтрального устойчивого атома состоит из z протонов и (A - z) нейтронов. Следовательно, атомный номер элемента - есть не что иное как протонный заряд ядра атома, выраженный в элементарных зарядах электрона. Другими словами, z - это число протонов в ядре атома.
1.3.3. Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом одного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. В реальности этого не происходит. Существование в природе множества устойчивых ядер приводит к выводу о существовании между нуклонами ядра более мощных, чем кулоновы, ядерных сил притяжения, которые, преодолевая кулоновское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.
1.3.4. Размеры ядер атомов, определенные по формуле (1.4), есть величины порядка 10-13см. Отсюда первое свойство ядерных сил (в отличие от кулоновых, гравитационных и других) - короткодействие: ядерные силы действуют только на малых расстояниях, сравнимых по порядку величины с размерами самих нуклонов.
Даже не зная точно, что за материальное образование представляет собой протон или нейтрон, можно оценить их эффективные размеры как диаметр сферы, на поверхности которой ядерное притяжение двух соседних протонов уравновешивается их кулоновским отталкиванием. Эксперименты на ускорителях по рассеянию ядрами электронов позволили оценить эффективный радиус нуклона Rн ≈ 1.21 .10-13см.
1.3.5. Из короткодействия ядерных сил вытекает второе их свойство, кратко именуемое насыщением. Это означает, что любой нуклон ядра взаимодействует не со всеми другими нуклонами, а лишь с ограниченным числом нуклонов, являющихся его непосредственными соседями.
1.3.6. Третье свойство ядерных сил - их равнодействие. Поскольку предполагается, что силы взаимодействия между нуклонами обоих видов являются силами одной природы, то тем самым постулируется, что на равных расстояниях порядка 10-13 см два протона, два нейтрона или протон с нейтроном взаимодействуют одинаково.
1.3.7. Протон в свободном состоянии (то есть вне атомных ядер) стабилен. Нейтрон в свободном состоянии длительно существовать не может: он претерпевает распад на протон, электрон и антинейтрино с периодом полураспада T1/2 = 11.2 мин. по схеме:
0n1→1p1 + -1e + n
*) Антинейтрино (n) - электронейтральная частица материи с нулевой массой покоя.
1.3.8. Итак, любое ядро считается полностью индивидуализированным, если известны две его основные характеристики - число протонов z и массовое число A, поскольку разница (A - z) определяет число нейтронов в ядре. Индивидуализированные ядра атомов принято в общем случае называть нуклидами.
Среди множества нуклидов (а их в настоящее время известно более 2000 - естественных и искусственных) есть такие, у которых одна из двух упомянутых характеристик одинакова, а другая – отличается по величине.
Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Поскольку атомный номер определяет в соответствии с Периодическим Законом Д.И.Менделеева индивидуальность только химических свойств атома элемента, об изотопах всегда говорят со ссылкой на соответствующий химический элемент в Периодической Системе.
Например, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U, 239U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов имеет порядковый номер z = 92.
Изотопы любого химического элемента, как видим, имеют равное число протонов, но различные числа нейтронов.
Нуклиды равной массы (A), но с различными зарядами z называют изобарами. Изобары, в отличие от изотопов, - нуклиды различных химических элементов.
Примеры. 11B5 и 11C4 - изобары нуклидов бора и углерода; 7Li3 и 7Be4 - изобары нуклидов лития и бериллия; 135J53, 135Xe54 и 135Cs55 - также являются изобарами йода, ксенона и цезия соответственно.
1.3.9. Из формулы (1.4) можно оценить плотность нуклонов в ядрах и массовую плотность ядерного вещества. Считая ядро сферой с радиусом R и с количеством нуклонов в ее объёме, равным A, число нуклонов в единице объёма ядра найдём как:
Nн = A/Vя = 3A/4pR3 = 3A/4p(1.21 .10-13A 1/3)3 = 1.348 .1038 нукл/см3,
а, так как масса одного нуклона равна 1 а.е.м. = 1.66056.10-24 г, то плотность ядерного вещества найдётся как:
γяв= Nmн= 1.348 .1038 .1.66056 .10-24 ≈ 2.238 .1014 г/см3.= 223 800 000 т/см3
Порядок приведенного расчёта свидетельствует о том, что плотность ядерного вещества одинакова в ядрах всех химических элементов.
Объём, приходящийся на 1 нуклон в ядре, Vя/A = 1/N = 1/1.348 .1038 = 7.421 .10-39см3
- также одинаков для всех ядер, поэтому среднее расстояние между центрами соседних нуклонов в любом ядре (которое можно условно назвать средним диаметром нуклона) будет равно
Dн = (Vя)1/3 = (7.421 .10-39)1/3 = 1.951 .10-13 см.
1.3.10. О плотности расположения протонов и нейтронов в ядре атома до настоящего времени мало что известно. Поскольку протоны, в отличие от нейтронов, подвержены действию не только ядерного и гравитационного притяжения, но и кулоновского отталкивания, можно предположить, что протонный заряд ядра более или менее равномерно распределен по его поверхности.