1.3.1. Ядро будь-якого атома має складну структуру і складається з частинок, які називають нуклонами. Відомо два типи нуклонів - протони й нейтрони.
Протони - нуклони масою 1 а. о. м. з позитивним зарядом, що дорівнює одиниці, тобто елементарному заряду електрона.
Нейтрони - електронейтральні нуклони масою 1 а. о. м.
*) Строго кажучи, маси спокою протонів і нейтронів дещо відрізняються: mp= 1.6726 .10-24 г, а mn= 1.67439 .10-24 г. Про цю відмінність мова буде далі.
1.3.2. Оскільки маса ядра практично дорівнює A, заряд ядра - z, а маси протона й нейтрона практично рівні, за таких уявлень слід прийняти як належне, що ядро електронейтрального стійкого атома складається з z протонів і (A - z) нейтронів. Отже, атомний номер елемента - це не що інше, як протонний заряд ядра атома, виражений в елементарних зарядах електрона. Іншими словами, z - це кількість протонів у ядрі атома.
1.3.3. Наявність у ядрі протонів (частинок з електричним зарядом одного знака) внаслідок кулонівських сил відштовхування між ними мала б призвести до розльоту нуклонів. У реальності цього не відбувається. Існування в природі безлічі стійких ядер призводить до висновку про існування між нуклонами ядра потужніших, ніж кулонівські, ядерних сил притягання, які, долаючи кулонівське відштовхування протонів, стягують нуклони в стійку структуру - ядро.
1.3.4. Розміри ядер атомів, визначені за формулою (1.4), є величинами порядку 10-13см. Звідси перша властивість ядерних сил (на відміну від кулонівських, гравітаційних та інших) - короткодія: ядерні сили діють лише на малих відстанях, співмірних за порядком величини з розмірами самих нуклонів.
Навіть не знаючи точно, що за матеріальне утворення являє собою протон або нейтрон, можна оцінити їхні ефективні розміри як діаметр сфери, на поверхні якої ядерне притягання двох сусідніх протонів зрівноважується їхнім кулонівським відштовхуванням. Експерименти на прискорювачах із розсіяння електронів ядрами дали змогу оцінити ефективний радіус нуклона Rн ≈ 1.21 .10-13см.
1.3.5. З короткодії ядерних сил випливає друга їхня властивість, яку стисло називають насиченням. Це означає, що будь-який нуклон ядра взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з обмеженою кількістю нуклонів, які є його безпосередніми сусідами.
1.3.6. Третя властивість ядерних сил - їхня рівнодія. Оскільки припускається, що сили взаємодії між нуклонами обох видів є силами однієї природи, то тим самим постулюється, що на рівних відстанях порядку 10-13 см два протони, два нейтрони або протон із нейтроном взаємодіють однаково.
1.3.7. Протон у вільному стані (тобто поза атомними ядрами) стабільний. Нейтрон у вільному стані довго існувати не може: він зазнає розпаду на протон, електрон і антинейтрино з періодом напіврозпаду T1/2 = 11.2 хв. за схемою:
0n1→1p1 + -1e + n
*) Антинейтрино (n) - електронейтральна частинка матерії з нульовою масою спокою.
1.3.8. Отже, будь-яке ядро вважається повністю індивідуалізованим, якщо відомі дві його основні характеристики - кількість протонів z і масове число A, оскільки різниця (A - z) визначає кількість нейтронів у ядрі. Індивідуалізовані ядра атомів прийнято в загальному випадку називати нуклідами.
Серед безлічі нуклідів (а їх нині відомо понад 2000 - природних і штучних) є такі, у яких одна з двох згаданих характеристик однакова, а інша – відрізняється за величиною.
Нукліди з однаковим z (кількістю протонів) називають ізотопами. Оскільки атомний номер визначає відповідно до Періодичного закону Д.І.Менделєєва індивідуальність лише хімічних властивостей атома елемента, про ізотопи завжди говорять із посиланням на відповідний хімічний елемент у Періодичній системі.
Наприклад, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U, 239U - усе це ізотопи урану, який у Періодичній системі елементів має порядковий номер z = 92.
Ізотопи будь-якого хімічного елемента, як бачимо, мають однакову кількість протонів, але різні кількості нейтронів.
Нукліди однакової маси (A), але з різними зарядами z називають ізобарами. Ізобари, на відміну від ізотопів, - нукліди різних хімічних елементів.
Приклади. 11B5 і 11C4 - ізобари нуклідів бору та вуглецю; 7Li3 і 7Be4 - ізобари нуклідів літію та берилію; 135J53, 135Xe54 і 135Cs55 - також є ізобарами йоду, ксенону та цезію відповідно.
1.3.9. З формули (1.4) можна оцінити густину нуклонів у ядрах і масову густину ядерної речовини. Вважаючи ядро сферою з радіусом R і з кількістю нуклонів в її об'ємі, що дорівнює A, кількість нуклонів в одиниці об'єму ядра знайдемо як:
Nн = A/Vя = 3A/4pR3 = 3A/4p(1.21 .10-13A 1/3)3 = 1.348 .1038 нукл/см3,
а, оскільки маса одного нуклона дорівнює 1 а. о. м. = 1.66056.10-24 г, то густина ядерної речовини знайдеться як:
γяр= Nmн= 1.348 .1038 .1.66056 .10-24 ≈ 2.238 .1014 г/см3.= 223 800 000 т/см3
Порядок наведеного розрахунку свідчить про те, що густина ядерної речовини однакова в ядрах усіх хімічних елементів.
Об'єм. що припадає на 1 нуклон у ядрі, Vя/A = 1/N = 1/1.348 .1038 = 7.421 .10-39см3
- також однаковий для всіх ядер, тому середня відстань між центрами сусідніх нуклонів у будь-якому ядрі (яку можна умовно назвати середнім діаметром нуклона) дорівнюватиме
Dн = (Vя)1/3 = (7.421 .10-39)1/3 = 1.951 .10-13 см.
1.3.10. Про щільність розташування протонів і нейтронів у ядрі атома донині відомо мало. Оскільки протони, на відміну від нейтронів, зазнають дії не лише ядерного та гравітаційного притягання, а й кулонівського відштовхування, можна припустити, що протонний заряд ядра більш-менш рівномірно розподілений по його поверхні.
Протони - нуклони масою 1 а. о. м. з позитивним зарядом, що дорівнює одиниці, тобто елементарному заряду електрона.
Нейтрони - електронейтральні нуклони масою 1 а. о. м.
*) Строго кажучи, маси спокою протонів і нейтронів дещо відрізняються: mp= 1.6726 .10-24 г, а mn= 1.67439 .10-24 г. Про цю відмінність мова буде далі.
1.3.2. Оскільки маса ядра практично дорівнює A, заряд ядра - z, а маси протона й нейтрона практично рівні, за таких уявлень слід прийняти як належне, що ядро електронейтрального стійкого атома складається з z протонів і (A - z) нейтронів. Отже, атомний номер елемента - це не що інше, як протонний заряд ядра атома, виражений в елементарних зарядах електрона. Іншими словами, z - це кількість протонів у ядрі атома.
1.3.3. Наявність у ядрі протонів (частинок з електричним зарядом одного знака) внаслідок кулонівських сил відштовхування між ними мала б призвести до розльоту нуклонів. У реальності цього не відбувається. Існування в природі безлічі стійких ядер призводить до висновку про існування між нуклонами ядра потужніших, ніж кулонівські, ядерних сил притягання, які, долаючи кулонівське відштовхування протонів, стягують нуклони в стійку структуру - ядро.
1.3.4. Розміри ядер атомів, визначені за формулою (1.4), є величинами порядку 10-13см. Звідси перша властивість ядерних сил (на відміну від кулонівських, гравітаційних та інших) - короткодія: ядерні сили діють лише на малих відстанях, співмірних за порядком величини з розмірами самих нуклонів.
Навіть не знаючи точно, що за матеріальне утворення являє собою протон або нейтрон, можна оцінити їхні ефективні розміри як діаметр сфери, на поверхні якої ядерне притягання двох сусідніх протонів зрівноважується їхнім кулонівським відштовхуванням. Експерименти на прискорювачах із розсіяння електронів ядрами дали змогу оцінити ефективний радіус нуклона Rн ≈ 1.21 .10-13см.
1.3.5. З короткодії ядерних сил випливає друга їхня властивість, яку стисло називають насиченням. Це означає, що будь-який нуклон ядра взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з обмеженою кількістю нуклонів, які є його безпосередніми сусідами.
1.3.6. Третя властивість ядерних сил - їхня рівнодія. Оскільки припускається, що сили взаємодії між нуклонами обох видів є силами однієї природи, то тим самим постулюється, що на рівних відстанях порядку 10-13 см два протони, два нейтрони або протон із нейтроном взаємодіють однаково.
1.3.7. Протон у вільному стані (тобто поза атомними ядрами) стабільний. Нейтрон у вільному стані довго існувати не може: він зазнає розпаду на протон, електрон і антинейтрино з періодом напіврозпаду T1/2 = 11.2 хв. за схемою:
0n1→1p1 + -1e + n
*) Антинейтрино (n) - електронейтральна частинка матерії з нульовою масою спокою.
1.3.8. Отже, будь-яке ядро вважається повністю індивідуалізованим, якщо відомі дві його основні характеристики - кількість протонів z і масове число A, оскільки різниця (A - z) визначає кількість нейтронів у ядрі. Індивідуалізовані ядра атомів прийнято в загальному випадку називати нуклідами.
Серед безлічі нуклідів (а їх нині відомо понад 2000 - природних і штучних) є такі, у яких одна з двох згаданих характеристик однакова, а інша – відрізняється за величиною.
Нукліди з однаковим z (кількістю протонів) називають ізотопами. Оскільки атомний номер визначає відповідно до Періодичного закону Д.І.Менделєєва індивідуальність лише хімічних властивостей атома елемента, про ізотопи завжди говорять із посиланням на відповідний хімічний елемент у Періодичній системі.
Наприклад, 233U, 234U, 235U, 236U, 238U, 239U - усе це ізотопи урану, який у Періодичній системі елементів має порядковий номер z = 92.
Ізотопи будь-якого хімічного елемента, як бачимо, мають однакову кількість протонів, але різні кількості нейтронів.
Нукліди однакової маси (A), але з різними зарядами z називають ізобарами. Ізобари, на відміну від ізотопів, - нукліди різних хімічних елементів.
Приклади. 11B5 і 11C4 - ізобари нуклідів бору та вуглецю; 7Li3 і 7Be4 - ізобари нуклідів літію та берилію; 135J53, 135Xe54 і 135Cs55 - також є ізобарами йоду, ксенону та цезію відповідно.
1.3.9. З формули (1.4) можна оцінити густину нуклонів у ядрах і масову густину ядерної речовини. Вважаючи ядро сферою з радіусом R і з кількістю нуклонів в її об'ємі, що дорівнює A, кількість нуклонів в одиниці об'єму ядра знайдемо як:
Nн = A/Vя = 3A/4pR3 = 3A/4p(1.21 .10-13A 1/3)3 = 1.348 .1038 нукл/см3,
а, оскільки маса одного нуклона дорівнює 1 а. о. м. = 1.66056.10-24 г, то густина ядерної речовини знайдеться як:
γяр= Nmн= 1.348 .1038 .1.66056 .10-24 ≈ 2.238 .1014 г/см3.= 223 800 000 т/см3
Порядок наведеного розрахунку свідчить про те, що густина ядерної речовини однакова в ядрах усіх хімічних елементів.
Об'єм. що припадає на 1 нуклон у ядрі, Vя/A = 1/N = 1/1.348 .1038 = 7.421 .10-39см3
- також однаковий для всіх ядер, тому середня відстань між центрами сусідніх нуклонів у будь-якому ядрі (яку можна умовно назвати середнім діаметром нуклона) дорівнюватиме
Dн = (Vя)1/3 = (7.421 .10-39)1/3 = 1.951 .10-13 см.
1.3.10. Про щільність розташування протонів і нейтронів у ядрі атома донині відомо мало. Оскільки протони, на відміну від нейтронів, зазнають дії не лише ядерного та гравітаційного притягання, а й кулонівського відштовхування, можна припустити, що протонний заряд ядра більш-менш рівномірно розподілений по його поверхні.