Состав ядра. Экспериментально установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы называют нуклонами.
Протон (р) обладает положительным зарядом $е$ и массой
\[
m_{p}=\left\{\begin{array}{l}
1836,15 m_{e} \\
1,00759 \text { а.е. м. } \\
938,28 \text { МэВ, }
\end{array}\right.
\]

где $m_{e}$ – масса электрона, а.е.м. – атомная единица массь*. Здесь же приведено значение массы протона и в энергетических единицах (как принято в ядерной физике).
Протон имеет спин $s=1 / 2$ и собственный магнитный момент
\[
\mu_{p}=2,793 \mu_{s},
\]

где $\mu_{\text {я }}$ – ядерный магнетон (единица, в которой измеряют магнитные моменты нуклонов):
\[
\mu_{\mathrm{r}}=\frac{e \hbar}{2 m_{p} c}=5,05 \cdot 10^{-24} \text { эрг/Гс. }
\]

Ядерный магнетон в 1836 раз меньше магнетона Бора, т. е. собственный магнитный момент протона в 660 раз меньше магнитного момента электрона.

Нейтрон (n). Его электрический заряд равен нулю, а масса близка к массе протона:
\[
m_{n}=\left\{\begin{array}{l}
1838,68 m_{e} \\
1,00898 \text { а.е. м. } . \\
939,55 \text { МэВ, }
\end{array}\right.
\]

что на $0,14 \%$ или $2,5 m_{e}$ больше массы протона.
* Атомная единица массы равна $1 / 12$ массы нейтрального атома ${ }^{12} \mathrm{C}$, т. е. 1 а.е.м. $=1,66 \cdot 10^{-24}$ г или 931,50 МэВ.

Спин нейтрона $s=1 / 2$ и, несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон имеет магнитный момент
\[
\mu_{n}=-1,91 \mu_{\text {s }} .
\]

Знак минус означает, что «направления\” спина и магнитного момента у нейтрона взаимно противоположны.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон и еще одну частицу, нейтрино* $(v)$ :
\[
n \rightarrow p+e+v .
\]

Период полураспада (время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равно примерно 12 мин.

Характеристики атомного ядра. Основными величинами, характеризующими атомное ядро, являются зарядовое $Z$ и массовое $A$ числа. Число $Z$ равно количеству протонов в ядре и определяет его электрический заряд $Z e$. Его также называют атомным номером. Массовое число $A$ определяет число нуклонов в ядре. Число же нейтронов в ядре $N=A-Z$.
Символически эти характеристики ядра обозначают так:
\[
{ }_{Z}^{A} X,
\]

где под $X$ имеется в виду химический символ элемента, которому принадлежит данное ядро, например, ${ }_{1}^{2} \mathrm{H},{ }_{2}^{4} \mathrm{He},{ }_{92}^{238} \mathrm{U}$ и т. д. Поскольку $Z$ определяется местом элемента в периодической системе, число $Z$ в символическом обозначении (8.2) часто не указывают.

В соответствии с общепринятой терминологией конкретные атомы с данным числом протонов и нейтронов в ядре принято называть нуклидами. Нуклиды с одинаковым числом протонов (т. е. принадлежащие одному химическому элементу) называют изотопами.

Атомы изотопов обладают практически очень близкими физико-химическими свойствами. Это связано с тем, что на строение электронной оболочки атома ядро влияет в основном толь-
* В дальнейшем вопрос об этой частице будет уточнен.

ко своим электрическим полем. У изотопов же эти поля одинаковы, за исключением некоторых случаев. Сильнее всего это различие у трех нуклидов: ${ }_{1}^{1} \mathrm{H},{ }_{1}^{2} \mathrm{H}$, и ${ }_{1}^{3} \mathrm{H}$, ядра которых также существенно отличаются друг от друга. Поэтому этим трем нуклидам присвоены разные названия – соответственно обычный водород, дейтерий и тритий, а ядра дейтерия и трития дейтрон (d) и тритон ( $t$ ).

У разных атомов число изотопов различно, среди них имеются стабильные и радиоактивные.

Размеры ядер. У атомного ядра (как и у всякой квантовой системы) нет четко определенной границы. В экспериментах по рассеянию электронов и нуклонов на ядрах установлено, что в каждом ядре имеется внутренняя область, в которой плотность $\rho$ ядерного вещества практически постоянна, и поверхностный слой, где эта плотность падает до нуля. Типичное распределение концентрации нуклонов в зависимости от расстояния до центра ядра, т. е. $n(r)$ показано на рис. 8.1, где $r_{0}$ – радиус ядра – расстояние от центра ядра, на котором концентраРис. 8.1 ция нуклонов падает в два раза.

В первом приближении ядро можно считать сферическим радиуса
\[
r_{0}=(1,2 \div 1,3) \mathrm{A}^{1 / 3} \phi м,
\]

где 1 фм $=10^{-13}$ см. Из этой формулы вытекает важный вывод: масса ядра, определяемая массовым числом $A$, пропорциональна его объему $V$, поскольку $V \sim r_{0}^{3} \sim A$. Следовательно, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова и, как показывает расчет, равна $\rho \approx 2 \cdot 10^{14} \mathrm{r} / \mathrm{cm}^{3}$ – величина, весьма впечатляющая!

Спин ядра I. Он слагается из спинов нуклонов и их орбитальных моментов. Напомним, что при определении спина называют одно число, которым указывается максимальная проекция спина на произвольную ось $Z$.

Спин нуклона равен $1 / 2$, поэтому спин $I$ ядра может быть как целым, так и полуцелым – в зависимости от числа нуклонов, четного или нечетного.

В основных состояниях всех стабильных ядер $I \leqslant 9 / 2$. Это указывает на то, что моменты импульса большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь «антипараллельно». У всех ядер с четными числами протонов и нейтронов спин основного состояния $I=0$.

Со спином ядра связан магнитный момент. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к дополнительному расщеплению энергетических уровней, в результате чего линии тонкой структуры испытывают в свою очередь расщепление – наблюдается так называемая сверхтонкая структура спектральных линий. Соответствующее расщепление весьма мало (порядка нескольких тысячных нм), и его можно наблюдать лишь с помощью спектральных приборов очень высокой разрешающей способности (например, интерферометрами Фабри-Перо).