Глава 4. АТОМНЫЕ ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

§ 19. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР

СОСТАВ И СТРУКТУРА ЯДЕР

Свойства атомных ядер определяются их составом и структурой

1) числами протонов и нейтронов в ядре;

2) свойствами этих частиц; характером взаимодействия между ними;

3) относительным расположением и движением протонов и нейтронов внутри ядра.

Протоны и нейтроны как составные части ядер объединены общим названием — нуклоны; есть число нуклонов в ядре.

Ядра принято обозначать химическим символом элемента, снабженным числами, указывающими содержание ядра, по схеме

Например, ядро натрия, содержащее 11 протонов и 12 нейтронов, записывается так:

Известно и изучено около 1300 ядер, из которых 267 являются стабильными. Большинство стабильных ядер имеют четные значения Из них 159 являются четно-четными, т. е. имеют одновременно четные и и ядра являются четно -нечетными нечетно-четными и лишь 5 стабильных ядер являются нечетно-нечетными:

(впрочем, ванадий имеет очень большой период полураспада — около лет). Эти сведения показывают, что при комплектовании внутренней структуры стабильных ядер четность чисел протонов и нейтронов имеет важное значение. Ядра, имеющие:

1) одинаковые но разные называются изотопами;

2) одинаковые но разные называются изотопами;

3) разные но одинаковые называются изобарами. Кроме того, могут существовать ядра, имеющие одинаковый состав и но отличающиеся некоторыми свойствами, в частности периодами полураспада. Такие ядра называются изомерами.

Рис. IV.100

В исследовательской аппаратуре ядра, особенно тяжелые, изучаются вместе с окружающей их электронной оболочкой. Ввиду этого введен новый термин нуклид — ядро вместе с электронной оболочкой, нейтрализующей его заряд. Атом же есть химическое понятие; в большинстве случаев химический элемент представляет собой смесь изотопов (следовательно, нейтральные атомы — смесь нуклидов с одинаковыми числами протонов).

Число показывает избыток нейтронов в ядре. Имеется только одно ядро с отрицательным значением (гелий-3 имеет остальных ядер избыток нейтронов является положительным числом и возрастает с увеличением атомного номера. На рис. IV. 100 показано распределение стабильных четно-четных ядер по значениям Квадратиками обозначены радиоактивные ядра, имеющие очень большие периоды полураспада (104 лет и более). Ядра, имеющие одинаковое число нейтронов (изотопы), лежат на прямых, проведенных под углом 45° к осям координат. На рисунке проведено только несколько таких линий, соответствующих N = 20, 28, 50 и 82. Ядра, расположенные на прямых, перпендикулярных линиям имеют одинаковое значение величины (С — число нейтронов, которое

необходимо прибавить к ядру, чтобы число нейтронов в нем сделалось вдвое больше числа протонов). Рис. IV. 100 показывает, что семейства ядер с более многочисленны, чем семейства и

Два ядра, у которых число протонов одного равно числу нейтронов другого

называются зеркальными. К ним относятся, например,

Имеется 19 пар зеркальных ядер; характерно, что в 16 из этих пар одно ядро является стабильным, второе — радиоактивным (в остальных трех парах оба ядра являются радиоактивными).

Ядра, у которых числа протонов или нейтронов равны 2, 8, 20, 28, 50, 82 (а для нейтронов еще и 126), отличаются большой распространенностью и резко выделяются по основным свойствам среди соседних ядер. Эти ядра получили название магических. Ядра, у которых магическими являются оба числа называются дважды магическими; к ним относятся, например,

Для иллюстрации приведем относительное содержание изотопов в естественном элементе — хроме при различных значениях

Магическое значение резко выделяется среди остальных. У трех соседних элементов — кадмия олова и теллура имеющих одинаковое значение наибольшее содержание имеет изотоп олова с магическим значением Для

Приведем распространенность в Земной коре ряда соседних элементов (по А. Е. Ферсману, 1959 г.; распространенность водорода принята за единицу):

Элементы с магическими значениями чисел протонов имеют большую распространенность.

Кроме того, по сравнению с соседними ядрами:

1) магические ядра очень слабо поглощают нейтроны;

2) у радиоактивных магических ядер энергия выбрасываемых альфа-частиц очень мала;

3) для перевода магического ядра из основного состояния в ближайшее возбужденное состояние требуется значительно большая энергия, чем у соседних ядер.