Cea mai mare parte a materiei din atom nu este distribuită uniform pe volumul atomului, ci este concentrată într-un miez dens, a cărui mărime (
10 -15 m) este o sută de mii de părți din dimensiunea atomului însuși. Densitatea materiei nucleare este foarte mare.
Nucleul are o sarcină pozitivă, multiplă față de sarcina elementară e. momente mecanice și magnetice care corespund centrifugării nucleare.
Interacțiunea momentelor magnetice ale electronilor atomului și nucleului său conduce la împărțirea liniilor spectrale de emisie ale atomului, care este egală cu cea care determină structura hiperfină a spectrului optic al atomului.
Nucleul constă din nucleoni (protoni și neutroni).
Protonul este o particula p stabilă (durata de viață -), nucleul atomului de hidrogen, are o încărcătură pozitivă e și masa
Moment magnetic propriu. unde
J / T este magnetonul nuclear.
Momentul magnetic intrinsec al protonului este de aproximativ 660 de ori mai mic decât momentul magnetic intrinsec al electronului.
Neutron - n - particule elementare neîncărcate electric cu masa
Spinarea neutronului S =.
Moment magnetic propriu. Semnul minus indică faptul că momentele mecanice și magnetice ale neutronului au înțelesul opus.
În stare liberă, neutronul este instabil (durata medie de viață a minelor) și se descompune spontan, devenind un proton și emite un electron și un antineutrino
Caracteristicile nucleului atomic
Z este numărul de sarcină egal cu numărul de protoni din nucleu și este numărul atomic din tabelul periodic.
A este un număr de masă egal cu numărul de nucleoni din nucleu.
Deoarece există doar un singur simbol al unui element chimic pentru numărul Z, acesta nu este adesea indicat. De exemplu, 238 U.
Atomii specifici cu un număr dat de protoni și neutroni se numesc nuclide.
Nuclidele cu același număr de protoni se numesc izotopi. Atomii izotopilor au practic proprietăți fizico-chimice foarte apropiate, cu excepția unor cazuri. Cea mai puternică diferență este cea a celor trei nuclide: 1 H1. 2 H1 (deuteriu), 3 H1 (tritiu). Miezurile de deuteriu și tritiu sunt numite deuteron (d) și triton (t).
În prezent sunt cunoscute circa 1500 nuclee diferite cu Z de la 1 la 117 și A de la 1 la 271. Aproximativ unele dintre aceste nuclee sunt stabile. Multe nuclee cu Z de la 93 la 115 au fost obținute prin mijloace artificiale prin reacții nucleare.
Dimensiunile nucleelor depind de numărul de nucleoni conținuți în ele.
În prima aproximare, nucleul poate fi considerat sferic și pentru A> 10 raza efectivă a majorității nucleelor este determinată destul de precis prin formula
Ф = 1 фм = 10 -15 m - Fermi (denumirea unității de lungime folosită în fizica nucleară, egală cu un femtometru.
Spin core -I. Se compune din rotirea nucleonilor și momentele lor orbitale. Rotirea nucleonului este. prin urmare, rotația nucleului poate fi integrală sau semi-integrală, în funcție de numărul de nucleoni.
În stările de bază ale tuturor nucleelor stabile. Aceasta indică faptul că impulsul angular al majorității nucleonilor din nucleu se compensează reciproc, fiind localizat "antiparallel".
Pentru toate nucleele cu număr egal de protoni și neutroni, rotația stării de bază este I = 0.
Masa și energia legăturii nucleului
Masa nucleului nu este o cantitate aditivă - nu este egală cu suma masei nucleonilor care formează nucleul. Motivul este interacțiunea puternică a nucleonilor din nucleu.
Din cauza acestei interacțiuni, pentru o separare completă a nucleului în nucleoni liberi individuali, este necesar să se realizeze o muncă minimă, care determină energia de legare a nucleului Esb.
În schimb, atunci când un nucleu este format din nucleoni liberi, această energie este eliberată (sub forma, de exemplu, a radiației electromagnetice).
Dacă exprimăm masele nucleonilor și nucleelor în unitățile energetice, atunci
Din moment ce tabelele dau mase de non-nuclei și nuclide, în practică ei folosesc formula
m este masa nucleului care corespunde masei nucleului.
Dacă există tabele de defecte de masă ale nuclidelor, utilizați formula
1 uam = 931,5 MeV
Pentru "punctul de referință" se presupune un nuclid de 12 C. Defectele sale de masă sunt zero.
Energia de legare specifică este energia pe o medie de nucleon, adică (). Această cantitate caracterizează măsura puterii nucleului. mai mult. cu atât mai puternic este nucleul.
Lucrarea necesară pentru divizarea nucleului de masă m în două particule cu masa m1 și m2 este egală cu energia de legare a acestor particule în nucleul inițial
Cele mai stabile sunt nucleele cu numere de masă A
Odată cu creșterea și scăderea în A, energia de legare specifică scade și devine avantajos din punct de vedere energetic ca nucleele grele să se împartă, formând nuclei mai puternice în timp ce nucleele ușoare, dimpotrivă, este avantajos să fuzioneze unul cu celălalt.
În ambele cazuri, energia este eliberată. De exemplu, în fisiunea nucleului 235 U, aproximativ 200 MeV (în principal sub forma energiei cinetice a fragmentelor care resping sub acțiunea forțelor Coulomb).
Iar atunci când deuteronul se îmbină cu noul (d + t = α + n), s-au sintetizat α-particule (4 He) cu o eliberare de energie de 17,6 MeV. În primul caz, energia eliberată este numită atomică. în al doilea - termonuclear. Pe unitatea de masă în al doilea caz, se eliberează de 5 ori mai multă energie decât în prima.
Energia imensă de legare a nucleonilor în nuclee (în comparație cu energia de legare a electronilor într-un atom
10 eV) înseamnă că forțele nucleare puternice de atracție acționează între nucleonii, în comparație cu care forțele electromagnetice respingătoare sunt sute de ori mai slabe.
Caracteristicile forțelor nucleare:
1) Raza de acțiune
10 - 15 m (cu rază scurtă). La distanțe substanțial mai mici, atracția nucleonilor este înlocuită de repulsia lor. La distanțe mari, forțele nucleare nu apar.
2) Independența de plată. care se manifestă în forțele identice ale interacțiunii nucleonilor n-n, p-p, n-p.
3) Aceste forțe nu sunt centrale. deoarece depind de orientarea rotirilor nucleonilor.
4) Au proprietatea de saturație - fiecare nucleon din nucleu interacționează cu un număr limitat de nucleoni apropiați.
Mecanismul interacțiunii nucleonilor:
Conform fizicii clasice, interacțiunea dintre particule se realizează prin intermediul câmpurilor de forță.
Fizica cuantică nu a schimbat acest concept, ci a ținut cont de proprietățile cuantice ale câmpului însuși: trebuie să corespundă fiecărui câmp o anumită particulă - un câmp cuantic. care este vectorul interacțiunii. Unul dintre nucleonii care interacționează emite un câmp cuantic, celălalt îl absoarbe.
Este esențial ca schimbul de particule să stea la baza tuturor interacțiunilor în general și este o proprietate cuantică fundamentală a naturii (de exemplu, interacțiunile electromagnetice se realizează prin schimbul de fotoni).
În interacțiunea nucleonilor cu quanta câmpului, p-mezonii ocupă o poziție intermediară de-a lungul masei dintre electron și nucleon.
Conform legilor fizicii clasice, astfel de procese nu pot intra în legătură cu încălcarea legii conservării energiei. Un neutron liber nu se poate transforma spontan într-un neutron + π-mezon. a căror masă totală este mai mare decât masa neutronului.
Teoria cuantică elimină această interdicție. Din relația de incertitudine rezultă că energia sistemului poate suferi deviații ΔE. a căror durată nu trebuie să depășească valoarea. În acest caz, încălcarea legii conservării energiei în timpul emisiei de pion nu poate fi detectată.
Particulele, a căror emisie și absorbție are loc cu o încălcare aparentă a legii conservării energiei, se numesc particule virtuale.
Un nucleon unic este întotdeauna înconjurat de o așa-numită "strat de mezon". norul de p-mezoni virtuali. care sunt emise continuu și absorbite de nucleon.
Atunci când doi nucleoni se apropie unul de celălalt și îmbrăcămintea lor de blană mezonică intră în contact, se creează condiții pentru schimbul de mezoni virtuali - apare interacțiunea nucleară. Raza de acțiune a forțelor nucleare este de ordinul lungimii de undă Compton. Se știe din experiment că m, ceea ce face posibilă estimarea masei pionului. tπ
Dependența razei de acțiune a forțelor nucleare asupra masei particulelor virtuale - vectori ai interacțiunii - este o lege fundamentală cuantică.
Această lege determină efectul pe distanțe lungi al forțelor electromagnetice, deoarece canturile câmpului electromagnetic - fotonii virtuali sunt particule fără masă care pot avea energie în mod arbitrar mică.