Курсовая работа

тема: «Атомное ядро»

Москва 2014г.

Введение

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Размеры атома в 10000 раз превосходят размеры ядра (порядок величин Ra= 10 - 8 см, Rя= 10 - 12 см). Ядро состоит из протонов и нейтронов и имеет положительный заряд, равный суммарному заряду всех электронов, входящих в нейтральный атом. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена Д. Д. Иваненко и В. Гейзенбергом в 1932 г. Число протонов в ядре определяет химические свойства элемента и фактически определяет сам элемент. В настоящее время открыто 118 химических элементов, из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно. Не все из 118 элементов официально признаны - в лабораториях проводятся проверки и уточнения их свойств. Некоторые из полученных элементов являются нестабильными и быстро распадаются. Большинство нестабильных элементов в природе не встречаются и открыты искусственно в лабораториях.

1. Характеристики ядра

Ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерным взаимодействием. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (от nucleus - ядро). Дадим краткую характеристику нуклонов.

Протон: масса , спин s=1/2, собственный магнитный момент

Где Дж/Тл

единица, магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Видно, что магнетон Бора связан с ядерным магнетоном соотношением . Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Протон является стабильной частицей (в последние десятилетия разрабатывается теория, учитывающая возможный распад протонов, с периодом полураспада 10 40 с).

Нейтрон: масса , спин s=1/2, собственный магнитный момент , электрическим зарядом нейтрон не обладает. Удивительным является тот факт, что нейтрон обладает собственным магнитным моментом, не имея электрического заряда (напомним, что магнитное поле создается движущимися зарядами или изменением электрического поля).

Нейтроны нестабильны и распадаются по схеме

п ? р + е - +

превращаясь в протон р, испуская электрон е-, и антинейтрино . Период полураспада нейтрона составляет ~ 12 мин.

Зарядовым числом Z называют количество протонов, входящих в ядро. Для нейтрального атома оно равно числу электронов, содержащихся в атоме. Электрический заряд ядра равен +Ze. Число Z определяет порядковый номер химического элемента, поэтому его иногда называют атомным номером ядра.

Массовым числом ядра А называют число нуклонов в ядре. Следовательно, число нейтронов в ядре определяется формулой

N=A - Z

Для обозначения ядер применяется символ , где под Х понимается химический символ данного элемента. Например, обычный водород имеет обозначение , кислород , азот .

Изотопами называют ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z, но разными А. Например, водород имеет три изотопа: - протий (обычный водород), - дейтерий, - тритий (для последних двух изотопов иногда используют обозначения D и T). У кислорода имеется три стабильных изотопа: , , . Химические и физические свойства изотопов довольно близки (кроме, может быть, водорода).

Изобарами называют ядра с одинаковыми массовыми числами А. Например, , , . Химические свойства изобаров могут сильно различаться.

Изотонами называют ядра с одинаковым числом нейтронов N (, ).

Изомерами называют ядра с одинаковыми значениями Z и А, но различающиеся периодом полураспада (два изомера имеют периоды полураспада 18 мин и 4,4 часа). Различие периодов полураспада связано с различием структуры ядер изомеров.

Сейчас известно около 1500 ядер, отличающихся либо Z , либо А, либо тем и другим.

В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого определяется формулой

R=1,3·10 - 15 A1/3 м.

Отсюда видно, что объем ядра пропорционален числу нуклонов. Масса ядра также пропорциональна числу нуклонов. Следовательно, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова и равна ~10 17 кг/м3. Это очень высокая плотность, тело с массой, равной массе Земли и обладающее такой плотностью, имело бы размеры шара радиусом ~ 400 м.

Ядро обладает спином, равным суммарному спину входящих в него нуклонов. Обычно спин ядра не превышает нескольких единиц. Это указывает на то, что в ядрах спины нуклонов располагаются антипараллельно.

. Масса и энергия связи ядра

Для измерения массы в ядерной физике широко используется атомная единица массы (а.е.м.).

Атомной единицей массы называется масса, равная 1/12 массы атома углерода . Ее значение: 1 а.е.м.= тед = 1,66·10 - 27 кг.

Масса атома определяется выражением та = Мтед, где М - молярная масса атома.

В ядерной физике массу часто выражают через энергию, используя формулу Е=тс2. При этом 1 а.е.м. = 931,49 МэВ. Составим таблицу, содержащую массы и энергии основных элементарных частиц.

ЧастицаМасса (а.е.м.)Энергия (МэВ)Электрон0,000550,511Протон1,00728938Нейтрон1,00867939,57