Atomové jádro je centrální částí atomu , ve kterém je soustředěna jeho hlavní hmota (více než 99,9 %). Jádro je nabité kladně, náboj jádra určuje chemický prvek , ke kterému je atom přiřazen. Velikosti jader různých atomů jsou několik femtometrů , což je více než 10 tisíckrát menší než velikost samotného atomu. Atomová jádra studuje jaderná fyzika .
Atomové jádro se skládá z nukleonů - kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů , které jsou vzájemně propojeny pomocí silné interakce . Proton a neutron mají svůj vlastní moment hybnosti ( spin ) rovný [SN 1] as ním spojený magnetický moment . Jediný stabilní atom, který v jádře neobsahuje neutrony, je lehký vodík ( protium ).
Atomové jádro, považované za třídu částic s určitým počtem protonů a neutronů, se běžně nazývá nuklid .
V některých vzácných případech mohou být vytvořeny exotické atomy s krátkou životností , ve kterých jiné částice slouží jako jádro namísto nukleonu.
Počet protonů v jádře se nazývá jeho nábojové číslo - toto číslo se rovná pořadovému číslu prvku , ke kterému atom patří, v Mendělejevově tabulce (Periodická soustava prvků) . Počet protonů v jádře určuje strukturu elektronového obalu neutrálního atomu a tím i chemické vlastnosti odpovídajícího prvku. Počet neutronů v jádře se nazývá jeho izotopové číslo . Jádra se stejným počtem protonů a různým počtem neutronů se nazývají izotopy . Jádra se stejným počtem neutronů, ale různým počtem protonů se nazývají izotony . Termíny izotop a izoton se také používají ve vztahu k atomům obsahujícím uvedená jádra, jakož i k charakterizaci nechemických odrůd jednoho chemického prvku. Celkový počet nukleonů v jádře se nazývá jeho hmotnostní číslo ( ) a je přibližně roven průměrné hmotnosti atomu, uvedené v periodické tabulce. Nuklidy se stejným hmotnostním číslem, ale odlišným složením protonů a neutronů se nazývají izobary .
Jako každý kvantový systém mohou být jádra v metastabilním excitovaném stavu a v některých případech se životnost takového stavu počítá v letech. Takové excitované stavy jader se nazývají jaderné izomery [1] .
V roce 1911 Rutherford ve své zprávě „Rozptyl α- a β-paprsků a struktura atomu“ ve Philosophical Society uvedl [2] :
Rozptyl nabitých částic a dotvoření jádra částic lze vysvětlit předpokladem takového atomu, který se skládá z centrálního elektrického náboje koncentrovaného v bodě a obklopeného rovnoměrným sférickým rozložením opačné elektřiny, která je stejná v uzavřené formě a která jej doplňuje S takovou strukturou atomu, α- a β-částice, když procházejí v těsné vzdálenosti od středu atomu, zažívají velké odchylky, ačkoli pravděpodobnost takové odchylky je malá.
Konec Tak Rutherford objevil atomové jádro a od té chvíle začala jaderná fyzika, která studovala strukturu a vlastnosti atomových jader.
Po objevu stabilních izotopů prvků byla jádru nejlehčího atomu přiřazena role strukturní částice všech jader. Od roku 1920 má jádro atomu vodíku oficiální termín - proton . V roce 1921 navrhla Lisa Meitner [3] první, proton-elektronový, model struktury atomového jádra , podle kterého se skládá z protonů, elektronů a částic alfa [4] :96 . V roce 1929 však došlo k „dusíkové katastrofě“ – W. Heitler a G. Herzberg zjistili [5] , že jádro atomu dusíku se řídí Bose-Einsteinovou statistikou , a nikoli Fermi-Diracovou statistikou , jak předpovídal proton-elektron. model [6] [7 ] :374 . Tento model se tak dostal do rozporu s experimentálními výsledky měření spinů a magnetických momentů jader [8] . V roce 1932 objevil James Chadwick novou elektricky neutrální částici zvanou neutron . Ve stejném roce Ivaněnko [9] a s odkazem na práci prvního [10] Heisenberg předložili hypotézu o proton - neutronové struktuře jádra. Později, s rozvojem jaderné fyziky a jejích aplikací, se tato hypotéza plně potvrdila [11] .
V procesu vývoje fyziky byly pro strukturu atomového jádra předloženy různé hypotézy; každý z nich je však schopen popsat pouze omezený soubor jaderných vlastností. Některé modely se mohou vzájemně vylučovat.
Nejznámější jsou následující:
Číslo náboje zcela určuje chemický prvek . Dvojice čísel a ( hmotnostní číslo ) zcela definuje nuklid . Je možné uvažovat některé jaderně-fyzikální charakteristiky nuklidů s daným nábojem a hmotnostními čísly.
Počet protonů v jádře přímo určuje jeho elektrický náboj ; Izotopy mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů. Jaderné vlastnosti izotopů prvku se na rozdíl od chemických mohou extrémně výrazně lišit [12] .
Poprvé byly náboje atomových jader určeny Henrym Moseleym v roce 1913 . Vědec interpretoval svá experimentální pozorování závislostí vlnové délky rentgenového záření na určité konstantě , měnící se o jednu prvek od prvku a rovnající se jedné pro vodík:
, kdea jsou trvalé.
Z čehož Moseley usoudil, že atomová konstanta zjištěná v jeho experimentech, která určuje vlnovou délku charakteristického rentgenového záření a shoduje se s pořadovým číslem prvku, může být pouze nábojem atomového jádra, který se stal známým jako Moseleyův zákon. [13] .
Vzhledem k rozdílu v počtu neutronů mají izotopy prvku různé hmotnosti , což je důležitá charakteristika jádra. V jaderné fyzice se hmotnost jader obvykle měří v jednotkách atomové hmotnosti ( a.m.u. ), za jeden a. e. m. vezměte 1/12 hmotnosti nuklidu 12 C [sn 2] . Standardní hmotnost, která se obvykle udává pro nuklid, je hmotnost neutrálního atomu . Pro určení hmotnosti jádra je nutné od hmotnosti atomu odečíst součet hmotností všech elektronů (přesnější hodnotu získáme, vezmeme-li v úvahu i vazebnou energii elektronů s jádrem) .
V jaderné fyzice se navíc často používá energetický ekvivalent hmoty . Podle Einsteinova vztahu každá hodnota hmotnosti odpovídá celkové energii:
, kde je rychlost světla ve vakuu .Poměr mezi a. e.m. a jeho energetický ekvivalent v joulech :
,a protože 1 elektronvolt = 1,602176⋅10 −19 J, pak energetický ekvivalent a. e. m. v MeV je [12] [1] :
.Analýza rozpadu těžkých jader zpřesnila Rutherfordův odhad [SN 3] a vztáhla poloměr jádra k hmotnostnímu číslu jednoduchým vztahem:
, kde je konstanta.Protože poloměr jádra není čistě geometrickou charakteristikou a je primárně spojen s poloměrem působení jaderných sil , závisí hodnota na procesu, při jehož analýze byla hodnota získána , průměrná hodnota m, tedy poloměr jádra v metrech [12] [13] :
.
Stejně jako nukleony, které jej tvoří, má i jádro své vlastní momenty.
RoztočitVzhledem k tomu, že nukleony mají svůj vlastní mechanický moment neboli spin rovný , musí mít i jádra mechanické momenty. Kromě toho se nukleony účastní jádra na orbitálním pohybu, který je také charakterizován určitým momentem hybnosti každého nukleonu. Orbitální momenty nabývají pouze celočíselných hodnot ( Diracova konstanta ). Všechny mechanické momenty nukleonů, jak spiny, tak orbitální, se algebraicky sčítají a tvoří spin jádra.
Navzdory skutečnosti, že počet nukleonů v jádře může být velmi velký, spiny jader jsou obvykle malé a nečiní více než několik , což je vysvětleno zvláštností interakce nukleonů stejného jména. Všechny párové protony a neutrony interagují pouze tak, že se jejich spiny navzájem ruší, to znamená, že dvojice vždy interagují s antiparalelními spiny. Celková orbitální hybnost páru je také vždy nulová. V důsledku toho jádra sestávající ze sudého počtu protonů a sudého počtu neutronů nemají mechanickou hybnost. Nenulové spiny existují pouze pro jádra, která mají ve svém složení nepárové nukleony, spin takového nukleonu se přičítá k jeho vlastní orbitální hybnosti a má nějakou poloviční hodnotu: 1/2, 3/2, 5/2. Jádra lichého-lichého složení mají celočíselné spiny: 1, 2, 3 atd. [13] .
Magnetický momentMěření rotace byla umožněna přítomností přímo souvisejících magnetických momentů . Měří se v magnetonech a pro různá jádra jsou od -2 do +5 jaderných magnetonů. Vzhledem k relativně velké hmotnosti nukleonů jsou magnetické momenty jader ve srovnání s elektrony velmi malé , takže jejich měření je mnohem obtížnější. Magnetické momenty jsou stejně jako rotace měřeny spektroskopickými metodami , nejpřesnější je metoda nukleární magnetické rezonance .
Magnetický moment sudých-sudých párů, stejně jako rotace, je roven nule. Magnetické momenty jader s nepárovými nukleony jsou tvořeny vlastními momenty těchto nukleonů a momentem spojeným s orbitálním pohybem nepárového protonu [8] .
Elektrický kvadrupólový momentAtomová jádra se spinem větším nebo rovným jednotce mají nenulové kvadrupólové momenty, což naznačuje, že nejsou přesně sférická . Čtyřpólový moment má znaménko plus, pokud je jádro prodlouženo podél osy rotace (vřetenovité těleso), a znaménko mínus, pokud je jádro nataženo v rovině kolmé k ose rotace (čočkovité těleso). Jsou známá jádra s kladnými a zápornými kvadrupólovými momenty. Absence sférické symetrie v elektrickém poli vytvořeném jádrem s nenulovým kvadrupólovým momentem vede ke vzniku dalších energetických hladin atomárních elektronů a výskytu hyperjemných strukturních čar ve spektrech atomů , jejichž vzdálenosti závisí na kvadrupólu. moment [13] .
Velká vazebná energie nukleonů vstupujících do jádra ukazuje na existenci jaderných sil , protože známé gravitační síly jsou příliš malé na to, aby překonaly vzájemné elektrostatické odpuzování protonů v jádře. Vazba nukleonů je prováděna silami extrémně krátkého dosahu, které vznikají v důsledku nepřetržité výměny částic, nazývaných pí-mezony , mezi nukleony v jádře.
Experimentálně bylo zjištěno, že u všech stabilních jader je hmotnost jádra menší než součet hmotností nukleonů, z nichž se skládá, samostatně. Tento rozdíl se nazývá hmotnostní defekt nebo nadměrná hmotnost a je určen vztahem:
,kde a jsou hmotnosti volného protonu a neutronu a je hmotnost jádra.
Podle principu ekvivalence hmoty a energie je hmotnostní defekt hmotnost ekvivalentní práci vynaložené jadernými silami na spojení všech nukleonů za vzniku jádra. Tato hodnota se rovná změně potenciální energie nukleonů v důsledku jejich spojení do jádra.
Energie ekvivalentní hmotnostnímu defektu se nazývá vazebná energie jádra a je rovna:
,kde je rychlost světla ve vakuu.
Dalším důležitým parametrem jádra je vazebná energie na nukleon jádra, kterou lze vypočítat vydělením vazebné energie jádra počtem nukleonů, které obsahuje:
Tato hodnota představuje průměrnou energii, která musí být vynaložena na odstranění jednoho nukleonu z jádra, nebo průměrnou změnu vazebné energie jádra, když je do něj absorbován volný proton nebo neutron.
Jak je vidět z vysvětlujícího obrázku, při malých hmotnostních číslech se specifická vazebná energie jader prudce zvyšuje a dosahuje maxima při (asi 8,8 MeV). Nuklidy s takovými hmotnostními čísly jsou nejstabilnější. S dalším růstem průměrná vazebná energie klesá, nicméně v širokém rozsahu hmotnostních čísel je hodnota energie téměř konstantní ( MeV), z čehož vyplývá, že můžeme psát .
Toto chování průměrné vazebné energie ukazuje na vlastnost jaderných sil dosáhnout saturace, tedy na možnost interakce nukleonu pouze s malým počtem „partnerů“. Pokud by jaderné síly neměly vlastnost saturace, pak by v rámci akčního poloměru jaderných sil každý nukleon interagoval s každým z ostatních a energie interakce by byla úměrná , a průměrná vazebná energie jednoho nukleonu by nebyla konstantní pro různá jádra, ale s rostoucím .
Obecnou zákonitost závislosti vazebné energie na hmotnostním čísle popisuje Weizsäckerův vzorec v rámci teorie kapkového modelu jádra [12] [13] [14] [15] .
Ze skutečnosti poklesu průměrné vazebné energie pro nuklidy s hmotnostními čísly většími nebo menšími než 50-60 vyplývá, že pro jádra s malými je proces fúze energeticky příznivý - termonukleární fúze , což vede ke zvýšení hmotnosti číslo, a pro jádra s velkými - proces štěpení . V současné době probíhají oba tyto procesy vedoucí k uvolňování energie, přičemž ten druhý je základem moderní jaderné energetiky a ten první je ve vývoji.
Detailní výzkumy ukázaly, že stabilita jader také v podstatě závisí na parametru — poměru počtu neutronů a protonů. V průměru pro nejstabilnější jádra [16] jsou proto jádra lehkých nuklidů nejstabilnější při , a s nárůstem hmotnostního čísla je elektrostatické odpuzování mezi protony stále patrnější a oblast stability se posouvá do straně ( viz vysvětlující obrázek ).
Pokud vezmeme v úvahu tabulku stabilních nuklidů vyskytujících se v přírodě, můžeme věnovat pozornost jejich rozdělení podle sudých a lichých hodnot a . Všechna jádra s lichými hodnotami těchto veličin jsou jádry lehkých nuklidů , , , . Mezi izobarami s lichou A je zpravidla pouze jedna stabilní. V případě sudých jedniček jsou často dvě, tři nebo více stabilních izobar, proto jsou sudé-sudé nejstabilnější, nejméně - liché-liché. Tento jev ukazuje, že neutrony i protony mají tendenci se sdružovat do párů s antiparalelními spiny , což vede k narušení plynulosti výše uvedené závislosti vazebné energie na [12] .
Z | N=AZ | A | Počet nuklidů |
---|---|---|---|
dokonce | dokonce | dokonce | 167 |
dokonce | zvláštní | zvláštní | 55 |
zvláštní | dokonce | zvláštní | 53 |
zvláštní | zvláštní | dokonce | čtyři |
Parita počtu protonů nebo neutronů tedy vytváří určitou hranici stability, což vede k možnosti existence několika stabilních nuklidů, lišících se počtem neutronů pro izotopy a počtem protonů pro izotony. Také parita počtu neutronů ve složení těžkých jader určuje jejich schopnost dělit se pod vlivem neutronů [13] .
Jaderné síly jsou síly, které drží nukleony v jádře, což jsou velké přitažlivé síly, které působí pouze na malé vzdálenosti. Mají saturační vlastnosti, v souvislosti s nimiž je jaderným silám přisuzován výměnný charakter (pomocí mezonů pí ). Jaderné síly jsou závislé na spinu, nezávisí na elektrickém náboji a nejsou centrálními silami [13] .
Na rozdíl od volných částic, pro které může energie nabývat libovolné hodnoty (tzv. spojité spektrum ), vázané částice (tj. částice, jejichž kinetická energie je menší než absolutní hodnota potenciálu), mohou být podle kvantové mechaniky pouze v stavy s určitými diskrétními energetickými hodnotami, tzv. diskrétní spektrum. Protože jádro je systém vázaných nukleonů, má diskrétní energetické spektrum. Obvykle je ve stavu s nejnižší energií, který se nazývá základní stav . Pokud je energie přenesena do jádra, přejde do excitovaného stavu .
Umístění energetických hladin jádra v první aproximaci:
, kde:je průměrná vzdálenost mezi úrovněmi,
je excitační energie jádra,
a jsou koeficienty, které jsou pro dané jádro konstantní:
- průměrná vzdálenost mezi prvními excitovanými hladinami (pro lehká jádra asi 1 MeV, pro těžká jádra - 0,1 MeV)
je konstanta, která určuje rychlost koncentrace hladin s rostoucí excitační energií (pro lehká jádra přibližně 2 MeV −1/2 , pro těžká jádra 4 MeV −1/2 ).
S nárůstem excitační energie se hladiny v těžkých jádrech sbíhají rychleji a hustota hladiny závisí také na paritě počtu neutronů v jádře. U jader se sudým (zejména magickým ) počtem neutronů je hustota hladiny menší než u jader s lichými, při stejných excitačních energiích je první excitovaná hladina v jádře se sudým počtem neutronů umístěna výše než v jádře s lichý.
Ve všech excitovaných stavech může jádro setrvat pouze po omezenou dobu, dokud není excitace tím či oním způsobem odstraněna. Stavy, jejichž excitační energie je menší než vazebná energie částice nebo skupiny částic v daném jádře, se nazývají vázané ; v tomto případě může být excitace odstraněna pouze gama zářením . Stavy s excitační energií větší než vazebná energie částic se nazývají kvazistacionární . V tomto případě může jádro emitovat částici nebo gama kvantum [12] .
Jaderná reakce - proces přeměny atomových jader, ke kterému dochází, když interagují s elementárními částicemi , gama kvanty a mezi sebou navzájem.
Pouze malá část nuklidů je stabilní. Ve většině případů jaderné síly nejsou schopny zajistit svou trvalou integritu a dříve nebo později se jádra rozpadnou . Tento jev se nazývá radioaktivita .
K označení atomových jader se používá následující systém:
Složení jádra je tedy zcela určeno, neboť .
Příklad takového označení:
- jádro uranu-238 , ve kterém je 238 nukleonů, z toho 92 protonů, protože prvek uran má 92. číslo v periodické tabulce .
Někdy jsou však pro úplnost kolem označení prvku uvedena všechna čísla charakterizující jádro jeho atomu:
Příklady takových označení:
, , , .
Označení atomových jader se shodují s označeními pro nuklidy.
Z historických a jiných důvodů mají některá jádra nezávislá jména. Například jádro 4 He se nazývá α-částice , jádro deuteria 2H (nebo D) se nazývá deuteron a jádro tritia 3H (nebo T) se nazývá triton . Poslední dvě jádra jsou izotopy vodíku, a proto mohou být součástí molekul vody , což vede k tzv. těžké vodě .
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Jaderné technologie | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Inženýrství | |||||||
materiálů | |||||||
Jaderná energie |
| ||||||
nukleární medicína |
| ||||||
Jaderná zbraň |
| ||||||
|
Částice ve fyzice | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
základní částice |
| ||||||||||||
Kompozitní částice |
| ||||||||||||