Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
отдел v/. гл. 4. С ОЙСТВА АТОМНЫХ яде >
Весь электронно-колебательный спектр в видимой и близкой к ней области представляет собой систему из нескольких групп полос, перекрывающих друг друга и образующих широкую полосу (полосатый спектр молекулы). На рис. VI.3.7 приведена фотография части спектра молекулы йода.
Глава 4
СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР
4.1. Общая характеристика атомного ядра
1°- Атомное ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона. Протон и нейтрон являются двумя зарядовыми состояниями ядерной частицы, которая называется нуклоном. Количество протонов в ядре Z (заряд ядра Ze) совпадает с атомным номером соответствующего химического элемента в периодической системе Менделеева (VI.2.9.1°). Количество нейтронов в ядре обозначается N. Для всех ядер N^Z (за исключением iH, UHe (п. 2°)). Для легких ядер, находящихся в первой половине периодической системы Менделеева, NlZwX; ядра атомов химических элементов, находящихся в конце периодической системы, перегружены нейтронами —для них N/Zfal ,ь:
2°. Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов в ядре: A=Z+N. Символ для обозначения ядра: IX, где X — обозначение атома данного химического элемента в периодической системе Мендлеева. Ядра с одним и тем же зарядом Ze, но с разными А, называются изотопами. Изотопы ядер данного химического элемента имеют разное число нейтронов в ядре. Примеры: изотопы водорода: JH, ЇН (или iD — дейтерий), 3H (или 3T — тритий); изотопы гелия: IHe1 |Не; изотопы урана: I215U, H8U.
Существует около трехсот устойчивых и около двух тьь сяч неустойчивых (радиоактивных) изотопов всех известных химических элементов.
3°. Масса атомного ядра практически совпадает с массой всего атома, ибо масса электронов в атоме мала. Масса электрона *) те составляет 1/1836 от массы протона /и,,.
*) Все сведения о массах, приведенные в главе 4, относятся к массам покоя (V.4.10.3°), если нет специальных оговорок.
4.1. общая ХАРАКТЕРИСТИКА АТОМНОГО ядра 467
Массы нейтрона та и протона tnv в углеродной шкале атомных масс (а. е. м.) (VI 1.7.1°):
m„ = 1,00865017(37) а. е. м., тр = 1,007276470(11) а. е. м
Числа в круглых скобках представляют собой среднеквадратичные погрешности в последних цифрах.
Массовые числа нейтрона и протона одинаковы и равны единице.
Массы атомов измеряются в специальных атомных единицах массы (VI 1.7.Г).
У каждого химического элемента существует, в большинстве случаев, постоянное процентное содержание различных изотопов. Химически чистые элементы представляют собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга относительными атомными массами (VII.4.3°). Поэтому каждый химический элемент имеет относительную массу, представляющую собой среднее значение относительных атомных масс всех его изотопов. Относительные атомные массы химических элементов в ряде случаев заметно отличаются от целых чисел.
4°. Ядро имеет спин — собственный (внутренний) момент количества движения (момент импульса) (ср. 111.6.1.5"): Он складывается из спинов отдельных нуклонов. Спин каждого нуклона равен А/2. Спин ядра, состоящего из четного числа нуклонов, является целым числом (в единицах /г) или нулем. Спин ядра, состоящего из нечетного числа нуклонов, является полуцелым (в единицах ft).
5°. Атомное ядро не имеет резко выраженных границ. Это связано с тем, что нуклоны обладают волновыми свойствами (VI. 1.1.3°). Поэтому размер ядра имеет условный смысл *). Объем ядра пропорционален числу нуклонов Л в ядре. Если считать ядро сферой радиуса R, то R вычисляется по эмпирической формуле
Я = ЯИ1/3. где ^0 = (I1S-T- 1,7)- 10-15м.
Наиболее тяжелые ядра, например ядро урана, имеют радиусы, приближающиеся по порядку величины к Ю-*4 м.
6°. Средняя плотность р ядерного вещества определяется формулой
— м«
Р " (4/3)я/?8'
*) Это относится также и к размерам атома, ибо электроны, движущиеся в атоме относительно ядра, тоже обладают волновыми свойствами.
468 отдел vi. гл. 4. СВОГіСТВЛ АТОМНЫХ ядер
Здесь M9 — масса ядра. Если /пя — масса нуклона *), то М„=ткА. Средняя плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа А нуклонов в ядре; р= = 1,3-1017 кг/м3. Колоссальная средняя плотность р не идет ни в какое сравнение с обычными плотностями веществ, состоящих из атомов химических элементов и их соединений:.
4.2. Энергия связи атомных ядер. Дефект массы
1°. Энергией сьязи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления данного нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.
60 WO І40
Afвесовое чист
Рис. VI.4.1
Энергия связи атомного ядра Д?св (отрицательная пр знаку) по абсолютной величине равна работе, которую надо совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Энергия связи атомного ядра является разностью между энергией протонов и нейронов в ядре и их энергией в свободном состоянии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться энергия, равная А?"св — энергии связи в ядре.
