Sastav i karakteristike atomskog jezgra.
Jezgro najjednostavnijeg atoma - atoma vodika - sastoji se od jedne elementarne čestice koja se zove proton. Jezgra svih ostalih atoma sastoje se od dvije vrste elementarnih čestica - protona i neutrona. Ove čestice se nazivaju nukleoni.
Proton . Proton (p) ima naboj +e i masu
m p = 938,28 MeV
Za poređenje, ukazujemo da je masa elektrona jednaka
m e = 0,511 MeV
Iz poređenja slijedi da je m p = 1836m e
Proton ima spin jednak polovini (s= ) i sopstveni magnetni moment
Jedinica magnetskog momenta koja se naziva nuklearni magneton. Iz poređenja mase protona i elektrona, slijedi da je μ i 1836 puta manji od Borovog magnetona μ b. Shodno tome, unutrašnji magnetni moment protona je približno 660 puta manji od magnetnog momenta elektrona.
Neutron . Neutron (n) je 1932. godine otkrio engleski fizičar
D. Chadwick. Električni naboj ove čestice je nula, a masa
m n = 939,57 MeV
veoma blizu masi protona. Masovna razlika neutrona i protona (m n –m p)
iznosi 1,3 MeV, tj. 2,5 mene.
Neutron ima spin jednak polovini (s= ) i (uprkos odsustvu električnog naboja) svoj magnetni moment
μ n = - 1,91 μ i
(znak minus označava da su pravci intrinzičnih mehaničkih i magnetnih momenata suprotni). Objašnjenje ovoga neverovatna činjenicaće biti dato kasnije.
Imajte na umu da je omjer eksperimentalnih vrijednosti μ p i μ n sa visokim stepenom tačnosti jednak - 3/2. To je uočeno tek nakon što je takva vrijednost dobijena teoretski.
U slobodnom stanju, neutron je nestabilan (radioaktivan) - spontano se raspada, pretvarajući se u proton i emitujući elektron (e-) i drugu česticu koja se zove antineutrino 
. Vrijeme poluraspada (tj. vrijeme koje je potrebno da se polovina prvobitnog broja neutrona raspadne) je otprilike 12 minuta. Shema raspadanja može se napisati na sljedeći način:
Masa mirovanja antineutrina je nula. Masa neutrona je veća od mase protona za 2,5 m e. Prema tome, masa neutrona premašuje ukupnu masu čestica koje se pojavljuju na desnoj strani jednačine za 1,5m e , tj. za 0,77 MeV. Ova energija se oslobađa tokom raspada neutrona u obliku kinetičke energije nastalih čestica.
Karakteristike atomskog jezgra . Jedna od najvažnijih karakteristika atomskog jezgra je broj naboja Z. On je jednak broju protona koji čine jezgro i određuje njegov naboj, koji je jednak + Z e . Broj Z određuje redni broj hemijskog elementa u periodnom sistemu Mendeljejeva. Stoga se naziva i atomski broj jezgra.
Broj nukleona (to jest, ukupan broj protona i neutrona) u jezgru označava se slovom A i naziva se masenim brojem jezgra. Broj neutrona u jezgru je N=A–Z.
Simbol koji se koristi za označavanje jezgara
gdje je X hemijski simbol elementa. Gore lijevo je maseni broj, dolje lijevo je atomski broj (posljednja ikona se često izostavlja). Ponekad se maseni broj piše ne lijevo, već desno od simbola hemijskog elementa 
Zovu se jezgra sa istim Z, ali različitim A izotopi. Većina hemijski elementi ima nekoliko stabilnih izotopa. Na primjer, kisik ima tri stabilna izotopa:
, lim ima deset i tako dalje.
Vodonik ima tri izotopa:
- obični vodonik, ili protij (Z=1, N=0),
- teški vodonik, ili deuterijum (Z=1, N=1),
– tricijum (Z=1, N=2).
Procijum i deuterijum su stabilni, tricijum je radioaktivan.
Zovu se jezgra sa istim masenim brojem A izobare. Primjer je 
i 
. Zovu se jezgra sa istim brojem neutrona N = A – Z izotoni
(
,
Konačno, postoje radioaktivna jezgra sa istim Z i A, koja se razlikuju po poluraspadu. Zovu se izomeri. Na primjer, postoje dva izomera jezgra 
, jedan od njih ima poluživot od 18 minuta, drugi - 4,4 sata.
Poznato je oko 1500 jezgara, koje se razlikuju po Z, A ili oba. Otprilike 1/5 ovih jezgara je stabilno, a ostalo je radioaktivno. Mnoga jezgra su dobivena umjetnim putem nuklearne reakcije.
Elementi sa atomskim brojem Z od 1 do 92 nalaze se u prirodi, isključujući tehnecijum (Tc, Z = 43) i prometijum (Pm, Z = 61). Plutonijum (Pu, Z = 94), nakon što je veštački dobijen, pronađen je u zanemarljivim količinama u prirodnom mineralu – mešavini smole. Ostatak transuranija (tj. transuranija) elemenata (cZ od 93 do 107) dobiveni su umjetno kroz različite nuklearne reakcije.
Transuranijumski elementi kurijum (96 Cm), einsteinium (99 Es), fermijum (100 Fm) i mendelevijum (101 Md) dobili su nazive u čast istaknutih naučnika II. i M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi i D.I. Mendeljejev. Lawrencium (103 Lw) je dobio ime po pronalazaču ciklotrona, E. Lawrenceu. Kurchatovy (104 Ku) dobio je ime u čast istaknutog fizičara I.V. Kurchatov.
Neki transuranijumski elementi, uključujući kurhatovijum i elemente 106 i 107, dobijeni su u Laboratoriji za nuklearne reakcije Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni od strane naučnika
N.N. Flerov i njegovo osoblje.
Veličine jezgra . U prvoj aproksimaciji, jezgro se može smatrati sferom, čiji je radijus prilično precizno određen formulom
(fermi je naziv jedinice dužine koja se koristi u nuklearnoj fizici, jednaka
10 -13 cm). Iz formule slijedi da je volumen jezgra proporcionalan broju nukleona u jezgru. Dakle, gustina materije u svim jezgrama je približno ista.
Spin jezgra . Spinovi nukleona se zbrajaju sa rezultujućim spinom jezgra. Spin nukleona je 1/2. Stoga će kvantni broj nuklearnog spina biti polucijeli za neparan broj nukleona A, a cijeli broj ili nula za paran A. Spinovi jezgara J ne prelaze nekoliko jedinica. Ovo ukazuje da se spinovi većine nukleona u jezgru međusobno poništavaju, jer su antiparalelni. Sva parno-parna jezgra (tj. jezgra sa parnim brojem protona i parnim brojem neutrona) imaju nulti spin.
Mehanički moment jezgra M J se dodaje momentu elektronske ljuske 
u ukupnom ugaonom momentu atoma M F , koji je određen kvantnim brojem F.
Interakcija magnetnih momenata elektrona i jezgra dovodi do činjenice da stanja atoma odgovaraju različitim međusobnim orijentacijama M J i 
(tj. različite F) imaju malo različite energije. Interakcija momenata μ L i μ S određuje finu strukturu spektra. Interakcijaμ J i 
određuje se hiperfina struktura atomskih spektra. Cepanje spektralnih linija koje odgovaraju hiperfinoj strukturi je toliko malo (reda nekoliko stotinki angstroma) da se može posmatrati samo sa instrumentima najveće moći razlučivanja.
atomsko jezgro je središnji dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona (zajedno nazvani nukleoni).
Jezgro je otkrio E. Rutherford 1911. dok je proučavao prolaz α -čestice kroz materiju. Pokazalo se da je gotovo cijela masa atoma (99,95%) koncentrisana u jezgru. Veličina atomskog jezgra je reda veličine 10 -1 3 -10 - 12 cm, što je 10.000 puta manje od veličine elektronske ljuske.
Planetarni model atoma koji je predložio E. Rutherford i njegovo eksperimentalno promatranje jezgri vodika su uništeni α -čestice iz jezgara drugih elemenata (1919-1920), dovelo je naučnika do ideje o proton. Termin proton je uveden početkom 20-ih godina XX veka.
Proton (od grč. protona- prvo, karakter str) je stabilan elementarna čestica, jezgro atoma vodonika.
Proton- pozitivno nabijena čestica čiji je naboj po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona. Masa mirovanja protona m str= 1,6726231 10 -27 kg = 1,007276470 amu
Druga čestica u jezgru je neutron.
Neutron (od lat. neuter- ni jedno ni drugo, simbol n) je elementarna čestica koja nema naboj, odnosno neutralna.
Masa neutrona je 1839 puta veća od mase elektrona. Masa neutrona je skoro jednaka (nešto veća od) mase protona: masa mirovanja slobodnog neutrona m n= 1,6749286 10 -27 kg = 1,0008664902 amu i premašuje masu protona za 2,5 mase elektrona. Neutron, zajedno sa protonom pod zajedničkim imenom nukleon dio je atomskog jezgra.
Neutron je 1932. godine otkrio D. Chadwig, učenik E. Rutherforda, tokom bombardiranja berilijuma α -čestice. Rezultirajuće zračenje velike prodorne moći (savladalo je prepreku od olovne ploče debljine 10–20 cm) pojačalo je svoj učinak pri prolasku kroz parafinsku ploču (vidi sliku). Joliot-Curiejeva procjena energije ovih čestica sa tragova u komori oblaka i dodatna zapažanja omogućila su da se eliminiše početna pretpostavka da je ovo γ -quanta. Velika prodorna moć novih čestica, zvanih neutroni, objašnjena je njihovom električnom neutralnošću. Uostalom, nabijene čestice aktivno stupaju u interakciju s materijom i brzo gube energiju. Postojanje neutrona je predvidio E. Rutherford 10 godina prije eksperimenata D. Chadwiga. Na udaru α -čestice u jezgri berilija dolazi do sljedeće reakcije:
Evo simbola neutrona; njegov naboj je jednak nuli, a relativna atomska masa je približno jednaka jedan. Neutron je nestabilna čestica: slobodni neutron u vremenu od ~ 15 min. raspada na proton, elektron i neutrino - česticu bez mase mirovanja.
Nakon otkrića neutrona od strane J. Chadwicka 1932., D. Ivanenko i W. Heisenberg su nezavisno predložili proton-neutronski (nukleonski) model jezgra. Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Broj protona Z poklapa se sa serijski broj element u tabeli D. I. Mendeljejeva.
Core charge Q određena brojem protona Z, koji su dio jezgra, a umnožak je apsolutne vrijednosti naboja elektrona e:
Q = + Ze.
Broj Z pozvao broj nuklearnog punjenja ili atomski broj.
Maseni broj jezgra ALI naziva se ukupan broj nukleona, odnosno protona i neutrona sadržanih u njemu. Broj neutrona u jezgru je označen slovom N. Dakle, maseni broj je:
A = Z + N.
Nukleonima (protonu i neutronu) se dodjeljuje maseni broj jednak jedan, a elektronu nula vrijednost.
Otkriće je olakšalo i ideju o sastavu jezgra izotopi.
Izotopi (od grč. isos jednaki, isti i topoa- mjesto) - to su varijante atoma istog hemijskog elementa, čija atomska jezgra imaju isti broj proto-nov ( Z) i različit broj neutrona ( N).
Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi su nuklidi jedan element. Nuklid (od lat. jezgro- nukleus) - bilo koje atomsko jezgro (odnosno, atom) sa datim brojevima Z i N. Opšta oznaka nuklida je ……. gdje X- simbol hemijskog elementa, A=Z+N- maseni broj.
Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata, pa otuda i njihovo ime. U pravilu, izotopi se značajno razlikuju po svojim nuklearnim svojstvima (na primjer, u njihovoj sposobnosti da uđu u nuklearne reakcije). Hemijska (i gotovo podjednako fizička) svojstva izotopa su ista. Ovo se objašnjava sa Hemijska svojstva elementa određuju naboj jezgra, jer on utječe na strukturu elektronske ljuske atoma.
Izuzetak su izotopi lakih elemenata. Izotopi vodonika 1 H — protium, 2 H— deuterijum, 3 H — tricijum toliko se razlikuju po masi da su im fizička i hemijska svojstva različita. Deuterijum je stabilan (tj. nije radioaktivan) i uključen je kao mala nečistoća (1:4500) u obični vodonik. Deuterijum se spaja sa kiseonikom i formira tešku vodu. Vri pri normalnom atmosferskom pritisku na 101,2°C i smrzava se na +3,8°C. Tritium β je radioaktivan s vremenom poluraspada od oko 12 godina.
Svi hemijski elementi imaju izotope. Neki elementi imaju samo nestabilne (radioaktivne) izotope. Za sve elemente, radioaktivni izotopi su umjetno dobiveni.
Izotopi uranijuma. Element uranijum ima dva izotopa - sa masenim brojevima 235 i 238. Izotop je samo 1/140 od uobičajenijeg.
NUCLEAR ATOMIC- centralni masivni dio atoma koji se sastoji od protona i neutrona (nukleona). U I. a. skoro cela masa atoma je koncentrisana (više od 99,95%). Veličine jezgara su oko 10 -13 -10 -12 cm. Jezgra su pozitivna. električni , višestruki abs. veličina naboja elektrona e: Q = Ze. Cijeli broj Z je isti kao i redni broj elementa u periodni sistem elemenata. I. a. otkrio je E. Rutherford 1911. godine u eksperimentima o raspršivanju a-čestica dok su prolazile kroz materiju.
Sastav jezgra. Ubrzo nakon otkrića neutrona od strane J. Chadwicka (1932), D. D. Ivanenka i W. Heisenberga, temelji su neovisno navedeni. pretpostavka da I. i. sastoji se od protona (p) i neutrona (n). Ukupan broj nukleona u Ya. a. pozvao masa A, broj protona u jezgru jednak je nuklearnom naboju Z, broju neutrona N=A-Z. Zovu se jezgra sa istim nabojem Z i različitim brojem neutrona. izotopi, jezgra sa različitim Z i istim N-izotoni, jezgra sa istim ALI i različite Z i N-i je o b i r i m i. Prema modernim za prikaze, proton i neutron se sastoje od kvarkovi i gluoni i ja. a.- složen sistem iz velikog broja gluonskih i mezonskih polja koja međusobno djeluju. Dosljedan opis Ya. a. treba postići unutar kvantna hromodinamika. Međutim, zbog svoje složenosti, ovaj problem još nije riješen.
Kompozitna priroda nukleona se manifestuje samo u sudarima sa veliki transfer zamah i energija. Pri niskim energijama pobude takvi sudari u jezgru su rijetki. Stoga, kada opisujemo I. a. i nuklearne reakcije dešava se pri ne previsokim energijama (<= 1 ГэВ на нуклон), в первом приближении можно считать, что ядра
состоят из вполне определённого числа нуклонов, движущихся с нерелятивистскими
скоростями (u 2 /c 2~0,l). Kvarkovi su "zaključani" svaki u svom nukleonu. Nukleoni ne gube svoju individualnost i imaju približno ista svojstva kao u slobodnom stanju (s nekim izuzecima, vidi dolje). Proton-neutronska slika strukture Ya. a. je približan i poremećen je pri visokim energijama pobude iu procesima sa velikim prenosom impulsa i energije.
U normalnim uslovima, odstupanja od proton-neutronskog modela, povezana sa kompozitnom prirodom nukleona i kvark-gluonskom strukturom nuklearnog atoma, su mala i sastoje se u sledećem. 1) Kao rezultat interakcije između nukleona, potonji mogu postojati u nuklearnom a. ne samo u zemlji, već iu uzbuđenim stanjima, tzv. n o l o n n y m i o b a r a m i . Najniža od njih u energetskom smislu je tzv. D-izobar (vidi Rezonancije Deo vremena (~ 1%) nukleoni u jezgru mogu biti u obliku nukleonskih izobara. 2) Zaključavanje kvarkova u nukleonima nije apsolutno, nakupine kvark-gluonske materije se mogu formirati u jezgru za kratko vrijeme ( fluktoni), koji se sastoji od 6, 9 itd. kvarkova (vidi Kvark-gluonska plazma).3) Svojstva nukleona vezanih u jezgru mogu se razlikovati od osobina slobodnih nukleona. Kao što pokazuju eksperimenti dubokog neelastičnog rasejanja (vidi Ref. Duboko neelastični procesi) leptona na jezgrima, strukturne funkcije nukleona u jezgru, koje karakteriziraju raspodjelu kvarkova po impulsu u nukleonu, razlikuju se od strukturnih funkcija slobodnih nukleona (EMC efekat - European Muon Collaboration, CERN, 1982). Jedno od mogućih objašnjenja EMC efekta zasniva se na hipotezi o povećanju radijusa nukleona u jezgri u odnosu na slobodni nukleon. 4) U jezgrima se periodično pojavljuju u vremenu od 10 -23 -10 -24 s (virtuelno) mezoni, uključujući pi mesons.Istraživanje nenukleonskih stupnjeva slobode jezgra - glavni. tema moderne istraživanje u relativističke nuklearne fizike.
nuklearne snage. Nukleoni su hadrona, tj. pripadaju broju čestica koje doživljavaju jaka interakcija. Interakcija između nukleona koja ih drži u jezgri, tj. nuklearne snage, nastaje kao rezultat interakcije između sastavnih dijelova (kvarkova, glu-ona), koji formiraju nukleone. Teorija nuklearnih sila zasnovana na konceptima kvarkova je u povojima i još nije završena.
Tradicionalna teorija mezona nuklearnih sila zasniva se na ideji koju je 1935. predložio H. Yukawa. Prema teoriji mezona, interakcija između nukleona se odvija razmjenom mezona. karakterizira radijus djelovanja; definisano je compton talasna dužina mezona, na koje se nukleoni razmjenjuju, gdje je m masa mezona. Naib. radijusa djelovanja imaju sile privlačenja zbog razmjene n mezona. Za njih, l c = 1,41 fm (1 fm = 10 -13 cm). Ovo odgovara udaljenosti između nukleona u jezgrima. Razmjena težih mezona (r, w, itd.) utiče na interakciju između nukleona na manjim udaljenostima, uzrokujući, posebno, odbojnost između njih na udaljenostima<=0,4 Фм.
Veličine jezgra zavise od broja nukleona u jezgru i variraju od 10 -13 do 10 -12 cm. podaci pokazuju da up. nukleona (broj nukleona po jedinici zapremine) je skoro isti u svim jezgrama sa A>= 20. To znači da je zapremina jezgra proporcionalna ALI, i njegov radijus R proporcionalan ALI 1/3 :
gdje je konstanta a blizu dometa nuklearnih sila. Razlikovati radijus naelektrisanja jezgra, tj. usp. polumjer distribucije protona u jezgru i polumjer distribucije nuklearne materije (radijus raspodjele nukleona, bez obzira na njihov tip). Prvi se mjeri u eksperimentima sa elektromagnetna interakcija(rasipanje visokoenergetskih elektrona na jezgrima, proučavanje nivoa mionski atomi), što daje vrijednost a=1,12 fm; drugi - u nuklearnim reakcijama sa učešćem (rasipanje nukleona, a-čestica, interakcija p- i K-mezona sa jezgrama, itd.). Ovo daje nešto veću vrijednost a = 1,2-1,4 fm. sri gustina nuklearne materije je vrlo velika i iznosi ~ 10 14 g/cm 3 .
Eksperimenti o rasejanju brzih elektrona jezgrama omogućili su ne samo određivanje cf. veličine jezgra, ali i da se detaljno prouči raspodjela naboja r( r) u jezgru. Eksperimentiraj. rezultati se bolje slažu ne sa ravnomernom raspodelom naelektrisanja u jezgru, već sa tzv. Fermi distribucija:
gdje R 0
= 1,1 ALI 1/3 fm. Ova raspodjela pokazuje da je gustina naboja gotovo konstantna u ekst. područja ( r
Energija vezivanja i nuklearna masa. Energija vezivanja jezgra se naziva. energija, to-ruyu se mora potrošiti da bi se jezgro podijelilo na odvojene. nukleoni. Jednako je pomnoženom sa With 2 razlike između ukupne mase svih nukleona koji čine jezgro i mase M sam kernel:
Evo t R, t n su mase protona i neutrona. Energija vezivanja jezgra je približno proporcionalna. broj nukleona u jezgru, i sp. energija vezivanja /ALI skoro konstantno (za većinu kernela / A~ 6-8 MeV). Ovo svojstvo, nazvano zasićenje nuklearnih sila, znači da nukleon u jezgri efektivno ne komunicira sa svim nukleonima jezgre, već samo sa određenim ograničenim brojem njih (u suprotnom bi energija vezivanja bila proporcionalna. ALI).
Konstantnost gustine i otkucaja. energija vezivanja jezgra približava svojstva jezgra onima tečnosti. Ova sličnost je bila osnova modela jezgra kao kap tečnosti ( kap model jezgra), zasnovan na rezu K. F. von Weizsackera (C. F. von Weizsacker) 1935. predložio je poluempirijski. gripa ( Weizsäcker formula) za energiju vezivanja jezgra:
Ovdje prvi pojam opisuje ukupnu energiju "kapi", drugi karakterizira slabljenje veze za nukleone smještene na površini jezgra, treći pojam opisuje doprinos Kulonove energije kapi polumjera R~A 1/3 i uz naplatu Z. Četvrti član (tzv. energija simetrije) nema klasičnu. analogno i odražava činjenicu da je privlačnost između nukleona različitih vrsta u cf. jači nego za identične nukleone. Ovo je zajedno sa Paulijev principčini energetski nepovoljnim. odstupanje N od Z. Peti član energije
Reproducira eksperimentalnu činjenicu da parna jezgra ( Z i N parni) su jače povezani od susjednih parno-neparnih jezgara, a potonja su, zauzvrat, stabilnija od neparno-neparnih jezgara.
Moderna vrijednosti parametara Weizsacker f-ly: b 1 =
15,75 MeV, b 2 = 17,8 MeV, b 3 = 0,71 MeV, b 4 = 23,7 MeV. F-la (4) u cf. dobro opisuje energiju vezivanja jezgara, ograničava vrijednost Z 2 /A ~ 46 je područje postojanja jezgara otpornih na fisiju. Međutim, ne uzima u obzir pojedinačne karakteristike strukture ljuske jezgra. Ovi efekti se mogu uzeti u obzir metodom korekcije ljuske Strutinskog, koja predviđa mogućnost postojanja tzv. ostrva u stabilnosti superteških jezgara na Z~114 (vidi Transuranijumski elementi).
Kvantne karakteristike nuklearnih nivoa. I. a. pri energijama ispod praga raspada (sa emisijom nukleona, a-čestice, itd.) mogu biti samo u diskretnim stanjima sa određenim. energije, koju karakterizira skup kvantnih brojeva koji specificiraju vrijednosti očuvanih veličina (integrale kretanja) u tim stanjima. Iznad praga nuklearnog raspada, diskretna stanja postaju nestacionarna i pojavljuju se u nuklearnim reakcijama kao rezonancije konačne širine.
Naib. važne karakteristike nuklearnih stanja su spin jezgra (ili moment broja kretanja, koji se naziva i ugaoni moment jezgra) I i paritet p = +
1. Spin / se mjeri u jedinicama i uzima polucijele vrijednosti ( I= 1 / 2 , 3 / 2 , ...) Neparna jezgra i cjelobrojne vrijednosti ( I=0, 1, 2, ....) za parna jezgra. Paritet p označava simetriju valne funkcije y nuklearnog stanja u odnosu na zrcalni odraz prostora R(cm. Prostorna inverzija: R y = py. S tim u vezi, za nuklearna stanja je naznačena kombinovana karakteristika I p . Empirijski je utvrđeno da je stanja parno-parnih jezgara imaju karakteristiku 0 + . Spinovi i pariteti neparnih jezgara se obično objašnjavaju modelom ljuske (vidi dolje). Strogo govoreći, parnost nije tačan kvantni broj, budući da se ne održava pri slaba interakcija. Preko snaga elektroslaba interakcija između nukleona dolazi do miješanja stanja sa istim spinom I i suprotne paritete. Međutim, zbog male sile narušavanja pariteta, ovo miješanje je malo i može se zanemariti kada se razmatraju spektri nuklearnih nivoa, različite nuklearne reakcije i prijelazi, s izuzetkom procesa koji su posebno usmjereni na proučavanje fenomena. neočuvanje parnosti u jezgrima.
Još jedna važna, iako približna, nuklearna karakteristika je izotopski spin(ili izobarični spin) T, to-ry se sastoji od izospinova otd. nukleoni prema istim pravilima kao i obični spin. Očuvanje ove vrijednosti je povezano sa izotopska invarijantnost nuklearnih sila, do-raj leži u činjenici da nuklearne interakcije između dva nukleona u identičnim prostorima. i spinska stanja ne zavise od tipa nukleona, tj. ista su u parovima pp, pn i n. Izotop spin (isospin) može uzeti vrijednosti T>=(N-Z)/ 2, cijeli broj za parne jezgre i polucijeli broj za neparne. Poput običnog okretanja, on također ima fiksnu projekciju na jednu od formalnih osi izospin. prostor T Z = (A - 2Z)/2. Povezan je s nabojem jezgra i stoga je strogo očuvana veličina u svim nuklearnim stanjima. Nasuprot tome, izospin T je približan kvantni broj. Kršenje izospina (tj. miješanje komponenti različitih vrijednosti T u talasnoj funkciji nuklearnog stanja) nastaje zbog razlike u masama protona i neutrona, kao i Kulonove interakcije između protona. U lakim jezgrima sa Z<=20 эти эффекты малы и изоспин T je prilično tačan kvantni broj. Kao rezultat toga, nuklearna stanja mogu se okarakterizirati kvantnim brojevima T i T Z , a države sa istim vrednostima I p , T u susednim jezgrima-izobare se kombinuju u izotopske multiplete. Pošto projekcija izoepina uzima vrijednosti T Z =T, T-1, ...., - T, zatim u izotopu multiplet uključen 2 T+ 1 nivo.
Eksperimentalno je utvrđeno da što je veća energija pobude nuklearnog stanja, to je veći izospin. Stoga, u glavnom stanje kernela T= T Z a za parno-parna jezgra sa Z=N T= 0. Jezgra sa T= 1/2 i T Z = b 1/2 forme isodub-let (npr. 3 H - 3 He). Primjer izotripleta je glavni. stanje 0 + ( T=1, T Z = 1) jezgra 6 He, pobuđeno stanje 0 + ( T= 1, T Z = 0
) jezgra 6 Li
(energija pobude 3,56 MeV) i glavni. stanje jezgra 6 Be ( T= 1, T Z =-1)
. U nuklearnoj fizici uobičajeno je da se izospin pripisuje nukleonu T= 1 / 2 i vrijednosti T Z = 1/2 neutrona, T Z =- 1/2 na proton, za razliku od fizike elementarnih čestica, gdje se koriste suprotni znaci projekcija izospin nukleona. Ovo je učinjeno iz razloga pogodnosti, tako da vrijednosti T Z bili pozitivni na stabilna jezgra, za koje N>Z.
Stanja jezgara koja čine jedan izotop. multiplet, tzv analogna stanja. Zbog izotopske invarijantnosti nuklearnih sila, (čisto nuklearna) struktura ovih stanja je ista, a sve razlike u njihovim svojstvima su posljedica el-magn. interakcija. Na primjer, energije vezivanja analognih stanja su iste sve do razlike u Kulombovim energijama u jezgrima datog multipleta. Kako Z raste, uloga Kulonove interakcije se povećava. Stoga, u teškim jezgrima, tačnost izoepina kao kvantnog broja opada. Ipak, tragovi izospinske simetrije pojavljuju se u činjenici da je u dekomp. nuklearne reakcije, uočena su stanja koja su otkrivena 1961. godine koja su nestabilna u odnosu na emisiju nukleona, koja su analogi osnovnog ili niže stabilnog pobuđenog stanja susjednog jezgra s manjim Z (analogna rezonancija s). Na primjer, kada su protoni raspršeni stabilnim jezgrom ALI sa brojem neutrona i protona N i Z(T 0 = T Z = (N-Z)/ 2
) rezonancije koje odgovaraju formaciji složeno jezgro A+ 1 (Z+l, N) u pobuđenom stanju sa kvantnim brojevima T=T 0 +
1 / 2 , T Z =T 0 - 1 / 2 uključeno u isti izotop. multiplet, što je isto što i osn. susjedno stanje jezgra A+ 1(N+ 1, Z), T=T Z=T 0 +
12 . Međutim, eksperimenti su pokazali da analogne rezonancije imaju finu strukturu, što ukazuje da postoji miješanje analognog stanja koje karakterizira izospin T 0 + 1 / 2 sa drugim pobuđenim stanjima jezgra spoja koji odgovaraju izospinu T=T 0
- 1 / 2 .
Električni i magnetni momenti jezgara. U svakom od mogućih stanja I. a. ima definiciju. magnetne vrednosti. dipolni moment i kvadrupolni električni moment (vidi. kvadrupolni moment jezgra). Statički magn. moment može biti različit od 0 samo u slučaju kada je spin nuklearnog stanja I 0 i statički. kvadrupolni moment može imati vrijednost različitu od nule samo kada I> 1 / 2 . Nuklearna država sa def. paritet ne može imati električnu vrijednost različitu od nule. dipolni moment ( E 1)
, kao i ostale električne. momente E l neparni višepolni l i statički. magn. momente M l parnog višepolnog l. Postojanje nenulte električne energije dipolni moment E 1 je također zabranjen nepromjenljivošću vremenskog preokreta ( T-invarijantnost). Budući da su efekti neočuvanja i narušavanja pariteta T-invarijantnost je vrlo mala, dipol električni. momenti jezgara su ili jednaki 0 ili veoma mali i za sada nedostupni za merenje.
Magn. momenti jezgara ( M 1) imaju nuklearni red veličine magneton.Electr. kvadrupolni momenti eQ promijeniti od e 10 -27 cm 2 u nekim lakim jezgrima do e 10 -24 cm 2 u teškim deformisanim jezgrima. Sistematski podaci o magn. a kvadrupolni momenti su dostupni samo za glavne. nuklearne države. Mogu se mjeriti radiospektroskopijom. metode (vidi Nuklearna magnetna rezonanca).Specijalist. metode (metoda poremećenih ugaonih korelacija) takođe mogu mjeriti statičke. magn. i kvadrupolni momenti pobuđenih stanja jezgara. Podaci magneta. i kvadrupolni momenti jezgara sadrže važne informacije o strukturi i obliku jezgara i koriste se za izgradnju i testiranje nuklearnih modela. Postoje neki podaci o višim multipolnim momentima jezgara (na primjer, heksadekapolni momenti - E 4)
.
Struktura i modeli jezgara
I. a. je kvantni sistem. tijela koja međusobno snažno djeluju. Teorijski opisivanje svojstava takvog sistema (spektre nivoa energije, raspada, nuklearnih reakcija i kvantnih prelaza) je težak zadatak. Broj nukleona ALI u kernelu nije toliko velika da je moguće koristiti statističke metode bez rezervi. mehanika (up. Gibbsova distribucija), uspješno se koristi u fizici kondenzatora. mediji (tečnosti, čvrste materije). U isto vrijeme, tačno rješenje u kvantnoj mehanici moguće je samo za problem dva tijela ( deuteron).Uspesi postignuti u rešavanju problema 3-4 tela Ch. arr. koristeći jednačine Faddejeva i Faddejeva-Jakubovskog, omogućavaju vam da dobijete stroge količine. rezultati samo za najlakša jezgra 3 H, 3 He, 4 He. Situacija je komplikovana nedostatkom sigurnosti u našem znanju o nuklearnim silama. Konačno, uspostavljanje kompozitne prirode nukleona transformiše sistem ALI nukleona u sistem, najmanje 3 ALI kvarkova, što dodatno komplikuje zadatak opisivanja strukture i svojstava jezgara. Dosljedno rješenje ovog problema može se postići samo u okviru (neperturbativnog) kvantna hromodinamika, ali je još daleko od rješenja.
Razumijevanje strukture kernela zasniva se na upotrebi decomp. nuklearnih modela, od kojih svaki ima za cilj da opiše određenu. skupovi nuklearnih svojstava i karakteristika. Neki se modeli, na prvi pogled, međusobno isključuju. Zbog toga su važni mikroskopski. pristupi u teoriji jezgra, koji omogućavaju da se utvrde granice primenljivosti dekom. modela, stepen njihove međusobne kompatibilnosti, kao i da se na osnovu prvih principa procene ili izračunaju vrednosti parametara koji se koriste u modelima kao fenomenološki i izvlače se iz eksperimentalnih podataka.
Shell model kernela pretpostavlja da se kao rezultat interakcije nukleona međusobno, u jezgru formira zajedničko prosječno (samokonzistentno) polje, koje se opisuje potencijalom ljuske V o6 ( r), u kojem se nukleoni kreću kao nezavisne (u prvoj aproksimaciji) čestice. Svaki od nukleona ispunjava jednu od orbita, koju karakterizira orbitalni moment l(u slučaju sferno simetričnog polja), ukupni ugao. momenat j=l+
1 / 2 i paritet p = (- 1) l. Energija nukleona u orbiti lj ne zavisi od projekcije t ukupni impuls nukleona j (-j<=m<=j)
. Stoga, u skladu sa Paulijevim principom, na svakom nivou sa energijom ( nlj) može biti 2 j+1 nukleona iste vrste koji formiraju protonsku (ili neutronsku) podljusku ( nlj), gdje n= 1, 2,... - gl. kvantni broj (radijalni).
Nekoliko slične po energiji podljuske su grupisane u ljuske odvojene jedna od druge velikim energetskim tič. intervalima. puni trenutak I
za k nukleona u ljusci dobija se zbrajanjem momenata j
otd. nukleoni. U ispunjenoj ljusci momenti svih nukleona se međusobno kompenzuju, a dozvoljena je samo jedna vrijednost ukupnog momenta I= 0. Poput atoma plemenitog gasa, koji imaju popunjene elektronske ljuske, jezgre koje se sastoje od popunjenih nukleonskih omotača takođe karakteriše posebna stabilnost (velika specifična energija vezivanja). U prizemnim i nisko ležećim pobuđenim stanjima jezgara, donje jednočestične orbite su popunjene i formiraju "inertno" jezgro jezgra, pored koje se u najbližoj neispunjenoj ljusci nalazi i određeni broj nukleona. Baš kao što valentni elektroni određuju hem. svojstva atoma, spektri nižih nivoa i njihova svojstva u većini jezgara određuju "valentni" nukleoni iz nepopunjenih ljuski.
Najjednostavnija verzija modela ljuske (model jedne čestice) predstavlja neparno jezgro kao kombinaciju parno-parnog jezgra u stanju 0 + i neparnog nukleona u orbiti nlj. Zatim spin neparnog jezgra u glavnom. stanje jednako j, a paritet p = (- 1) l. Sistematika spinova i pariteta neparnih jezgara omogućava da se odredi redosled punjenja orbita u jezgrima, kao i energije ovih orbita. To je omogućilo uspostavljanje glavne karakteristike i oblik potencijala ljuske V o6 ( r). Konkretno, M. Goeppert-Mayer (M. Goeppert-Mayer, SAD) i J. X. Jensen (J. H. Jensen, Njemačka) su 1949-50. ustanovili potrebu za uključivanjem spin-orbit interakcije u potencijal ljuske V co( r) (ls). Tek kada se uzme u obzir snažno spin-orbitno cijepanje jednočestičnih stanja, moguće je objasniti sistematiku nuklearnih spinova i slijed punjenja orbite, kao i magiju. broj protona ili neutrona koji odgovaraju ispunjenim školjkama (vidi Magična jezgra Magija. brojevi (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) odgovaraju uzastopnim. punjenje nukleonima jedne vrste školjki:
Zagrade označavaju skup jednočestičnih stanja sa sličnim energijama koji čine jednu ljusku. Školjke su energetski odvojene jedna od druge. jaz koji znatno premašuje rastojanje između nivoa unutar iste ljuske (slika 1).
Centar. dio potencijala ljuske je potencijal. jama konačne dubine, čiji oblik ponavlja raspodjelu nuklearne gustine. Najčešće se radi o tzv. Potencijal Saxon-Woods:
With V 0 50 MeV. Kada se opisuje vezana stanja nukleona, može se približno zamijeniti harmonijskim potencijalom. oscilator ili pravougaonik i koristiti valne funkcije nukleona za ove jednostavne potencijale ljuske u opisivanju svojstava nuklearnih stanja.
Rice. 1. Šema punjenja nuklearnih školjki protonima (lijevo) i neutronima (desno). Desno od nivoa su ukupni ugaoni momenti jezgra; lijevo - spektroskopski simboli: slovo odgovara određenoj vrijednosti l [l=0 (s), 1(p), 2(d),
3(f), 4(g), 5(h), 6(i)]; cifra je glavni kvantni broj. Isprekidana linija označava magične brojeve punjenja školjki.
Model ljuske na zadovoljavajući način opisuje magnetsko polje. momenta neparnih jezgara, koja se, prema eksperimentalnim podacima, nalaze između tzv. Schmidtove linije. Zvali su Schmidtove linije. magnetna zavisnost. dipolni momenti nukleona M od ang. momenat j dato l=jb 1 / 2 (sl. 2). Nešto gore opisani su električni. kvadrupolni momenti nuklearnih stanja. Ovo posljednje je zbog činjenice da potencijal V o6 ( r) prvobitno se pretpostavljalo da je sferno simetričan.
Rice. 2. Schmidtove linije za jezgra sa neparnim brojem protoni Z.
Nesferičnost jezgara. Rotacioni model. Posebno su veliki kvadrupolni momenti Q jezgra sa I> 1/2 u oblasti rijetkih zemalja (150<A<190)
и актинидов (A> 200
). Oni premašuju vrijednosti predviđene modelom sferne ljuske. potencijal V oko 10-100 puta. Energije nižih nivoa ovih jezgara zadovoljavaju "zakon rotacije":
to-ry opisuje spektar rotacije. nivoa krutog simetričnog vrha sa momentom inercije J(cm. Rotaciono kretanje jezgra).Stanje takvog vrha sa ugl. momente I=K, K+ 1, K+ 2, ... formiraju rotaciju. bend, karakteriziran određenim. vrijednost ugla projekcije. moment na osi simetrije vrha I 3
= To. Izuzetak su bendovi sa K= 0, za koje su dozvoljene samo parne ili samo neparne vrijednosti ugla. momenat I. Konkretno, na stanja parno-parnih jezgara su zasnovana na rotaciji. pruge sa K= 0 i vrijednosti I p = 0 + , 2 + , 4 + , ... bendovi su jaki električni. četveropol ( E 2
)g-prijelazi.
Ove činjenice su poslužile kao osnova za konstruisanje kolektivnog modela jezgra predloženog 1950-ih godina. J. Rainwater, A. Bohr, B. R. Mottelson. Prema ovom modelu, jezgra u gornjim područjima imaju oblik elipsoida okretanja sa poluosama
gdje parametar deformacije P karakterizira stepen nesferičnosti jezgra. Određuje vrijednosti statičkih kvadrupolnih momenata jezgara, vjerovatnoću e-magn. E 2-prijelaza između rotacije razine i vrijednosti momenta inercije jezgra (vidi deformisana jezgra). Prema eksperimentalnim podacima, vrijednost b za većinu deformiranih jezgara je u rasponu od 0,1-0,3 (normalna deformacija). Uz pomoć nuklearnih reakcija s teškim ionima otkrivene su pobuđene rotacije. stanje u nekim jezgrima (152 Dy) sa velikim uglom. momente I~40-60 (visoko-spinova stanja jezgara), koje karakteriše izuzetno velika deformacija, kada je odnos poluosi jezgra a 1 : a 2 = 2:1 ili 3:2 (super defor-peace pruge). Neki deformišu. jezgra (izotopi Os, Pt) nemaju aksijalnu simetriju. Njihovi donji nivoi predstavljaju rotaciju. stanja asimetričnog vrha (model neaksijalnog rotatora Davidov-Filippov). Rotirajte skalu. energije (2 /
2J~= 100 keV) u teškoj deformaciji. jezgra je takav da moment inercije jezgra u stanjima sa normalnom deformacijom J~10 -27 g cm 2. To je 2-3 puta manje od momenta inercije čvrstog elipsoida odgovarajućeg oblika. To znači da nije sva masa jezgra uključena u rotaciju. pokret. U superdeformatoru. trakama, moment inercije je blizak čvrstom stanju.
Int. deformirati strukturu. jezgra je opisana modelom ljuski sa deformatorom. potencijal V o ( r) (Nielssonov model). Proučavanje ovisnosti energije jednočestičnih orbita nukleona od deformacije u ovom modelu pokazuje da u nekim područjima periodična sistema elemenata, energetski je korisno da jezgra nisu sferna, već deformisana. Vrijednost deformacije koju predviđa teorija općenito se slaže s eksperimentom. Deformator na bazi vibracijskih pobuda. jezgra (vidi Vibracione ekscitacije jezgara) nastaju nove rotacije. pruge (b-band sa K= 0 i g-opseg sa K= 2)
. Preuređenje punjenja jednočestičnih orbita u deformator. potencijal generiše pobuđenu rotaciju. pruge. Kao rezultat toga, u spektrima niza jezgara, moguće je razlikovati sredstva. broj rotacija opsega (do 9 u jezgri od 235 U). Dep. trake su praćene do vrlo velikih uglova. momenat I~ 25-30. Sredstva. deformacije, kao i rotacije. spektri imaju relativno lagana jezgra (na primjer, 20 Ne, 4 Mg). Kada se promijeni parametar deformacije jezgra b, mijenja se struktura ljuski. Za veliko b ( a 1 :a 2
=
2:1
) jednočestične orbite su grupisane u školjke drugačije nego pod normalnim deformacijama, pojavljuju se nove magije. brojevi. Jezgra bliska magiji (na primjer, 152 Dy) s takvom deformacijom su relativno stabilna i mogu generirati rotaciju. pruge. Eksperimentalno su otkriveni u obliku superdeformatora. pruge.
Rotaciona struktura. spektri stvarnih jezgara odstupaju od idealne rotacije. zakon (
5
) zbog centrifugalnih efekata (povećanje momenta inercije jezgra sa povećanjem momenta), kao i zbog Coriolisove sile i drugi neadijabatski. amandmani. Komunikacija kretanja otd. nukleoni sa rotacijom jezgra u cjelini utječu na strukturu rotacije. stanja neparnih jezgara već pri malim vrijednostima b i To, što dovodi do činjenice da umjesto (5) njihove energije opisuje f-loi
Ovdje d K,1/2 =0 at To 1/2 i d DO, 1/2 =1 at K= 1 / 2 , konstantno a-empirijski odabrani "parametar razdvajanja" koji karakterizira vezu ug. impuls i rotacija nukleona. momenta jezgra.
Model superfluidnog jezgra. Parne korelacije supravodljivog tipa nastaju u jezgru zbog tzv. rezidualna interakcija između nukleona, onaj dio stvarne interakcije nukleon-nukleon, koji nije uključen u samokonzistentni potencijal up. polja V o ( r). Empirijski posmatrano energetski. koristi za dva nukleona u orbiti nlj formiraju par sa compen-sir. leđa, tj. sa punim momentom I= 0. Takav par je sličan Cooperovom paru elektrona sa suprotnim momentom u superprovodnik. Privlačenje između nukleona u tim stanjima blizu Fermijeve površine uzrokuje superfluidnost atomskih jezgara.
Detaljan superfluidni model jezgra su nezavisno razvili S. T. Belyaev i V. G. Solovjov koristeći metode slične onima iz teorije supravodljivosti. Jedna od manifestacija superfluidnosti nuklearne materije može biti prisustvo energije. praznine D između superfluidnog i normalnog stanja nuklearne materije. Određena je energijom razaranja Cooperovog para i iznosi ~1 MeV u teškim jezgrima. Razlika između momenata inercije jezgara i vrijednosti u čvrstom stanju također je povezana sa superfluidnošću nuklearne materije. Superfluidni model jezgra na zadovoljavajući način opisuje momente inercije jezgara, promjenu parametra nuklearne deformacije b kako je valentna ljuska ispunjena nukleonima. Superfluidnost nuklearne materije, koja dovodi do razmazivanja Fermijeve površine, ima značajan uticaj na e-mag. tranzicije, vjerovatnoće reakcija jednog nukleona (slom, podizanje) i prijenosa dva nukleona (vidi. Direktne nuklearne reakcije).
Superfluidni model predviđa uništenje parnih korelacija u jezgru pri dovoljno velikim spinovima ( I>>1). Ovaj fenomen je analogan uništavanju supravodljivosti jakim magnetima. polju, manifestuje se naglim povećanjem momenta inercije J u ovoj rotaciji. bend na određenom rum kritičan. vrijednost spina I cr ~60. Međutim, to još uvijek nije jasno uočeno kada se proučavaju visokospinalna stanja jezgara ( I<=20-30),
возбуждаемых в реакциях с тяжёлыми ионами, наблюдалось немонотонное изменение
J sa povećanjem I(b i t n y zag i b). U rasponu okretanja I B (~12-16) povećanje ug. momenat I ne dovodi do povećanja brzina rotacije w, ali do njenog smanjenja zbog činjenice da se moment inercije jezgra naglo povećava J. Ova promjena je zbog činjenice da je blizu tačke I B postoji raskrsnica glavne rotacije. core bendovi ( K= 0 +
) sa uzbuđenom trakom ugrađenom iznutra. stanje jezgra, u kojem se jedan od Cooperovih parova spaja u neutronskoj orbiti h 11/2 je uništen i spinovi ova dva nukleona više ne kompenzuju jedan drugog, već se oba postavljaju paralelno sa rotacijom. momenat. U tom slučaju se mijenja deformacija jezgra, povećava se moment inercije i mijenja se magnetsko polje. osnovne karakteristike.
Uništenje para je posljedica Coriolisovih sila, čiji je učinak maksimalan za nukleone u školjkama s velikim nukleonskim momentima j. Otkriveno orbitalno poravnanje protona h 11/2 i neutroni u orbiti i 13/2. Poravnanje dva para nukleona dovodi do drugog obrnutog savijanja, itd. Pitanje prirode superfluidnosti nuklearne materije u superdeformator. države je pod istragom.
Ostali modeli kernela. Zajedno sa glavnim kernel modeli se koriste specijalizovanije. modeli. Model klastera tumači strukturu nekih jezgara kao neku vrstu molekule koja se sastoji od a-čestica, deuterona (d), newts(t) itd. Na primjer, l2 C = 3a, 16 O = 4a, 6 Li = a+d, 7 Li = a + t, itd. (cm. model asocijacije nukleona). Statistički model jezgra opisuje svojstva i karakteristike visoko pobuđenih stanja jezgara, kao što su gustina nivoa, temperatura itd.
U modelu interakcije međudjelujućih bozona, pretpostavlja se da se u najnižim stanjima parno-parnog jezgra nukleoni kombinuju u S- i D-parovi (sa momentima 0 i 2), koji se približno mogu tretirati kao idealni s- i d-bozoni. Broj ovih bozona jednak je polovini broja valentnih nukleona. U ovom modelu, spektar najnižih kolektivnih stanja jezgra nastaje kao rezultat interakcije između bozona. Prefinjenije verzije ovog modela uključuju s-, d-, g-,... bozone, te uporediti različite bozone sa protonskim i neutronskim parovima. Model interakcijskih bozona omogućava da se opiše, zajedno sa rotacijom. i fluktuiraju. spektri su i spektri složenije strukture, karakteristični za jezgra koja prelaze iz sfernih u deformisana jezgra. Opravdanje nuklearnih modela i detaljniji proračuni svojstava jezgri vrše se pomoću tzv. mikroskopski metode (Hartrey-Foka metoda, metoda slučajne faze, teorija konačnih Fermi sistema, itd.).
Lit.: Davidov A. S., Teorija atomskog jezgra, M., 1958; Mukhin K. N., Eksperimentalna nuklearna fizika, 5. izdanje, knj. 1-2, M., 1993; Migdal A. B., Teorija konačnih Fermi sistema i svojstva atomskih jezgara, 2. izdanje, M., 1983; Bohr O., Mottelson B., Struktura atomskog jezgra, trans. sa engleskog, tom 1-2, M., 1971-77; Sitenko A. G., Tartakovski V. K., Predavanja o teoriji jezgra, Moskva, 1972; Shirokov Yu. M., Yudin N. P., Nuklearna fizika, 2. izd., M., 1980; Aizenberg I., Greiner V., Modeli jezgara, kolektivni i jednočestični fenomeni, trans. sa engleskog, M., 1975; njih, Mikroskopska teorija jezgra, trans. sa engleskog, M., 1976; Rhine-water, J., Kako je nastao model sferoidnih jezgara, trans. s engleskog, UFN, 1976, v. 120, c. 4, str. 529; Bor O., Rotaciono kretanje u jezgrima, trans. sa engleskog, ibid., str. 543; Mottelson B., Elementarni tipovi ekscitacije u jezgrima, trans. sa engleskog, ibid., str. 563; Solovjov VG, Teorija atomskog jezgra. Nuklearni modeli, Moskva, 1981; Mihailov V. M., Kraft O. E., Nuklearna fizika, L., 1988; Nemets O. F. et al., Nukleonske asocijacije u atomskim jezgrama i nuklearne reakcije multinukleonskih transfera, K., 1988.
Yu. F. Smirnov.
Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i okolnih elektrona. Atomska jezgra imaju dimenzije od približno 10 -14 ... 10 -15 m (linearne dimenzije atoma su 10 -10 m).
Atomsko jezgro se sastoji od elementarnih čestica protona i neutrona. Proton-neutronski model jezgra predložio je ruski fizičar D. D. Ivanenko, a potom ga je razvio V. Heisenberg.
proton ( R) ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i mase mirovanja t str =
1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, gdje m e je masa elektrona. neutron ( n)-neutralna čestica sa masom mirovanja m n= 1,6749∙10 -27 kg 
1839t e ,.
Masa protona i neutrona se često izražava u drugim jedinicama - u jedinicama atomske mase (a.m.u., jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika 
). Mase protona i neutrona približno su jednake jednoj jedinici atomske mase. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni(od lat. jezgro-kernel). Ukupan broj nukleona u atomskom jezgru naziva se maseni broj ALI).
Polumjeri jezgara rastu sa povećanjem masenog broja u skladu sa relacijom R= 1,4ALI 1/3 10 -13 cm.
Eksperimenti pokazuju da jezgra nemaju oštre granice. U središtu jezgre postoji određena gustoća nuklearne materije, koja se postepeno smanjuje na nulu s povećanjem udaljenosti od centra. Zbog nedostatka dobro definirane granice jezgra, njegov "radijus" je definiran kao udaljenost od centra na kojoj je gustoća nuklearne materije prepolovljena. Pokazalo se da prosječna distribucija gustine materije za većinu jezgara nije samo sferna. Većina jezgara je deformisana. Često su jezgra u obliku izduženih ili spljoštenih elipsoida.
Karakterizirano je atomsko jezgro naplatitiZe, gdje Zbroj naplate jezgra, jednak broju protona u jezgru i koji se poklapa sa serijskim brojem hemijskog elementa u Periodnom sistemu elemenata Mendeljejeva.
Jezgro je označeno istim simbolom kao neutralni atom: 
, gdje X- simbol hemijskog elementa, Z atomski broj (broj protona u jezgru), ALI- maseni broj (broj nukleona u jezgru). Masovni broj ALI približno jednaka masi jezgra u jedinicama atomske mase.
Pošto je atom neutralan, naelektrisanje jezgra Z određuje broj elektrona u atomu. Broj elektrona ovisi o raspodjeli po stanjima u atomu. Nuklearni naboj određuje specifičnosti datog kemijskog elementa, odnosno određuje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih omotača, veličinu i prirodu unutaratomskog električnog polja.
Jezgra sa istim brojevima naboja Z, ali sa različitim masenim brojevima ALI(tj. sa različitim brojem neutrona N=A-Z) nazivaju se izotopi, a jezgra sa istim ALI, ali drugačije Z- izobare. Na primjer, vodonik ( Z= l) ima tri izotopa: H - protij ( Z=l, N= 0),
H - deuterijum ( Z=l, N= 1),
H - tricijum ( Z=l, N\u003d 2), kositar - deset izotopa itd. U velikoj većini slučajeva, izotopi istog kemijskog elementa imaju iste kemijske i gotovo iste fizičke osobine.
E, MeV
Nivoi energije
i uočene prelaze za jezgro atoma bora
Kvantna teorija striktno ograničava energetske vrijednosti koje sastavni dijelovi jezgri mogu imati. Skupovi protona i neutrona u jezgrima mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima karakterističnim za dati izotop.Kada elektron prelazi iz višeg u niže energetsko stanje, energetska razlika se emituje u obliku fotona. Energija ovih fotona je reda nekoliko elektron volti. Za jezgra, energije nivoa leže u rasponu od približno 1 do 10 MeV. Tokom prelaza između ovih nivoa, emituju se fotoni veoma visokih energija (γ-kvanta). Da bismo ilustrovali takve prelaze na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet energetskih nivoa jezgra 
.Okomite linije označavaju uočene prelaze. Na primjer, γ-kvant sa energijom od 1,43 MeV se emituje tokom prelaska jezgra iz stanja sa energijom od 3,58 MeV u stanje sa energijom od 2,15 MeV.
atomsko jezgro
Atomsko jezgro
atomsko jezgro
- centralni i vrlo kompaktan dio atoma, u kojem je koncentrirana gotovo sva njegova masa i sav pozitivan električni naboj. Jezgro, koje Coulomb drži blizu sebe, prisiljava elektrone u količini koja kompenzira njegov pozitivni naboj, formira neutralni atom. Većina jezgara ima oblik blizak sfernom i prečnika ≈ 10 -12 cm, što je četiri reda veličine manje od prečnika atoma (10 -8 cm). Gustina materije u jezgru je oko 230 miliona tona/cm 3 .
Atomsko jezgro je otkriveno 1911. godine kao rezultat serije eksperimenata o raspršivanju alfa čestica tankim zlatnim i platinastim folijama, izvedenih u Cambridgeu (Engleska) pod vodstvom E. Rutherforda. Godine 1932, nakon otkrića neutrona od strane J. Chadwicka, postalo je jasno da se jezgro sastoji od protona i neutrona
(V. Heisenberg, D.D. Ivanenko, E. Majorana).
Za označavanje atomskog jezgra koristi se simbol hemijskog elementa atoma koji uključuje jezgro, a gornji lijevi indeks ovog simbola pokazuje broj nukleona (maseni broj) u ovom jezgru, a donji lijevi indeks prikazuje broj protona u njemu. Na primjer, označava se jezgro nikla koje sadrži 58 nukleona, od kojih su 28 protoni. Isto jezgro se takođe može označiti kao 58 Ni, ili nikl-58.
Jezgro je sistem gusto zbijenih protona i neutrona koji se kreću brzinom od 10 9 -10 10 cm/sec i drže ih snažne nuklearne sile kratkog dometa međusobnog privlačenja (njihovo područje djelovanja ograničeno je udaljenostima od ≈ 10 -13 cm). Protoni i neutroni su veličine oko 10-13 cm i smatraju se dva različita stanja jedne čestice koja se zove nukleon. Radijus jezgra može se približno procijeniti formulom R ≈ (1,0-1,1)·10 -13 A 1/3 cm, gdje je A broj nukleona (ukupan broj protona i neutrona) u jezgru. Na sl. 1 pokazuje kako se mijenja gustina materije (u jedinicama od 10 14 g/cm3) unutar jezgra nikla, koje se sastoji od 28 protona i 30 neutrona, u zavisnosti od udaljenosti r (u jedinicama od 10 -13 cm) do centra jezgro.
Nuklearna interakcija (interakcija između nukleona u jezgru) nastaje zbog činjenice da nukleoni razmjenjuju mezone. Ova interakcija je manifestacija fundamentalnije snažne interakcije između kvarkova koji čine nukleone i mezone (slično, hemijske sile veze u molekulima su manifestacija fundamentalnijih elektromagnetnih sila).
Svijet nukleusa je veoma raznolik. Poznato je oko 3000 jezgara, koje se međusobno razlikuju ili po broju protona, ili po broju neutrona, ili oboje. Većina ih se dobiva umjetno.
Samo 264 jezgra su stabilne, tj. ne doživljavaju nikakve spontane transformacije, koje se nazivaju raspadima, tokom vremena. Ostali doživljavaju različite oblike raspada - alfa raspad (emisija alfa čestice, tj. jezgra atoma helijuma); beta raspad (istovremena emisija elektrona i antineutrina ili pozitrona i neutrina, kao i apsorpcija atomskog elektrona sa emisijom neutrina); gama raspad (emisija fotona) i drugi.
Različite vrste jezgara često se nazivaju nuklidima. Nuklidi sa istim brojem protona i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi. Nuklidi s istim brojem nukleona, ali različitim omjerima protona i neutrona nazivaju se izobare. Laka jezgra sadrže približno jednak broj protona i neutrona. U teškim jezgrima, broj neutrona je oko 1,5 puta veći od broja protona. Najlakše jezgro je jezgro atoma vodika, koje se sastoji od jednog protona. Najteže poznate jezgre (dobivene su umjetno) imaju broj nukleona od ≈290. Od toga, 116-118 su protoni.
Različite kombinacije broja protona Z i neutrona odgovaraju različitim atomskim jezgrama. Atomska jezgra postoje (tj. njihov životni vijek t > 10 -23 s) u prilično uskom rasponu promjena brojeva Z i N. U ovom slučaju, sva atomska jezgra se dijele na dva velike grupe- stabilan i radioaktivan (nestabilan). Klaster stabilnih jezgara blizu linije stabilnosti, koja je data jednačinom
|
Rice. 2. NZ-dijagram atomskih jezgara. |
Na sl. 2 prikazuje NZ dijagram atomskih jezgara. Crne tačke pokazuju stabilna jezgra. Područje gdje se nalaze stabilna jezgra obično se naziva dolina stabilnosti. Na lijevoj strani stabilnih jezgara nalaze se jezgra preopterećena protonima (protonima bogata jezgra), na desnoj - jezgra preopterećena neutronima (jezgra bogata neutronima). Atomske jezgre koje su trenutno otkrivene su istaknute bojom. Ima ih oko 3,5 hiljade. Smatra se da bi ih ukupno trebalo da bude 7-7,5 hiljada. Jezgra bogata protonima (grimizne boje) su radioaktivna i pretvaraju se u stabilna uglavnom kao rezultat β + raspada, proton koji je dio jezgra pretvara se u neutron. Jezgra bogata neutronima (plava boja) su također radioaktivna i postaju stabilna kao rezultat - -raspada, s transformacijom jezgra neutrona u proton.
Najteži stabilni izotopi su olovo (Z = 82) i bizmut (Z = 83). Teška jezgra, zajedno sa procesima β + i β - raspada, takođe su podložna α raspadu ( žuta) i spontane fisije, koje postaju njihovi glavni kanali raspadanja. Tačkasta linija na sl. 2 ocrtava područje mogućeg postojanja atomskih jezgara. Linija B p = 0 (B p je energija razdvajanja protona) ograničava područje postojanja atomskih jezgara na lijevoj strani (proton drip-line). Linija B n = 0 (B n je energija odvajanja neutrona) je desno (linija kapanja neutrona). Izvan ovih granica atomska jezgra ne mogu postojati, jer se raspadaju u karakterističnom nuklearnom vremenu (~10 -23 – 10 -22 s) emisijom nukleona.
Prilikom spajanja (sinteze) dva laka jezgra i fisije teškog jezgra na dva lakša fragmenta oslobađa se mnogo energije. Ove dvije metode dobivanja energije su najefikasnije od svih poznatih. Dakle, 1 gram nuklearnog goriva je ekvivalentan 10 tona hemijskog goriva. Fuzija jezgara (termonuklearne reakcije) je izvor energije za zvijezde. Nekontrolisana (eksplozivna) fuzija se izvodi kada se detonira termonuklearna (ili takozvana "vodikova") bomba. Kontrolisana (spora) sinteza je u osnovi obećavajućeg izvora energije koji se razvija - termonuklearni reaktor.
Nekontrolisana (eksplozivna) fisija nastaje prilikom eksplozije atomske bombe. Kontrolisana podjela se vrši u nuklearnih reaktora, koji su izvori energije u nuklearnim elektranama.
Za teorijski opis atomskih jezgri koriste se kvantna mehanika i različiti modeli.
Jezgro se može ponašati i kao gas (kvantni gas) i kao tečnost (kvantna tečnost). Hladna nuklearna tečnost ima svojstva superfluidnosti. U jako zagrijanom jezgru, nukleoni se raspadaju na sastavne kvarkove. Ovi kvarkovi međusobno djeluju razmjenom gluona. Kao rezultat takvog raspada, skup nukleona unutar jezgra pretvara se u novo stanje materije - kvark-gluonsku plazmu
