§ 105. Склад атомного ядра. Ізотопи. Ядерні сили

Існування в атомі масивного позитивно зарядженого ядра великої густини було встановлено Е. Резерфордом і його співробітниками у 1906—1912 pp. при дослідженні пружного розсіювання альфа-частинок атомами золота і деяких інших металів, Поряд з установленням ядерної структури атома досліди Резерфорда свідчили і про високу міцність атомних ядер, які, як правило, не руйнувалися навіть при лобовому зіткненні з альфа-частинками.

Сьогодні загальновизнаним є те, що всі ядра склада­ються з протонів і нейтронів. Маси протона т_р і нейтрона Шп близькі одна до одної і майже в 2000 раз перевищують масу електрона т: т_р= 1836,15т = 1,67265- ІСГ" кг; т„= 1838,68/71= 1,67495-1О~²⁷ кг. Протон електрично за­ряджений. Його заряд за абсолютною величиною дорівнює зарядові електрона. Електричний заряд нейтрона точно дорівнює нулю, що відображено в назві цієї частинки.

На відміну від електронів, на протони й нейтрони діють специфічні ядерні сили. Ці сили є частковим випадком най­більш інтенсивних у природі сильних взаємодій. За рахунок ядерних сил протони і нейтрони можуть об'єд­нуватися, утворюючи різні атомні ядра. Незважаючи на величезне взаємне кулонівське відштовхування протонів, зближених на відстань порядку 10~¹⁵м, ядро не розлі­тається на складові частини завдяки дії значно більших "ядерних сил.

Властивості протона і нейтрона відносно сильних взаємодій однакові, чим, мабуть, і пояснюється те, що їх маси майже однакові. Тому в ядерній фізиці часто

використовується термін нуклон, яким називають^ будь-яку частинку, що входить до складу ядра (протон, нейтрон). Можна сказати, що протон і нейтрон є двома станами однієї й тієї самої частинки — нуклона.

Атом електрично нейтральний. Тому число протонів у ядрі атома повинно дорівнювати числу електронів у атомній оболонці, тобто атомному номеру Z. Загальне число нуклонів (тобто протонів і нейтронів) у ядрі позна­чається через А і називається масовим числом. Числа Z і А повністю характеризують склад ядра. Рідше вживає­ться позначення N для числа нейтронів у ядрі. За озна­ченням

Для позначення ядер звичайно використовується запис виду ₇Х^А, де X — хімічний символ, який відповідає еле­ментові з даним Z. Наприклад, вираз ^Ве⁰ означає ядро атома берилію з Z— 4, А = 9, яке має 4 протони і 5 нейтро­нів. Лівий нижній індекс не є необхідним, оскільки атом­ний номер Z однозначно визначається назвою елемента. Тому часто вживається скорочене позначення типу Be⁹ (читається «берилій дев'ять»). Протон р і нейтрон п в цих позначеннях, очевидно, можна записати відповідно як іР¹ і ол'. Протон є ядром атома водню і тому його можна позначити іЯ'. Альфа-частинка складається з двох про­тонів і двох нейтронів. Тому вона є ядром атома гелію, тобто може бути позначена через _>Не⁽. В літературі часто використовується також позначення типу *Х.

Ядра з одним і тим же Z і різними А називаються ізото­пами. Наприклад, в урана (Z= 92) є ізотопи ₉₂Ї/²³⁵ і 92І/²³⁸, які мають відповідно 143 і 146 нейтронів. За чисто ядер­ними властивостями різні ізотопи, як правило, мають мало спільного. Однак в переважній більшості випадків атоми різних ізотопів мають однакові хімічні і майже однакові фізичні властивості, оскільки на структуру електронної оболонки атома ядро впливає практично лише своїм заря­дом. Тому виділення якогось ізотопу, наприклад 92^ з суміші ізотопів є складним технологічним завданням, для розв'язання якого використовують невеликі відмінності у швидкостях випаровування, дифузії і деяких інших процесів, обумовлених різницею мас ізотопів.

Більшість хімічних елементів має кілька ізотопів. Ре­корд тут належить олову (joSn), яке має десять стабільних ізотопів (₅oSn^m, ₅₀Sn"\ ₅₀Sn"⁵, ₅oSn"^r\ soSn¹¹⁷, soSn¹¹*, soSn¹¹⁹,₅₀Sn^l2u, soSn¹²², soSn¹²⁴). Інші ж елементи, наприклад Be, Na, Al мають лише по одному стабільному ізотопу.