Ядро́ — центральна частина атома, в якій зосереджена основна частина маси атома (понад 99,9 %). Ядро має позитивний заряд, що дорівнює кількості протонів, що входять в його склад, і саме від величини заряду ядра залежить, який хімічний елемент представлений атомом.
У порівнянні з розмірами атома, який визначається радіусом електронних орбіт, розміри ядра надзвичайно малі — 10−15-10−14 м, тобто приблизно у 10-100 тисяч разів менші від розміру самого атома.
Атомне ядро складається з нуклонів — позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів, близьких за масою та іншими властивостями частинок, які взаємодіють між собою через сильну взаємодію.
Ядро найпростішого атома — атома водню (ізотоп протій) — є одним протоном.
Історія досліджень Поняття про ядро атома запровадив 1911 року Ернест Резерфорд. Він здійснив експерименти з розсіювання альфа-частинок на металевих фольгах і запропонував планетарну модель атома Кудрявцев П. С.: Курс истории физики, 1982 . Після виявлення стабільних ізотопів елементів ядру найлегшого атома було відведено роль структурної частки всіх ядер. З 1920 року ядро атома водню має офіційний термін — протон. Після проміжної протон-електронної теорії будови ядра, що мала чимало явних недоліків (у першу чергу вона суперечила експериментальним результатам вимірювань спінів та магнітних моментів ядер), 1932 року англійський фізик Джеймс Чедвік відкрив нову електрично нейтральну частинку, яку назвали нейтроном. Того ж року радянський фізик-теоретик Дмитро Іваненко висунув гіпотезу про протон-нейтронну структуру ядраIwanenko, D.D., The neutron hypothesis, Nature 129 (1932) 798.. Цю гіпотезу було повністю підтверджено подальшим розвитком ядерної фізики та її застосувань.
Терміни та система позначень Атомне ядро, що розглядається як клас частинок із певним числом протонів та нейтронів, називають нуклідом. Число протонів у ядрі називають його зарядовим числом — це число дорівнює порядковому номеру елемента у періодичній системі елементів і збігається з кількістю електронів нейтрального атома, визначаючи, таким чином, хімічні властивості відповідного елемента. Кількість нейтронів у ядрі називають його ізотопічним числом . Ядра з однаковою кількістю протонів та різною кількістю нейтронів називають ізотопами. Ядра з однаковою кількістю нейтронів, але різною кількістю протонів — називають ізотонами. Повна кількість нуклонів у ядрі називається його масовим числом (зрозуміло, що та приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеній у таблиці Менделєєва). Нукліди з однаковим масовим числом, але різним протон-нейтронним складом називають ізобарами.
Як і будь-яка квантова система, ядра можуть перебувати в метастабільному збудженому стані, в окремих випадках час життя такого стану може бути доволі тривалим (наприклад, обчислюватися роками). Такі збуджені стани ядер називаються ядерними ізомерами.
Для позначення атомних ядер (нуклідів) застосовується така система: в середині ставиться символ хімічного елемента, що однозначно визначає зарядове число ядра; ліворуч зверху від символу елемента ставиться масове число .
Таким чином, склад ядра виявляється повністю визначений, оскільки .
Приклад такого позначення: 238U — ядро урану-238, в якому 238 нуклонів, з яких 92 — протони, оскільки елемент уран має 92-й номер у таблиці Менделєєва.
Іноді для повноти навколо позначення елемента вказують усі характеристики ядра: ліворуч знизу — зарядове число , тобто те ж саме, що зазначено символом елемента; ліворуч зверху — масове число ; Праворуч знизу — ізотопічне число ; якщо мова йде про ядерні ізомери, до масового числа дописується літера з послідовності m, n, p, q,… (іноді застосовують послідовність m1, m2, m3,…). Іноді цю літеру вказують як самостійний індекс праворуч зверху.
Приклади таких позначень: , , , .
Позначення атомних ядер та нуклідів збігаються.
З історичних та інших причин, деякі ядра мають самостійні назви. Наприклад, ядро 4He називається α-частинкою, ядро дейтерію 2H (або D) — дейтроном, а ядро тритію 3H (або T) — . Останні два ядра є ізотопами водню й можуть входити до складу молекул води, утворюючи так звану важку воду.
Фізичні характеристики ядра
Маса Через різницю в кількості нейтронів ізотопи одного елемента можуть мати різну масу , яка є важливою характеристикою ядра. У ядерній фізиці масу ядер вимірюють в атомних одиницях маси (а. о. м.), за яку беруть 1/12 частину маси нукліда 12C, тобто 1/12 маси ізотопу вуглецю з масовим числом 12. Стандартна маса, яка зазвичай наводиться для нукліда — це маса нейтрального атома. Для визначення маси ядра потрібно від маси атома відняти суму мас всіх електронів (точніше значення вийде, якщо врахувати ще й енергію зв'язку електронів з ядром).
Крім того, в ядерній фізиці часто застосовується енергетичний еквівалент маси. За співвідношенням Ейнштейна кожному значенню маси відповідає повна енергія:
, де — швидкість світла. Енергетичний еквівалент а. о. м. дорівнює — приблизно 931 МеВ.
Ядерні сили, що тримають нуклони в ядрі разом, в кілька раз сильніші за електромагнітні. Від'ємна потенціальна енергія нуклонів досягає значень, які роблять відчутним ефект внаслідок принципу еквівалентності маси та енергії — маса ядра менша від суми мас вільних нуклонів, які утворюють ядро (див. розділ дефект маси).
Заряд Число протонів у ядрі безпосередньо визначає його електричний заряд. В ізотопів однакова кількість протонів, але різна кількість нейтронів. Ядерні властивості ізотопів (на відміну від хімічних властивостей) можуть значно відрізнятися.
Вперше заряди атомних ядер визначив Генрі Мозлі 1913 року. Свої експериментальні спостереження вчений інтерпретував залежністю довжини хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання від деякої константи , що змінюється на одиницю від елементу до елементу та дорівнює одиниці для водню:
,
де та — сталі.
Мозлі зробив висновок, що знайдена в його дослідах константа атома, яка визначає довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання, збігається з порядковим номером елемента і може бути лише зарядом атомного ядра. Цей висновок відомий як закон Мозлі.
Досліди з розсіювання високоенергетичних (>500 МеВ) електронів на ядрах дозволили встановити, що електричний заряд розподіляється в ядрі нерівномірно. Результати узгоджуються з передбаченнями статистичної моделі ядра (модель ядра як Фермі-газу). Густина електричного заряду є приблизно сталою до деякої відстані від центру ядра, далі вона повільно спадає до нуля. Приблизна залежність для сферичних ядер виглядає так Булавін, Тартаковський, с. 60. :
де r відстань від центру, — параметр, що має зміст відстані від центру ядра, на якій густина заряду має значення 50 % від значення в центрі () — параметр, що однаковий для всіх ядер. Досліди показали, що фм, фм. Також можна запровадити інший параметр — товщина шкіри (), який має зміст величини проміжку, на якому густина заряду спадає від 90 % до 10 % значення в центрі. Для всіх ядер товщина шкіри приблизно однакова й дорівнює 2,3 фм.
Радіус Аналіз розпаду важких ядер дозволив пов'язати радіус ядра з його масовим числом простим співвідношенням:
,
де — константа.
Оскільки радіус ядра не є суто геометричною характеристикою та пов'язаний насамперед з радіусом дії ядерних сил, то значення залежить від процесу, при аналізі якого отримано значення . Усереднене значення м. Таким чином, радіус ядра в метрах:
.
Моменти ядра Як і нуклони, що входять до його складу, ядро має власний момент , що є сумою спіну й орбітального моменту . У ядерній фізиці повний момент теж називають спіном.
Спін Оскільки нуклони належать до ферміонів, тобто мають спін , то і ядра повинні мати спіни. Крім того, нуклони беруть участь в ядрі в орбітальному русі, який також характеризується певним моментом кількості руху кожного нуклона. Орбітальні моменти набувають значення лише цілих чисел . Спіни нуклонів та їх орбітальні моменти, підсумовуються за квантовомеханічними правилами додавання моментів і складають спін ядра.
Незважаючи на те, що кількість нуклонів у ядрі може бути дуже великою, спіни ядер зазвичай невеликі й становлять не більше декількох , що пояснюється особливістю взаємодії нуклонів з однаковим спіном. Всі парні протони та нейтрони взаємодіють лише так, що їхні спіни взаємно компенсуються, тобто спіни нуклонів у парі завжди антипаралельні і сумарний орбітальний момент пари дорівнює нулю. В результаті ядра, що складаються з парного числа протонів та парного числа нейтронів, мають нульовий спін. Відмінні від нуля спіни мають лише ядра, до складу яких входить непарна кількість нуклонів, спін таких нуклонів складається з його ж орбітальним моментом і має деяке напівціле значення: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра непарно-непарного складу мають цілочисельні спіни: 0, 1, 2, 3 тощо.
Магнітний момент Вимірювання спінів стало можливим завдяки наявності безпосередньо пов'язаних з ними магнітних моментів. Ядра мають магнітні моменти, пов'язані зі спінами ядерним гіромагнітним співвідношенням, у якому магнетон Бора замінюється на ядерний магнетон. У цих магнетонах вони й вимірюються. Спіни різних ядер дорівнюють від −2 до +5 ядерних магнетонів. Через порівняно великі маси нуклонів магнітні моменти ядер дуже малі порівняно з магнітними моментами електронів, тому їх вимірювання набагато складніше. Як і спіни, магнітні моменти вимірюються спектроскопічними методами, найточнішим серед яких є метод ядерного магнітного резонансу.
Магнітний момент парно-парних нуклідів, як і спін, дорівнює нулю. Магнітні моменти ядер із непарною кількістю нуклонів утворюються власними моментами цих нуклонів та моментом, пов'язаним з орбітальним рухом непарного протона.
Електричний квадрупольний момент
Атомні ядра, спін яких перевищує одиницю або дорівнює їй, мають відмінні від нуля квадрупольні моменти, що свідчить про їх не зовсім сферичну форму. Квадрупольний момент вважають додатним, якщо проєкція спіну ядра вздовж осі симетрії (обертання) ненульова (веретеноподібне тіло), і від'ємним, якщо ядро розтягнуте в площині, перпендикулярній проєкції спіну (дископодібне тіло). Відомі ядра з позитивними та негативними квадрупольними моментами. Відсутність сферичної симетрії в електричного поля, створюваного ядром із ненульовим квадрупольним моментом, призводить до утворення додаткових енергетичних рівнів атомних електронів та появи в спектрах атомів ліній надтонкої структури, відстані між якими залежать від квадрупольного моменту.
Енергія зв'язку та ядерні сили
Експериментально виявлено, що для всіх стабільних ядер маса ядра менша від суми мас його нуклонів, узятих окремо. Ця різниця називається дефектом маси або надлишком маси та визначається співвідношенням:
,
де та — маси вільного протона та нейтрона, — маса ядра.
Згідно з принципом еквівалентності маси і енергії дефект маси еквівалентний роботі, що виконали ядерні сили, щоб зібрати всі нуклони разом при утворенні ядра. Ця величина дорівнює зміні потенційної енергії нуклонів у результаті об'єднання в ядро.
Енергія, еквівалентна дефекту маси, називається енергією зв'язку ядра і дорівнює:
,
де — швидкість світла.
Важливим параметром ядра є енергія зв'язку, що припадає на один нуклон ядра, яку можна обчислити, розділивши енергію зв'язку ядра на кількість нуклонів, що містяться в ньому:
Це середня енергія, яку потрібно витратити, щоб забрати з ядра один нуклон, або середня зміна енергії зв'язку ядра, коли вільний протон або нейтрон поглинається ним.
Як видно з малюнка, для малих значень масових чисел питома енергія зв'язку ядер стрімко зростає зі збільшенням маси ядра й сягає максимуму для (приблизно 8,8 МеВ). Нукліди з такими масовими числами найстійкіші. Із подальшим зростанням середня енергія зв'язку зменшується, проте в широкому інтервалі масових чисел значення енергії майже стале ( МеВ), з чого випливає, що можна записати .