Состав атомных ядер

• Протон — положительно заряженная частица с зарядом +e и массой примерно 1 а.е.м.
• Нейтрон — нейтральная частица с массой, близкой к массе протона.
• Нуклон — общее название для протонов и нейтронов.
• Зарядовое число (${\displaystyle Z}$) — количество протонов в ядре; определяет химический элемент.
• Массовое число (${\displaystyle A}$) — общее число нуклонов в ядре: ${\displaystyle A=Z+N}$, где ${\displaystyle N}$ — число нейтронов.

Ядра характеризуются следующим:

• Изотопы — ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.
• Изобары — ядра с одинаковым массовым числом ${\displaystyle A}$, но разным числом протонов и нейтронов.
• Изотоны — ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов.

Протоны и нейтроны в ядре связаны сильным взаимодействием — ядерными силами, обладающими следующими свойствами:

• Действуют на очень малых расстояниях (порядка 1 ферми = 10^–15 м = 1 фм).
• Преодолевают электростатическое отталкивание между протонами.
• Обладают насыщением — каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими соседями^[2].

Масса ядра всегда меньше суммы масс его нуклонов из-за дефекта массы:

${\displaystyle \Delta M=Zm_{p}+Nm_{n}-M}$,

где ${\displaystyle m_{p}}$ и ${\displaystyle m_{n}}$ — массы протона и нейтрона, ${\displaystyle M}$ — масса ядра.

Энергия связи ядра определяется формулой:

${\displaystyle E_{c}=\Delta Mc^{2}}$,

где ${\displaystyle c}$ — скорость света. Она показывает, сколько энергии нужно затратить, чтобы разнести ядро на отдельные нуклоны.

Радиус ядра зависит от массового числа и вычисляется по формуле:

${\displaystyle R=r_{0}A^{1/3}}$,

где ${\displaystyle r_{0}\approx 1.23\times 10^{-15}}$ м.

• Спин ядра — суммарный момент количества движения всех нуклонов. Может принимать целые и полуцелые значения.
• Магнитный момент связан со спином и определяет взаимодействие ядра с магнитными полями.
• Квадрупольный момент характеризует отклонение формы ядра от сферической симметрии.

Основные модели, описывающие строение ядра:

• Капельная модель — ядро рассматривается как капля ядерной жидкости с определённой энергией связи.
• Оболочечная модель — нуклоны заполняют энергетические уровни (оболочки) внутри ядра, подобно электронным оболочкам в атоме^[3].

Некоторые ядра нестабильны и склонны к самопроизвольному распаду:

• Альфа-распад — испускание альфа-частицы (${\displaystyle _{2}^{4}\mathrm {He} }$).
• Бета-распад — превращение нейтрона в протон или наоборот с испусканием электрона или позитрона.
• Гамма-распад — испускание гамма-кванта при переходе ядра в более низкое энергетическое состояние.

Ядра могут взаимодействовать с частицами или друг с другом, приводя к ядерным реакциям:

• Деление ядра — распад тяжёлого ядра на два или более лёгких.
• Термоядерный синтез — объединение лёгких ядер в более тяжёлые с выделением энергии.

Ядра обозначаются символом элемента с указанием массового числа:

• ${\displaystyle _{Z}^{A}\mathrm {X} }$, где ${\displaystyle X}$ — символ элемента.
• Пример: ${\displaystyle _{92}^{238}\mathrm {U} }$ — уран-238, где ${\displaystyle Z=92}$, ${\displaystyle A=238}$.