Основна информация за атомните ядра
Атомното ядро е централната и много компактна част на атома, в която са концентрирани почти цялата му маса и целият положителен електрически заряд. Ядрото, задържащо електроните близо до себе си от кулоновските сили в количество, което компенсира положителния му заряд, образува неутрален атом. Повечето ядра имат форма, близка до сферична, и диаметър ≈ 10 -12 cm, което е с четири порядъка по-малко от диаметъра на атома (10 -8 cm). Плътността на материята в сърцевината е около 230 милиона тона/cm 3. За обозначаване на атомно ядро се използва символът на химичния елемент на атома, който включва ядрото, а горният ляв индекс на този символ показва броя на нуклоните (масово число А) в това ядро, а левият индекс показва броят на протоните Z в него .
Ядрото е система от плътно натъпкани протони и неутрони, движещи се със скорост 10 9 -10 10 cm/sec и задържани от мощни и близки ядрени сили на взаимно привличане (зоната им на действие е ограничена от разстояния от ≈ 10 -13 см.) Протоните и неутроните имат размер около 10 - 13 см и се разглеждат като две различни състояния на една частица, наречена нуклон. Радиусът на ядрото може да бъде приблизително изчислен по формулата R ≈ (1.0-1.1) · 10 -13 A 1/3 cm, където A е броят на нуклоните (общият брой протони и неутрони) в ядрото.
Ядреното взаимодействие (взаимодействие между нуклоните в ядрото) възниква поради факта, че нуклоните обменят мезони. Това взаимодействие е проява на по-фундаментално силно взаимодействие между кварки, които изграждат нуклони и мезони (по същия начин, силите на химическата връзка в молекулите са проява на по-фундаментални електромагнитни сили).
Известни са около 3000 ядра, които се различават едно от друго или по броя на протоните, или по броя на неутроните, или и двете. Повечето от тях са изкуствено получени. Само 264 ядра са стабилни, т.е. не изпитват никакви спонтанни трансформации във времето, наречени разпадания. Останалите се подлагат на различни форми на разпад - алфа разпад (излъчване на алфа частица, т.е. ядрото на хелиев атом); бета разпад (едновременно излъчване на електрон и антинейтрино или позитрон и неутрино, както и поглъщане на атомен електрон с излъчване на неутрино); гама разпад (излъчване на фотон) и други.
Различните видове ядра често се наричат нуклиди. Нуклидите с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат изотопи. Нуклидите с еднакъв брой нуклони, но различни съотношения на протони и неутрони се наричат изобари. Леките ядра съдържат приблизително еднакви количества протони и неутрони. В тежките ядра броят на неутроните е около 1,5 пъти повече от броя на протоните. Най-лекото ядро е ядрото на водородния атом, което се състои от един протон. Най-тежките известни ядра (получени са изкуствено) имат брой нуклони ≈ 290. От тях 116-118 са протони.
Различните комбинации от броя на протоните Z и неутроните съответстват на различни атомни ядра. Атомните ядра съществуват (т.е. техният живот t> 10 -23 s) в доста тесен диапазон от промени в числата Z и N. В този случай всички атомни ядра са разделени на две големи групи - стабилни и радиоактивни (нестабилни). Стабилните ядра са групирани близо до линията на стабилност, която се определя от уравнението. Най-тежките стабилни изотопи са изотопите на оловото (Z = 82) и бисмута (Z = 83). Тежките ядра, заедно с процесите на β + и β - разпадане, също са обект на α-разпад (жълт цвят) и спонтанно делене, които се превръщат в основните им канали на разпадане. Когато се комбинират две леки ядра (синтез) и деление на тежко ядро на два по-леки фрагмента, се отделя много енергия. Тези два метода за получаване на енергия са най-ефективните от всички известни. Така че 1 грам ядрено гориво се равнява на 10 тона химическо гориво. Ядреният синтез (термоядрени реакции) е източникът на енергия за звездите. Неконтролиран (експлозивен) синтез се получава, когато се детонира термоядрена (или така наречената „водородна“) бомба. Контролираният (бавен) синтез е в основата на обещаващия енергиен източник в процес на разработване - термоядрен реактор.