Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
рассеянию нейтронных пучков в ферромагнетиках показали, что нейтроны
обладают магнитным моментом. Дальнейшее усовершенствование опытов
(использование высокочастотного электромагнитного поля, как это
352
Глава 14
делается в ЭПР, §38) позволило измерить магнитный момент нейтрона.
Оказалось, что он направлен противоположно спину, а его максимальная
проекция равна 1,91/i/v- Значения магнитных моментов нуклонов
свидетельствуют о сложности внутренней структуры этих частиц, к которой
мы вернемся в гл. 16. Магнитные моменты нуклонов и их максимальные
проекции имеют следующие значения:
/лр = 5,58/ijvSp, npsz = 2,79 /i/v,
= -3,83/i Arsn, linsz = 1,91/i at.
Некоторые другие важные характеристики нуклонов будут рассмотрены позже.
Перейдем к атомным ядрам.
Заряд </Яд и массовое число ядра А. дЯд = +Ze, где Z - зарядовое число.
Оно равно числу протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента
в таблице Менделеева. Прямым методом измерения зарядов ядер является
рассеяние заряженных частиц на ядрах. Информацию о зарядах ядер можно
получить и из анализа ядерных реакций, в которых они участвуют. Этот же
метод можно использовать и для нахождения массового числа А, равного
числу нуклонов в ядре.
В ядрах различных атомов одного и того же элемента (Z = const) число
нейтронов может быть различным. Такие атомы называются изотопами данного
элемента. В обозначении изотопа, кроме порядкового номера элемента,
указывается также и массовое число данного изотопа. Например,
естественный углерод состоит из изотопов е2С(б) (98,89%) и е3С(7)
(1,11%); массовые числа изотопов указываются в индексах слева вверху (в
скобках снизу справа иногда указывается число нейтронов в ядре, равное А-
Z). Большая часть элементов, существующих в природе, состоит из
нескольких (в среднем - трех) изотопов. Кроме этого, искусственным путем
могут быть получены изотопы, отсутствующие в природе. Такие изотопы, как
правило, являются нестабильными. Нестабильный изотоп углерода е4С(8)
присутствует в небольшом количестве в природе, т. к. получается при
взаимодействии космических нейтронов с ядрами атомов азота, находящимися
в атмосфере Земли. (При испытаниях термоядерных зарядов в атмосфере
концентрация изотопа \АС заметно возрастала). Естественный водород
содержит изотоп ^Н (99.985%) и небольшое количество изотопа 2Н. Изотоп
\Н, ядром которого является протон, называется п р о т и е м (его чаще
всего называют просто водородом) в отличие от изотопа дейтерия fH^)
(наиболее распространенное обозначение этого изотопа - 2D). Нестабильный
изотоп водорода ?H(2) называется тритием (другое обозначение - 3Т); очень
§72. Основные характеристики атомного ядра
353
небольшое количество трития также присутствует в атмосфере Земли. У урана
92U - самого тяжелого из существующих в природе элементов - все три
изотопа (g^U, 925U, 928U) нестабильны. Всего же различных изотопов с
учетом полученных искусственно, более 1000. У легких стабильных изотопов,
существующих в природе, отношение A/Z = 2 (вплоть до |]Са), затем оно
возрастает с ростом А, и у тяжелых изотопов достигает ~ 2,5. Изотопы, у
которых это отношение нарушено, как правило, радиоактивны.
Различные изотопы одного и того же элемента обладают совершенно разными
ядерными свойствами. Поэтому в ядерной физике рассматриваются не
элементы, а конкретные изотопы.
Радиус ядра Ияд. Размеры ядер принято описывать с помощью радиуса ядер
Яяд даже в тех случаях, когда ядра не имеют сферической формы. Рассеяние
а-частиц, электронов, протонов и др. частиц на ядрах приводит к одной и
той же зависимости: Яяд ~ А1/3. Поэтому выражение для ЯЯА можно записать
в следующем виде:
Дяд = Д0Л1/3, (14.1)
где среднее из разных опытов значение Ro ~ 1,3 • 10-13см.
Масса ядра. Единицей измерения масс атомов и атомных ядер является
атомная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы нейтрального атома
изотопа g2C:
1а.е.м. = 1/12Мат(*2С) = ... = 1,66- 10"24 г.
Таким образом, MaT-(g2С) = 12,00000 а.е.м. Массы остальных атомов,
выраженные в а.е.м., не являются целыми числами, хотя и близки к ним.
Например, MaT-(g3C) = 13,00335а.е.м., и т.д.
Массы атомов измеряются с помощью масс-спектрометров. В масс-
спектрометрах атомы предварительно ионизируются (их заряд становится
равным +1е или реже +2е). Затем пучки ионов пропускаются через системы
электрических и магнитных полей. Поля подбираются таким образом, чтобы
ионы с разными значениями q/M двигались по различным траекториям. При
этом на детектор попадают ионы только с одним из возможных значением q/M.
В прецизионных спектрометрах с двойной пространственной фокусировкой
удается измерять массу с точностью лучшей, чем 10-4 %. Измеренные массы
заносятся в таблицы. Массы нуклонов и электрона, выраженные в а.е.м.,
имеют следующие значения:
тр = 1,00728 а.е.м., тп = 1,00867 а.е.м., те = 0,00055 а.е.м.
354
Глава 14
Из этих данных для массы атома водорода, состоящего из протона и
электрона, пренебрегая энергией связи электрона в атоме (13,6 эВ),
