А́томное ядро́, центральная, компактная часть атома , в которой сосредоточен весь его положительный заряд и более 99,94 % массы. Размер атомного ядра 10 –15 –10 –14 м, что примерно в 10 5 раз меньше размера атома. Атомное ядро состоит из Z Z Z протонов ( p ) (p) ( p ) и N N N нейтронов ( n ) , (n), ( n ) , имеет положительный заряд Q = Z ⋅ ∣ e ∣ , Q = Z cdot |e|, Q = Z ⋅ ∣ e ∣ , где e e e – элементарный электрический заряд . Число Z Z Z равно числу электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов . Атомное ядро было обнаружено в 1911 г. Э. Резерфордом в опытах по рассеянию альфа-частиц атомами тяжёлых химических элементов. Состав атомного ядра был установлен в 1932 г. после открытия нейтрона Дж. Чедвиком . Протон и нейтрон объединяют термином « нуклон ».
Важнейшими характеристиками ядра являются его энергетическое состояние, а также спин , чётность , изотопический спин . Кроме того, атомные ядра могут иметь различные электрические и магнитные моменты (например, квадрупольный момент ядра ) и разную форму – как сферическую, так и отличную от неё .
Соотношение нуклонов в ядре и карта атомных ядер
Атомное ядро обозначают символом химического элемента ( Z A X ) , (^A_Ztext), ( Z A X ) , в состав атома которого оно входит. Верхний и нижний левые индексы указывают соответственно полное число A A A нуклонов в нём ( массовое число A = Z + N A = Z + N ) и число протонов Z Z Z (равное заряду ядра в единицах заряда электрона). Так, например, ядро алюминия ( Al ) , (text), ( Al ) , имеющее 13 протонов и 14 нейтронов, обозначают 13 27 Al . ^_text. 13 27 Al . Ядра с одинаковыми Z , Z, Z , но разными A A A называют изотопами , с одинаковыми A , A, A , но разными Z Z Z – изобарами . Известно около 3 тыс. нуклидов – ядер, отличающихся друг от друга либо значением A A A , либо Z Z Z , либо тем и другим. Более 90 % из них получены искусственным путём и обладают свойством радиоактивности . В природных образцах найдено 262 стабильных и 25 радиоактивных долгоживущих нуклидов (их период полураспада больше 0,5 млрд лет). Все они представлены на рис. 1 в виде т. н. N Z NZ -диаграммы, которую можно рассматривать как своеобразную карту атомных ядер. Каждому нуклиду отвечает отдельная точка на плоскости с осями чисел нейтронов ( N ) (N) ( N ) и протонов ( Z ) . (Z). ( Z ) . Совокупность этих точек образует линию стабильности атомных ядер .
Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25). Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25). Лёгкие стабильные ядра ( A ≤ 20 A ≤ 20 A ≤ 20 ) располагаются вдоль линии N ≈ Z . N approx Z. N ≈ Z . С ростом A A A в ядрах, лежащих на линии стабильности, относительное число нейтронов увеличивается. У самых тяжёлых устойчивых нуклидов число нейтронов в ядре примерно в 1,5 раза превышает число протонов. Это объясняется возрастанием сил кулоновского отталкивания протонов с ростом Z . Z. Z . Эти силы стремятся разрушить атомное ядро. Поэтому восстановление устойчивости тяжёлых ядер достигается увеличением в них доли электрически нейтральных нейтронов.
Видеоролик — анимация «Строение атома и ядра»
Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ. Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ. К самым тяжёлым стабильным ядрам относятся четыре изотопа свинца 82 204 Pb , ^_text, 82 204 Pb , 82 206 Pb , ^_text, 82 206 Pb , 82 207 Pb , ^_text, 82 207 Pb , 82 208 Pb ^_text 82 208 Pb и изотоп висмута 83 209 Bi . ^_text . 83 209 Bi . Самые тяжёлые природные изотопы – это радиоактивные долгоживущие ядра тория ( 90 232 Th ) (^_text) ( 90 232 Th ) и три изотопа урана 92 234 U , ^_text, 92 234 U , 92 235 U , ^_text, 92 235 U , 92 238 U . ^_text. 92 238 U . Они показаны четырьмя красными точками в правом верхнем углу диаграммы рис. 1. Искусственным путём получено множество радиоактивных ядер, отсутствующих в природе. Их число примерно в 10 раз превышает число стабильных и долгоживущих ядер, представленных на рис. 1. Благодаря экспериментам по получению искусственных нуклидов известны ядра со значением Z Z Z до 118 и A A A до 294. Таким образом, количество известных химических элементов увеличилось примерно на 30 %. Эти элементы получили название трансурановых ( Z Z Z = 93–100) и трансфермиевых ( Z > 100 ) . (Z > 100). ( Z > 100 ) . Трансфермиевые элементы венчают современный существенно расширенный вариант таблицы Менделеева . Они перечислены на рис. 2. Четыре трансфермиевых элемента ( Db , (text, ( Db , Fl , text, Fl , Mc text Mc и Og ) text) Og ) синтезированы в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и получили соответствующие названия. Элементы Flerovium и Oganesson названы в честь академиков Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна , которые руководили экспериментами по синтезу новых элементов.
Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных). Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных). Вся совокупность известных атомных ядер представлена на N Z NZ -диаграмме (рис. 3). Области вне линии стабильности занимают искусственно полученные нестабильные радионуклиды , испытывающие радиоактивный распад. Цветом отмечены разные типы этого распада ( β + beta ^+ β + , β − beta ^- β − – бета-распад ; α alpha α – альфа-распад ; деление атомного ядра ; испускание протона или нейтрона). Реализация этих распадов возвращает вновь образованные ядра на линию стабильности.
