Химическая энциклопедия - ядро атомное

центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Масса Я. а. примерно в 4 х 10³ раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размеры Я. а. составляют ~ 10^-12-10^-13 см. Электрич. заряд положителен и по абс. величине равен сумме зарядов электронов нейтрального атома.

Общие характеристики Я. а. Протон (р) и нейтрон (n) в ядре объединяются общим названием "нуклон". Число нуклонов в Я. а. наз. массовым числом А. Поскольку заряд ядра Z в единицах абс. заряда электрона еравен числу протонов, число нейтронов в Я. а. равно: N = A Ч Z. Ядра-изотопы имеют одно и то же Z, но разные N, а ядра-изобары одно и то же А, но разные Z и N.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, наз. ядерными. Они определяются самым интенсивным из всех известных в физике взаимод. (сильное взаимод.); для двух протонов в ядре, напр., ядерные силы примерно в 100 раз превышают электростатич. отталкивание. Важным св-вом ядерных сил является их независимость от заряда нуклона; взаимод. двух протонов, двух нейтронов или протона и нейтрона одинаковы, если одинаковы состояния относит. движения этих пар частиц, а также спиновые состояния (см. ниже). Ядерные силы характеризуются определенным радиусом действия. Наиб. радиус действия составляет примерно 1,41 х 10^-13 см; в то же время зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами пока не установлена.

Размеры Я. а. зависят от их массового числа. Ср. плотность распределения нуклонов для всех ядер с А>10 практически одинакова, так что объем ядра пропорционален А, а его линейный размер пропорционален А ^1/3. Эффективный радиус Rядра определяется равенством: R= аА^1/3, где постоянная асоставляет величину (1,1-1,4) х 10^-13 см в зависимости от того, в каком физ. эксперименте измеряется R. Это равенство показывает, что R меняется от 10^-13 до 10^-12 см. Плотность ядерного в-ва чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных в-в и составляет ок. 10¹⁴ г/см ³. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии.

Для расщепления Я. а. на отдельные нуклоны необходимо затратить энергию, наз. энергией связи ядра Е св, определяемую соотношением:

²,

где p, т п и М - массы протона, нейтрона и ядра соотв.; с - скорость света.

Величина = = ¹/2). Квадрупольный момент ядра м. б. записан в виде eQ, где Q - коэф.. имеющий размерность площади и меняющийся от 10^-27 см ² (легкие ядра) до 10^-23 см ² (тяжелые ядра). Наличие квадрупольного момента у ядер свидетельствует о том, что распределение заряда в них не обладает сферич. симметрией и м. б. представлено эллипсоидом вращения. Если ядро вытянуто вдоль оси вращения эллипсоида (оси симметрии), Q >0, если сплюснуто, то Q < 0. Как правило, большие квадрупольные моменты ядер положительны.

Магн. дипольные моменты ядер m имеют порядок величины ядерного магнетона 5,051 x 10^-27 Дж/Тл -постоянная Планка) и связаны со спином ядра 7 коэф. пропорциональности носящим назв. гиромагнитного отношения: Значение меняется в широких

пределах от 5,25 для ¹⁹F до -2,08 для ¹¹⁹Sn. Магн. дипольный и электрич. квадрупольный моменты ядер м. б. измерены радиоспектроскопич. методами (см. Радиоспектроскопия).

Модели ядер. Квантовая система с сильным взаимод. многих составляющих ее частиц представляет собой сложный объект для совр. квантовой теории. К тому же теория Я. а. не располагает достаточно определенной информацией о ядерных силах. По этой причине структуру и св-ва ядер описывают пока в рамках моделей, позволяющих получать удовлетворит. результаты лишь по определенным наборам св-в ядер.

Оболочечная модель похожа по структуре на модель электронных оболочек: каждый нуклон находится в ядре в определенном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, спином j, его проекцией на одну из осей, орбитальным моментом кол-ва движения l =j¹/2 и четностью (-1^l). Заполнение уровней энергии проводится в соответствии с Паули принципом. Однако при больших А (> 150) квадрупольные моменты ядер отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в 10-100 раз. Поэтому была предложена ротационная модель для несферич. ядер, согласно к-рой ядро представляет собой эллипсоид вращения и уровни энергии зависят от момента инерции ядра. В обобщенной модели сохраняются осн. идеи оболочечной модели, но потенц. поле, в к-ром движутся нуклоны, предполагается имеющим симметрию эллипсоида вращения, а не сферич. симметрию. Активно развиваются кластерные модели, в к-рых используется представление об образовании взаимодействующих между собой кластеров из двух или большего числа нуклонов. Тем не менее ни одна из моделей не может претендовать на последоват. объяснение св-в ядер на основе общих физ. принципов, а также данных о структуре ядер и взаимод. нуклонов. Теория Я. а. остается пока одной из нерешенных фундам. проблем совр. физики.

Ядерные эффекты в химии. Превращения в-в, не стабильных относительно распада ядер, изучаются, начиная с открытия радиоактивности в 1896. Введенный в нач. 20 в. термин "радиохимия" в наст. время объединяет химию радиоактивных в-в и ядерных превращений и изучение сопутствующих им физ.-хим. процессов. Разработаны методы, позволяющие направленно получать, концентрировать и вьщелять атомы с определенными ядрами, в частности радионуклиды, а также молекулы, в состав к-рых входят такие атомы (см. Ядерная химия).

Заметное влияние на ядерные процессы оказывает строение электронных оболочек атомов и молекул. Так, мёссбауэровская спектроскопия основана на регистрировании резонансного поглощения (рассеяния)квантов ядрами при совпадении энергий ядерных переходов поглотителя с частотой квантов. Изменение энергетич. состояния ядер в молекуле или кристалле по сравнению с состоянием тех же ядер в свободном атоме определяется, в частности, изменением электростатич. взаимод. объемного заряда ядра с электронами, что приводит к т. наз. хим. сдвигу резонансных линий в мёссбауэровском спектре и взаимод. квадрупольного момента ядра с градиентом электрич. поля на ядре, обусловленным несферич. окружением данного ядра в молекуле. В результате происходит расщепление энергетич. уровней мол. системы в зависимости от проекции спина ядра на направление градиента электрич. поля на ядре. Переходы между расщепленными уровнями наблюдаются с помощью метода ядерного квадрупольного резонанса. Взаимод. магн. момента ядра с магн. полем, создаваемым электронами, определяет сверхтонкую структуру спектров электронного парамагнитного резонанса. Расщепление уровней энергии под влиянием взаимод. магн. моментов ядер, связанных с их спином, обусловило создание разл. вариантов метода ядерного магнитного резонанса; тонкая структура спектров ЯМР вызвана спин-спиновым взаимодействием ядер. Все упомянутые методы, основанные на св-вах ядер и их зависимости от окружения ядер, используются для анализа того, что представляет собой окружение Я. а. в молекулах, а также для изучения разл. релаксац. процессов в в-ве.

Характеристики ядер, входящих в состав молекулы, наряду с числом электронов полностью определяют данную молекулу, а следовательно, и весь набор ее квантовых состояний (разл. изомеры отвечают лишь разл. участкам на пов-сти потенц. энергии молекулы). Во мн. задачах достаточно рассматривать ядра как точечные образования, несущие заряд Z и определяющие общую структуру волновых ф-ций каждого из квантовых состояний молекулы. Однако более тонкие эффекты зависят от спина ядер, их квадрупольного момента, а также от их размеров и масс (при использовании релятивистских подходов), что приводит к необходимости активного изучения св-в и структуры ядер.

Различие масс ядер изотопов определяет прежде всего изотопные эффекты - различие физ. и хим. св-в в-ва, содержащего изотопно-замещенные молекулы. В частности, различия масс ядер изотопов позволяют увеличить объем информации, извлекаемой из вращат. и колебат. спектров молекул. Предполагается, что у всех изотопно-замещенных молекул потенц. пов-сть, рассматриваемая в адиабатич. приближении, одна и та же, следовательно, и мол. постоянные, определяющие потенц. пов-сть (равновесная конфигурация, силовые постоянные, постоянные ангармоничности и др.), остаются без изменений. Однако положения вращат. и колебат. уровней энергии молекулы зависят от массы составляющих ее частиц, следовательно, меняются и переходы между этими уровнями при изотопном замещении.

Эти же различия в энергетич. спектре изотопов, наряду с различием поступат. энергии молекул с разными массами при одной и той же т-ре, влекут за собой различие термодинамич. св-в в-ва, в частности отличие от единицы констант равновесия изотопного обмена. Р-ции с участием изотопно-замещенных молекул отличаются скоростями, температурной зависимостью и т. п.

Лит.: Бете Г., Моррисон Ф., Элементарная теория ядра, пер. с англ., 2 изд., М., 1958; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Драrо Р., Физические методы в химии, пер. с англ., т. 1-2, М., 1981; Флайгер У., Строение и динамика молекул, пер. с англ., т. 1-2, М., 1982; Мигдал А. Б., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, 2 изд., М., 1983.

Н. Ф. Степанов.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

Под ред. И. Л. Кнунянца

1988