Fizica nucleului

Subiectul 1

Caracteristici generale ale nucleului atomic (structura nucleului, masa nucleului, stabilitatea nucleului, energia de legătură, dimensiunile nucleului)

1. Noţiuni introductive

Noţiunea de nucleu a fost introdusă de Rutherford în urma experienţelor de difuzie a particulelor α pe foiţe metalice subţiri (1906-1912) = ipoteza: atomul are un „nucleu” cu dimensiuni mult mai mici decât ale atomului în care se concentrează peste 99% din masa atomului.

Experimentul lui Rutherfor şi colab.

Concluziile de mai sus au rezultat prin compararea secţiunii eficace diferenţiale teoretice

(*)

cu datele experimentale.

În expresia de mai sus,

m, p, ze reprezintă masa, impulsul şi, respectiv, sarcina particulelor α, iar Q – sarcina nucleului împrăştietor, θ – unghiul de împrăştiere.

S-a constatat că datele experimentale sunt în acord cu relaţia teoretică (*) dacă se consideră Q = + Ze (sarcina nucleului) în care Z = numărul atomic al nucleului împrăştietor.

Concluzie: Numărul sarcinilor pozitive elementare ale nucleului este egal cu numărul de electroni (atomul este neutru din punct de vedere electric.

Pentru nucleul atomului de hidrogen , Z = 1

Acest nucleu (primul din sistemul periodic şi cel mai simplu a fost numit de Rutherford „proton” (protos – primul în limba greacă)

Nucleele au în compoziţia lor Z protoni .

Informaţii suplimentare asupra structurii nucleelor s-au obţinut din determinarea experimentală a maselor atomice (spectrometrie de masă) care practic coincid cu masele nucleelor corespunzătoare.

Rezultate:

1) Masa unui nucleu Z >1 nu depinde de Z;

2) exista nuclee cu acelaşi Z dar cu mase diferite (izotopii);

3) (număr de masă); A = număr întreg;

Din (3) => orice izotop ar putea fi format din A protoni. Cum A ≠ Z pentru Z ≠ 1 această ipoteză este falsă.

În nuclee trebuie să existe şi alte particule.

2. Structura protono-electronică a nucleului

S-a considerat pentru început că nucleul este compus din:

A protoni + (A - Z) electroni

Sarcina totală a nucleului: A∙e + (A - Z)∙(-e) = Z∙e

Această ipoteză era întărită de existenţa nucleelor β radioactive (care emit spontan electroni).

„Modelul” protono –electronic al nucleului a fost repede infirmat de o serie întreagă de date experimentale, dintre care amintim aşa numita „catastrofă a azotului”:

Astfel, un nucleu format din A protoni şi (A-Z) electroni conţine (2A-Z) particule cu spin 1/2 (fermioni).

În particular, nucleul de 14N conţine 21 de fermioni şi ar trebui să aibă spinul (momentul cinetic total) fracţionar (1/2) .

Măsurătorile infirmau acest rezultat (spinul 14N este egal cu 1).