Атомное ядро – центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный электрический заряд.
Ядро, удерживая вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его положительный заряд, образует нейтральный атом. Большинство ядер имеют форму, близкую к сферической. Ядро имеет размер ≈ 10-12 см, что на четыре порядка меньше размера атома (10-8 см). Плотность вещества в ядре – около 230 млн. тонн/см3.
Атомное ядро было открыто в 1911 г. в результате серии экспериментов по рассеянию α-частиц тонкими золотыми и платиновыми фольгами, выполненных в Кембридже (Англия) под руководством Э. Резерфорда. Оказалось, что угловое распределение α-частиц, рассеянных на атоме, имеет вид
где Zα - электрический заряд α-частицы, Zядра – электрический заряд ядра, E – кинетическая энергия α-частицы, θ – угол рассеяния α-частицы.
Это означало, что в атоме имеется точечное положительно заряженное ядро, содержащее в себе практически всю массу ядра. В 1914 году Э.Резерфорд показал, что в состав атомного ядра входят протоны – ядра атома водорода.
В 1932 г. после открытия Дж.Чедвиком нейтрона стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов (В. Гейзенберг, Д.Д. Иваненко, Э. Майорана).
Атомные ядра представляют собой квантовые системы нуклонов, связанных между собой ядерным взаимодействием. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий.
Атомные ядра состоят из нейтронов n и протонов p. Свойства свободных нейтрона и протона приведены в Табл. 1.
Для обозначения атомного ядра используется символ химического элемента атома, в состав которого входит ядро. Левый верхний индекс у этого символа показывает суммарное число нейтронов и протонов в данном ядре, а левый нижний – число протонов в нём. Например, ядро никеля, содержащее 58 нуклонов, из которых 28 протонов, обозначается . Это же ядро обозначают 58Ni, либо Ni-58.
Ядро – система плотно упакованных протонов и нейтронов, двигающихся со скоростью ~109 см/сек и удерживаемых мощными и короткодействующими ядерными силами взаимного притяжения. Область действия ядерных сил ограничена размером ~10-13 см. Протоны и нейтроны имеют размер около 10-13 см и рассматриваются как два разных состояния одной частицы, называемой нуклоном. Радиус ядра можно приближённо оценить по формуле R ≈ 1.3 А1/3·10-13 см, где А – число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре.
Объяснение:
Свойства свободных нейтрона и протона n p
Масса, МэВ/c2 939.56536 ± 0.00008 938.27203 ± 0.00008
Квантовое число - спин 1/2 1/2
Спин, ћ = 6.58·10-22 МэВ·c ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2 ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2
Электрический заряд,
qe = (1.602176487 ± 40)·10-19 Кл (-0.4 ± 1.1)·10-21 |qp + qe|/qe < 10-21
Магнитный момент,
-1.9130427 ± 0.000005 +2.792847351 ± 000000028
Электрический дипольный момент
d, e · см < 0.29 10-25 < 0.54 10-23
Барионный заряд В +1 +1
Зарядовый радиус, Фм 0.875 ± 0.007
Радиус распределения
магнитного момента, Фм 0.89 ± 0.07 0.86 ± 0.06
Изоспин I 1/2 1/2
Проекция изоспина Iz -1/2 +1/2
Кварковый состав udd uud
Квантовые числа s ,c, b, t 0 0
Среднее время жизни (885.7 ± 0.8) с > 2.1±1029 лет
Четность + +
Статистика Ферми-Дирака
Схема распада n → p + e- + антинейтриноe
Aп = 4,6*10^7 Дж
m = 5 кг
Найти:
n - ?
Решение:
Раз нас просят найти КПД, то давай сразу пойдем "в лоб" задачи. Напишем формулу, по которой он рассчитывается:
n = Aп / Аз, где Аз - затраченная работа.
Вроде бы, все просто, да? Нужно только понимать, что означает "работа полезная" и "работа затраченная".
Зачем нужна полезная работа? Очевидно, для совершения какого-то действия, которое нам нужно, полезно. В нашем случае, она уже дана. Допустим, она пойдет на придание движения двигателю.
А затраченная? Это то, что необходимо сделать для того, чтобы полезная работа вообще была, так? Так. В конкретно нашем случае - что это?
Сжигание бензина в двигателе. Именно за счет него будет совершаться полезная работа (движение моторчика в двигателе, например).
Количество теплоты (или работы), которое выделится при сгорании бензина, считается по формуле: Q = m q, где q - это удельная теплота сгорания бензина и она равна q = 44*10^6 кг/Дж
В итоге имеем: n = Ап / Aз = Aп / m q
n = 4,6*10^7 / 5 * 44*10^6 = 0, 209 = 20,9 %