IX. фізика атомного ядра та елементарних частинок
Досліджуючи проходження 
- частинок з енергією декілька МеВ крізь тонкі пластинки золота, Е. Резерфорд зробив
висновок про те, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронів, які його оточують. Розмір ядра ~ 
м, а розмір атома 
м.
Атомне ядро складається з елементарних частинок протонів і нейтронів. Протон (р) має позитивний заряд, що дорівнює заряду електрона, масу спокою 
, спін 
і власний магнітний момент 
, де 
– ядерний магнетон. Нейтрон (n)- нейтральна частинка з масою спокою 
, спіном і власним магнітним моментом 
. Протони і нейтрони називають нуклонами (від латинського nukleus – ядро). Загальна кількість нуклонів в ядрі називається масовим числом А. До складу ядра входять Z протонів та N нейтронів, тому A=Z+N.
Атом з певним числом протонів і нейтронів в складі ядра називається нуклідом. Нуклід з ядром в основному стані позначають 
, де X – символ хімічного елемента з порядковим номером Z.
Атомне ядро характеризується зарядом Ze, де e – заряд протона, Z – зарядове число ядра.
Зарядове число Z характеризує одночасно:
- число протонів в ядрі,
- число електронів в електрично нейтральному атомі,
- порядковий номер елемента в періодичній системі Менделєєва.
Нині відомі і вивчені близько 1800 ядер природних і штучних елементів, які відрізняються або Z, або A, або Z і A.
Ядра 
, 
, 
,... при певних значеннях Z, A і N утворюють деякі групи:
ізотопи: 
; 
| 
, 
, 
| 
, 
, 
|
| 
, 
, 
, 
|
ізобари: 
| 
, 
, 
| , 
| 
, 
|
ізотони: 
| 
, 
, 
| 
, 
|
дзеркальні ряди: 
| , 
| 
, 
| 
, 
|
ізомери:
різні періоди піврозпаду
, 
.
Радіус ядра визначається емпіричною формулою:
, де 
м.
Радіус ядра, враховуючи його розмитість, визначається в певних межах. З формули видно, що радіус ядра пропорційний до кількості нуклонів. Отже, густина ядерної речовини є приблизно однакова для всіх ядер 
.
Прилади високої роздільної здатності дозволили виявити надтонку структуру спектральних ліній ядерного випромінювання. Існування такої структури було пояснено наявністю у ядер власного моменту імпульсу (спіну) та відповідно магнітного моменту.
Власний момент імпульсу ядра – спін ядра – складається із спінів нуклонів та орбітальних моментів імпульсу нуклонів. Обидві ці величини є векторними, тому спін є їх векторною сумою. Спін ядра квантується за законом: 
,
І – спінове ядерне квантове число (або спін ядра), яке набуває цілі або напівцілі значення 0, 
, 1, 
. Ядра з парним значенням А мають цілий спін, ядра з непарним – напівцілий спін.
Атомне ядро, крім спіна, має магнітний момент 
. Магнітний момент зв’язаний зі спіном співвідношенням
,
де 
– коефіцієнт пропорційності, який називається ядерним гіромагнітним відношенням.
Оскільки ядерний магнетон в 1836 разів менший, ніж магнетон Бора, то магнітні властивості атома, переважно, визначаються магнітними властивостями електронів.
Протони і нейтрони розміщуються таким чином, що їх спіни і магнітні моменти взаємно компенсуються. Відмінні від нуля спіни існують лише у ядер які складають з непарної кількості протонів або нейтронів.
Атомне ядро є квантово-механічною системою, яка має значну кількість різних квантових станів. Квантові стани характеризуються енергетичними рівнями ядра, які можуть набувати лише дискретні значення 
. Таку систему певних енергетичних рівнів називають енергетичним спектром ядра (рис. 333). Якщо на ядро не діють зовнішні сили, то воно знаходиться в основному стані – на найнижчому енергетичному рівні 
, який приймають за початок відліку 
. Вертикальні стрілки на рис. 333, напрямлені зверху вниз, показують переходи між енергетичними рівнями з випромінюванням 
– квантів.
Якщо ядро отримує певну порцію енергії, воно переходить у збуджений стан на вищий енергетичний рівень. Середній час життя ядра у збудженому стані дорівнює 
. Після перебування у збудженому стані ядро переходить на один із рівнів, з меншою енергією або зразу в основний стан, випромінюючи один – квант або послідовно декілька 
квантів.
Чим більше нуклонів у складі ядра і чим вища енергія збудження, тим менша середня відстань між рівнями.
Маса і енергія є важливими характеристиками атомного ядра, зміна яких
визначає характер перебігу будь-яких
ядерних процесів. Застосування законів збереження маси і енергії дозволяє проводити розрахунок ядерних взаємодій.
Масу атомів і ядер в ядерній фізиці виражають в атомних одиницях маси (а.о.м.). За атомну одиницю маси приймається 
частина маси атома вуглецю 
. 
. Згідно із співвідношенням Ейнштейна 
масу атомів визначають також в одиницях енергії: 
.
ІВАНЕНКО ДМИТРО ДМИТРОВИЧ
(нар.1904 р.)
Сформулював в 1932 р. гіпотезу про протонно-нейтронну будову ядра, розглядаючи нейтрон як елементарну частинку.
Почав разом із Є.М. Гапоном вивчення оболонок протонів і нейтронів в ядрах
ГАМОВ ДЖОРЖ (ГЕОРГІЙ АНТОНОВИЧ)
(1904-1968)
Сформулював уявлення про рівні енергії в ядрі та показав, що більш ефективнішими
„ядерними снарядами” є протони.
ВАЛЬТЕР АНТОН КАРЛОВИЧ
(1905-1965)
Провів цикл досліджень розмірів і форми ядер методом розсіяння електронів.
КЛЮЧАРЬОВ ОЛЕКСІЙ ПАВЛОВИЧ
(нар.1910 р.)
Вперше вивчив (1959 р.) ізометрію атомних ядер в мілісекундній області, отримав більше 20 нових ізомерних ядер і встановив закономірності їх розпаду, виявив більш складні ізомерні стани – трьох і чотирьохчастинкові.
Відкрив (1962 р.) ізобар-аналогові стани і резонанси в області середньотяжких ядер (ідентифіковано 27 ізобар-аналогових станів в ядрах з непарним А£41).
Визначив (1969 р.) квантові характеристики рівнів ряду ядер, більшість з яких отримано вперше.
АФАНАСЬЄВ МИКОЛА ГРИГОРОВИЧ
Провів в 1962-65 рр. дослідження з розсіяння атомними ядрами електронів. Показав, що для всіх середніх і тяжких ядер, починаючи з 28Si середньоквадратичні зарядові радіуси ядер пропорційні Z1/3, а не А1/3, як передбачалось раніше (Rz=r0(2z)1/3), а крива залежності середньоквадратичного радіуса від Z або А не є монотонною, а є осцилюючою, що відображає оболонкову структуру ядер.
ЛАЗАРЄВ БОРИС ГЕОРГІЙОВИЧ
(1906-2001)
Розробив низькотемпературний метод розділення ізотопів гелію, який дав змогу добувати 
із суміші ізотопів гелію.
ДАВИДОВ ОЛЕКСАНДР СЕРГІЙОВИЧ
(1912-1993)
Праці Давидова з теорії ядра справили великий вплив на уявлення про форму ядер та види колективних рухів в них. Сформулював і розвинув основні положення моделі жорсткого неаксіального ротатора, яка дала можливість пояснити багато закономірностей у спектрах низьких збуджень великої групи несферичних ядер.
