Моменты ядер

Полный момент количества движения ядер J является векторной суммой орбитальных моментов и спинов всех нуклонов. В зависимости от числа нуклонов в ядре и направления, или спина, полный момент количества движения, или ядерный спин, может иметь целое значение, включая нуль (0, 1, 2, 3, 4, 5 ...), или полуцелое значение (¹/₂, ³/₂, ⁵/₂, ⁷/₂, ...).

Очевидно, что ядро легкого изотопа водорода ¹₁H, состоящее из одного протона, обладает спином, равным ¹/₂. Измерение ядерного спина у дейтерия (тяжелого изотопа водорода) ²₁Н приводит к значению J = 1, а следовательно, обе частицы - протон и нейтрон - вращаются в одном и том же направлении (рис. 20). У первого дважды магического ядра Не значение J = 0, что свидетельствует о том, что по отношению друг к другу оба протона и оба нейтрона имеют противоположный спин. Такое ядро обладает наибольшими симметрией и устойчивостью. Нулевое значение ядерного спина характерно для всех дважды магических ядер, что и объясняет высокую их симметрию, особую устойчивость и соответствует предельной насыщенности ядерных уровней нуклонами.

Рис. 20. Спин ядер дейтерия и гелия

Можно высказать следующее общее положение: ядерный спин равен нулю или целому числу для четных ядер, у которых массовое число - четное; спин равен полуцелому числу для нечетных ядер. Кривая изменения значения спина ядер J в зависимости от Z имеет периодический характер (рис. 21 - пунктирная линия).

Рис. 21. Кривые изменения спина (пунктирная линия) и магнитного момента ядер (сплошная линия) в зависимости от значения Z

Если ядро обладает сферической симметрией, то естественно предположить, что электрически заряженные частицы в нем должны быть расположены симметрично и оно не имеет электрического момента. Однако большинство ядер, вследствие вращения их вокруг своей оси, деформируется (претерпевает изменение формы), что приводит к сжатию их вдоль оси или перпендикулярно к ней. В результате электрический заряд ядра распределен асимметрично (рис. 22), что приводит к возникновению квадрупольного момента (Q). Чем сильнее отклонение ядра от сферической формы, тем больше квадрупольный момент ядра, имеющий положительное (в случае вытянутого эллипсоида) или отрицательное значение (при сплющенном эллипсоиде). Если ядерный спин равен ¹/₂ или нулю, то квадрупольный момент равен нулю или близок к нулю. К ядрам с нулевым значением квадрупольного момента относятся дважды магические ядра.

Рис. 22. Схема возникновения квадрупольного момента ядер

Зависимость квадрупольного момента от Z (или N) носит периодический характер (рис. 23). Наибольшими значениями квадрупольного момента обладают ядра, расположенные примерно по середине между ядрами, характеризующимися магическими числами.

Рис. 23. Кривые изменения квадрупольного момента (Q) от значения Z (или N)

Кроме полного момента количества движения и квадрупольного момента, несимметричные ядра характеризуются магнитным моментом (μ), зависящим от магнитных моментов нуклонов, которые не обладают сферической симметрией распределения в ядре и при своем движении порождают появление электрического тока с каким-то определенным выделенным направлением. Наиболее полно изучены магнитные моменты для нечетно-нечетных ядер; для них величины μ колеблются в пределах от -0,1 до 6 единиц. Кривая зависимости магнитных моментов от Z носит сложный, но периодический характер; в точках максимума кривой находятся ядра, характеризующиеся наибольшим спином от ⁵/₂ до ⁹/₂. Образование нового ядерного уровня совпадает на кривой с резким возрастанием магнитного момента (см. рис. 22 - сплошная линия).

Периодическое изменение моментов ядер является одним из лучших доказательств оболочечной структуры и особых свойств у ядер с магическими числами.