Отеки у беременных

Строение ядра атома. Структура и принципы строения атома Строение атомного ядра химия

Атом – это мельчайшая частица химического элемента. От строения атома зависят химические свойства элемента, в частности – его способность соединяться с атомами других элементов с образованием молекул сложных веществ.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него по определенным орбитам электронов. Атомное ядро несет на себе электрический заряд q = Ze , где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а e – так называемый элементарный электрический заряд , который невозможно разделить на части: е = 1,6 · 10 -19 Кл (кулона). Заряд элементарной частицы электрона равен –е , а число электронов на орбитах атома равно Z , так что их суммарный заряд q е = – Ze по абсолютной величине равен заряду ядра, но противоположен по знаку, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Размеры атомов всех элементов примерно одинаковы, и их радиусы составляют примерно величину ≈ 10 -8 см.

1.1.2. Строение и свойства атомного ядра

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Атомное ядро состоит из элементарных частиц – нуклонов , которые имеют две разновидности, называемые протонами (p ) и нейтронами (n ) . Все основные характеристики протонов и нейтронов – размеры, массы и другие – практически одинаковы, и их главное различие заключается в электрическом заряде: заряд протона равен +е , а заряд нейтрона равен нулю, т.е. нейтрон электрически нейтрален.

Различные атомные ядра содержат в себе различные количества нуклонов каждого сорта. Число протонов в ядре Z совпадает с порядковым номером химического элемента и определяет электрический заряд ядра (см. выше). Число нейтронов N не влияет на заряд ядра, а, следовательно – и на принадлежность атома тому или иному элементу. Поэтому ядра атомов одного элемента имеют одинаковые Z , но могут иметь различные N . Разновидности одного элемента с разными количествами нейтронов в их ядрах называются изотоп ами . Поскольку массы протонов и нейтронов почти одинаковы, масса ядра определяется в первом приближении общим числом всех нуклонов N + Z = А . Поэтому число А называется массовым числом . При обозначении изотопов массовое число указывается сверху слева от символа химического элемента. Так, например, известны изотопы водорода: обычный водород, ядром которого является одинокий протон – 1 Н, тяжелый водород (дейтерий), в ядре которого к протону добавляется один нейтрон – 2 Н, и сверхтяжелый водород (тритий) 3 Н, ядра которого состоят из одного протона и двух нейтронов. Дейтерий и тритий иногда обозначаются символами D и T соответственно. Изотопы есть у всех элементов, причем в некоторых случаях их число достигает двух-трех десятков. У природного урана (Z = 92) имеются три изотопа: 234 U, 235 U и 238 U, и кроме этого искусственно получают еще несколько изотопов: 232 U, 233 U, 236 U, 239 U и другие. Все изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами – они вступают в одни и те же химические реакции, образуют одинаковые химические соединения и т.п., но их ядерные свойства могут сильно различаться. Так, например, ядра 235 U делятся медленными нейтронами, а ядра 238 U – нет (см. ниже).

Ядра с одинаковым числом всех нуклонов, и, следовательно, с одинаковыми массовыми числами А, называются изобар ами , т.е. ядрами примерно одинакового веса (от греческого слова барос – вес). Изобарами являются, например, ядра 3 Н и 3 Не, или 58 Fe и 58 Ni. Иногда выделяют ядра изотоны , содержащие одинаковые количества нейтронов, и ядра изомеры , о которых подробнее будет рассказано ниже.

Возможность различных комбинаций чисел Z и N приводит к возможности существования громадного количества различных типов ядер. Каждый тип ядер с определенными значениями Z и N называется нуклидом . В природе существует около 300 различных нуклидов и еще свыше 2000 нуклидов могут быть получены искусственно.

Одноименные электрические заряды протонов отталкиваются друг от друга по законам электростатики, пытаясь разорвать ядро на части. Тем не менее, известно, что ядра многих нуклидов являются чрезвычайно прочными объектами, способными существовать практически вечно без каких бы то ни было изменений. Этот факт говорит о том, что в ядре между нуклонами действуют какие-то мощные силы притяжения, намного превосходящие по величине силы электростатического отталкивания. Эти силы так и называются ядерными силами . Ядерные силы обладают целым рядом специфических свойств, резко отличающих их от всех других сил в природе. С их большой величиной и связаны громадные запасы энергии, заключенные в атомных ядрах.

Размеры атомных ядер чрезвычайно малы – около 10 -12 см. Это означает, что ядро в 10 000 раз меньше самого атома. Но именно в этих ядрах сосредоточены свыше 99,9% массы всего вещества и громадные запасы энергии. Эксперименты показывают, что радиусы всех ядер зависят от числа нуклонов в ядре и выражаются простой формулой:

R=1,4·10 -13 A 1/3 см.

Масса ядра. В начале отметим, что в ядерной физике принято иметь дело не с массами ядер, а с массами атомов, так как их легче измерять, а в случае необходимости массу ядра можно всегда легко найти, вычтя из массы атома М суммарную массу электронов Zm e , т.к. масса электрона хорошо известна: m e = 9,108·10 -28 г. Для выражения масс атомов в ядерной физике принята специальная единица, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.)и определяется как одна двенадцатая доля массы атома основного изотопа углерода 12 С. 1 а.е.м.= 1,66·10 -27 кг = 1,66·10 -24 г. Выраженная в этих единицах масса атома так и называется атомной массой М.. Единицу атомной массы выбрали специально с таким расчетом, чтобы атомные массы, округленные до целых чисел, совпадали бы с атомными числами, т.е. с числом нуклонов в ядре. Например:

М (1 Н) = 1,007825 а.е.м.,

М (238 U)=238,05076 а.е.м.

Разность между атомной массой и массовым числом называется избытком или декрементом массы : δ = М – А. Именно эти величины и приводятся обычно в таблицах, чтобы не загромождать их лишними числами, а, зная декремент, всегда можно найти точное значение массы атома М = А +δ.

Атомные массы измеряют с помощью особых приборов масс-спектрографов и масс-спектрометров, принцип действия которых основан на отклонении пучков ионов в электрических и магнитных полях: чем тяжелее ион, тем меньше он отклоняется при пролете через такие поля. Поэтому по величине отклонения можно определить массу иона.

На различии масс атомов различных изотопов основаны и разные физические методы их разделения, ибо химические методы разделения веществ для разделения изотопов совершенно непригодны.

Энергия связи ядра . Преодолеть действие ядерных сил можно, введя в ядро достаточное количество энергии. Количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разорвать ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра . Такое же количество энергии выделилось бы при образовании ядра из отдельных нуклонов, уйдя из системы в виде вылетающих гамма-квантов. Аналогично определяется энергия связи любого нуклона или групп нуклонов, например: энергия связи нейтрона в ядре – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы вырвать один нейтрон из ядра.

Удельная энергия связи нуклонов в ядре В . Так называется доля полной энергии связи ядра, приходящаяся в среднем на один нуклон в ядре. Из этого определения следует: В = Е св /А . Величина В зависит от числа нуклонов в ядре А (рис. 1): с ростом А значения В сначала резко возрастают, а затем, пройдя плавный максимум, постепенно уменьшаются. При этом у большинства ядер (кроме самых легких) значения В не сильно отличаются от 8 МэВ. Форма кривой удельной энергии связи на рис.1.1 говорит о том, что наиболее крепко связанными являются ядра со средними значениями А . Именно поэтому как процессы деления тяжелых ядер, так и процессы слияния легких ядер, приводящие к образованию ядер со средними массовыми числами, «энергетически выгодны», т.е. сопровождаются выделением огромной энергии. Поэтому на этих процессах основаны два известных способа получения «ядерной» энергии – это деление тяжелых ядер и синтез легких ядер (термоядерный), соответственно.

Дефект массы. Согласно теории относительности, любое изменение энергии системы сопровождается и изменением ее массы: Δ Е =Δ М·с 2 . Поскольку при образовании ядра из отдельных нуклонов выделяется энергия связи, то согласно последнему соотношению, такой процесс должен приводить к уменьшению массы системы. Поэтому масса ядра всегда оказывается меньше суммы масс отдельно взятых нуклонов, из которых это ядро состоит:

Δ М = ZM H + (A – Z)m n – M(A,Z) .

Рис.1.1. Зависимость удельной энергии связи от массового числа нуклида.

Это уменьшение массы при образовании ядра называется дефектом массы (здесь M H - масса атома водорода, m n – масса нейтрона, M (A , Z ) – масса атома, о котором идет речь.). Напомним, что хотя в этом выражении фигурируют массы атомов, но атом (A , Z ) содержит ровно столько же электронов, как и Z атомов водорода, поэтому массы электронов сокращаются, и дефект массы фактически выражает разность масс отдельных нуклонов и рассматриваемого ядра.

Из сказанного выше следует, что дефект массы определяет энергию связи ядра: Е св =Δ М·с 2 . Это выражение можно существенно упростить, если с помощью соотношения Е = М·с 2 найти количество энергии, соответствующее одной атомной единице массы: 1а.е.м = 931,5 МэВ. Тогда рассчитав величину Δ М в атомных единицах массы, можно легко найти значение энергии связи в МэВ: Е св (МэВ) = 931,5·Δ М (а.е.м.).

Выражение для дефекта массы можно тоже упростить, выразив все входящие в него массы через соответствующие декременты: M H = 1 + δ(Н), m n = 1 + δ n , M (A , Z ) = А + δ(A , Z ), что после сокращения подобных членов дает:

Δ М = Z δ(Н) + (A – Z) δ n – δ(A,Z ).

Энергетические состояния ядер. Нуклоны и состоящие из них атомные ядра, как и все другие элементарные частицы, подчиняются законам квантовой механики, которые во многом отличаются от законов классической физики. В частности, энергия в микромире может изменяться лишь определенными порциями (квантами), а не непрерывно, как в классической механике. Соответственно и ядро может находиться лишь в состояниях с определенными значениями энергии, а промежуточные состояния оказываются невозможными. Эти состояния принято обозначать на схемах черточками, которые называются энергетическими уровнями (рис. 1.2). Энергия на таких схемах откладывается снизу вверх. Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным , все остальные – возбужденными . Обычно все ядра находятся в своих основных состояниях, но получив достаточную порцию энергии, они могут перейти в одно из возбужденных состояний. Энергия E i , необходимая для перехода ядра в i -ое состояние, указывается на схемах уровней рядом с соответствующим уровнем (энергия основного состояния принимается за 0). Оказавшись на i -ом уровне, ядро может перейти на любой к -ый уровень с меньшей энергией. При таком переходе выделяется разность энергий, которую уносит вылетающий из ядра гамма-квант: Е γ = E i – Е к . После нескольких таких переходов, называемых каскадом , ядро приходит в основное состояние. Время нахождения ядра в возбужденном состоянии, называется временем жизни соответствующего уровня и обозначается буквой τ. У нижних возбужденных уровней значения τ обычно бывают порядка 10 -10 – 10 -12 с, у верхних – ещё меньше, порядка 10 -15 – 10 -17 с. Однако, у некоторых ядер встречаются возбужденные уровни с аномально большими временами жизни от нескольких секунд до миллионов лет. Такие долгоживущие уровни называются метастабильными уровнями , а все явление в целом – ядерной изомерией .

Рис.1.2. Схема ядерных уровней

Помимо энергии, каждый уровень характеризуется еще целым рядом величин, в том числе моментом количества движения . В квантовой механике моментом количества движения называется величина P =ћ√ I (I +1), где I – т.н. квантовое число момента количества движения . Поскольку величина P однозначно определяется числом I , то обычно, говоря о моменте количества движения, только это число и называют. По законам квантовой механики у ядер с четным числом нуклонов значения I могут быть только целыми числами: 0, 1, 2, 3,…., а у ядер с нечетным числом нуклонов – только полуцелыми числами: 1/2, 3/2, 5/2 и т.д. Каждый возбужденный уровень имеет свое значение числа I , определяемое, как правило, опытным путем. Числа I сильно влияют на вероятность переходов ядра между уровнями: чем больше разность значений I между начальным и конечным уровнями Δ I = I i - I k , тем менее вероятен переход.

Как известно, все материальное во Вселенной состоит из атомов. Атом – это мельчайшая единица материи, которая несет в себе ее свойства. В свою очередь, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов.

При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.

Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития - из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.

Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития

Атомы соединяются в молекулы, а молекулы - в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.

Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атомной системы. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.

Схематические изображения строения атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, само ядро настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% - из самих физических форм.

Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.

Из чего состоит электрон

Самая маленькая частица атома – электрон. Электрон обладает массой, но при этом не обладает объемом. В научном представлении электрон не из чего не состоит, а представляет собой бесструктурную точку.

Под микроскопом электрон невозможно увидеть. Он наблюдаем только в виде электронного облака, которое выглядит как размытая сфера вокруг атомного ядра. При этом с точностью, где находится электрон в момент времени, невозможно сказать. Приборы же способны запечатлеть не саму частицу, а только лишь ее энергетический след. Суть электрона не вкладывается в представления о материи. Он скорее подобен некой пустой форме, существующей только в движении и за счет движения.

Никакой структуры в электроне до сих пор не было обнаружено. Он является такой же точечной частицей, как и квант энергии. Фактически, электрон - и есть энергия, однако, это более устойчивая ее форма, нежели та, которая представлена фотонами света.

В настоящий момент электрон считают неделимым. Это понятно, ведь невозможно разделить то, что не имеет объема. Однако в теории уже есть наработки, согласно которым в составе электрона лежит триединство таких квазичастиц как:

Орбитон – содержит информацию об орбитальном положении электрона;
Спинон – ответственен за спин или вращательный момент;
Холон – несет информацию о заряде электрона.

Впрочем, как видим, квазичастицы с материей уже не имеют абсолютно ничего общего, и несут в себе одну только информацию.

Фотографии атомов разных веществ в электронный микроскоп

Интересно, что электрон может поглощать кванты энергии, например, света или тепла. В этом случае атом переходит на новый энергетический уровень, а границы электронного облака расширяются. Бывает и такое, что энергия, поглощаемая электроном настолько велика, что он может выскочить из системы атома, и далее продолжить свое движение как независимая частица. При этом он ведет себя подобно фотону света, то есть, он будто бы перестает быть частицей и начинает проявлять свойства волны. Это было доказано в эксперименте.

Эксперимент Юнга

В ходе эксперимента на экран с двумя прорезанными в нем щелями был направлен поток электронов. Проходя через эти прорези, электроны сталкивались с поверхностью еще одного – проекционного – экрана, оставляя на нем свой след. В результате такой «бомбардировки» электронами на проекционном экране появлялась интерференционная картина, подобная той, которая появилась бы, если бы через две прорези проходили бы волны, но не частицы.

Такой рисунок возникает из-за того, что волна, проходя между двух щелей, делится на две волны. В результате дальнейшего движения волны накладываются друг на друга, и на некоторых участках происходит их взаимное гашение. В результате мы получаем много полос на проекционном экране, вместо одной, как это было бы, если бы электрон вел себя как частица.

Структура ядра атома: протоны и нейтроны

Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И притом, что в общем объеме ядро занимает менее 1%, именно в этой структуре сосредоточена почти вся масса системы. А вот на счет структуры протонов и нейтронов физики разделились во мнениях, и на данный момент существует сразу две теории.

Теория №1 - Стандартная

Стандартная модель говорит о том, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков, соединенных между собой облаком глюонов. Кварки являются точечными частицами, так же, как кванты и электроны. А глюоны – это виртуальные частицы, обеспечивающие взаимодействие кварков. Однако в природе так и не было найдено ни кварков, ни глюонов, потому эта модель поддается жестокой критике.

Теория №2 - Альтернативная

А вот по альтернативной теории единого поля, разработанной Эйнштейном, протон, как и нейтрон, как и любой другая частица физического мира, представляет собой вращающееся со скоростью света электромагнитное поле.

Электромагнитные поля человека и планеты

Каковы же принципы строения атома?

Все в мире – тонкое и плотное, жидкое, твердое и газообразное – это лишь энергетические состояния бесчисленных полей, пронизывающих пространство Вселенной. Чем выше уровень энергии в поле, тем оно тоньше и менее уловимо. Чем ниже энергетический уровень, тем оно более устойчивое и ощутимое. В структуре атома, как и в структуре любой другой единицы Вселенной, лежит взаимодействие таких полей – разных по энергетической плотности. Выходит, а материя – только иллюзия ума.

«Физика - 11 класс»

Строение атомного ядра. Ядерные силы

Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра.
Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.

Протонно-нейтронная модель ядра

Согласно протоннонейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов - протонов и нейтронов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке.
Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А :

A = Z + N

Массы протона и нейтрона близки друг к другу и каждая из них примерно равна атомной единице массы.
Масса электронов в атоме много меньше массы его ядра.
Поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента.
Массовые числа могут быть определены путем приближенного измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точностью.

Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением Z , но с различными массовыми числами А , т. е. с различными числами нейтронов N .

Ядерные силы

Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими.
Это не гравитационные силы, которые слишком слабые.
Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами, так как между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание.
А нейтроны не имеют электрического заряда.

Значит, между ядерными частицами - протонами и нейтронами, их называют нуклонами - действуют особые силы, называемые ядерными силами .

Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы примерно в 100 раз превышают электрические (кулоновские) силы.
Это самые мощные силы из всех существующих в природе.
Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями .

Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре.
Это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями.

Другая важная особенность ядерных сил - их коротко- действие.
Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния.
Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра (10 -12 -10 -13 см), что показали уже опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц атомными ядрами.
Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана.
Значительные успехи в ее разработке были достигнуты совсем недавно - в последние 10-15 лет.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы удерживаются в ядре ядерными силами.

Изотопы

Изучение явления радиоактивности привело к важному открытию: была выяснена природа атомных ядер.

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно обнаружилось, что существуют вещества, тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся по-разному).
Их никак не удавалось разделить ни одним из известных химических способов.
На этом основании Содди в 1911 г высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью.
Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева.
Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях.
Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов.
Бо́льшая часть их имеет относительную массу, равную 20.
Но существует незначительная часть атомов с относительной атомной массой 22.
В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2.
Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой.

Оба вида атомов неона, естественно, занимают одно и то же место в таблице Д. И. Менделеева и, следовательно, являются изотопами.
Таким образом, изотопы могут различаться не только своими радиоактивными свойствами, но и массой.
Именно поэтому у изотопов заряды атомных ядер одинаковы, а значит, число электронов в оболочках атомов и, следовательно, химические свойства изотопов одинаковы.
Но массы ядер различны.
Причем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными.
Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу.

В настоящее время установлено существование изотопов у большинства химических элементов.
Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы.
Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов - урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого - водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

Особенно интересны изотопы водорода, так как они различаются по массе в 2 и 3 раза.
Изотоп с относительной атомной массой 2 называется дейтерием .
Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1: 4500) в обычный водород.
При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода.
Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды.
При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и замерзает при 3,8 °С.

Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием .
Он β-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет.

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома.
Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.

Примечательно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам.
А вот атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел.
Так, относительная атомная масса хлора равна 35,5.
Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях.
Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.

Большинство химических элементов имеют изотопы.
Заряды атомных ядер изотопов одинаковы, но массы ядер различны.

Существование атомных ядер впервые было экспериментально доказано в знаменитых опытах Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. В этих опытах удалось также установить размеры ядра. Оказалось, что диаметр ядра имеет порядок . В итоге возникла планетарная модель атома, которая была детально разработана Н. Бором. Теория Бора позволила объяснить многие наблюдаемые свойства атомов.

Атомное ядро на Земле и в космосе. Многочисленные опытные факты, такие, как естественная и искусственная радиоактивность, ядерные реакции, свидетельствуют о сложном строении ядра. Однако в окружающем нас земном мире атомные ядра, как правило, существуют только в своих основных энергетических состояниях. Большинство ядер ведут себя совершенно пассивно, выступая лишь носителями электрического заряда и массы, и никак не проявляют своих внутренних динамических свойств. Фактически на Земле все интересные ядерные явления происходят только в созданном руками человека искусственном мире ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц. Наиболее впечатляющие явления разыгрываются в гигантских ускорителях, способных сообщить разгоняемым частицам-«снарядам» огромные энергии, не встречающиеся в обычных условиях.

Иначе обстоит дело в масштабах Вселенной. Энергетические превращения, происходящие в недрах звезд, квазаров и других космических объектов, - это арена проявления динамических свойств ядер и элементарных частиц. В конечном итоге именно этим процессам мы обязаны всеми доступными на Земле источниками энергии. И сам состав окружающего нас сегодня материального мира представляет собой продукт ядерных реакций, происходящих на протяжении истории Вселенной.

Состав атомного ядра. По современным представлениям ядро атома любого элемента состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Основные характеристики стабильных ядер - это зарядовое число равное числу протонов, входящих в состав ядра, и массовое число А, равное полному числу нуклонов в ядре. Число нейтронов в ядре, очевидно, равно разности

Так как заряд протона представляет собой элементарный положительный заряд Кл, то электрический заряд ядра равен . В нейтральном атоме полное число электронов в электронной оболочке равно Поэтому зарядовое число ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Менделеева и определяет все его химические свойства.

Наряду с термином «ядро атома» используется также термин нуклид. Нуклиды с одинаковыми зарядовыми числами но различными числами нейтронов называются изотопами, так как соответствуют одному и тому же химическому элементу, т. е. одному и тому же месту в таблице Менделеева. Химические элементы имеют по нескольку изотопов и в природе встречаются в виде смесей определенного процентного состава. Нуклиды с одинаковыми массовыми числами А, но с различными и называются изобарами (т. е. одинаково тяжелыми).

Массы протонов и нейтронов очень близки: масса протона масса нейтрона те, где кг - масса электрона. Поэтому масса нуклида практически определяется общим числом А входящих в него нуклонов, а не значениями и За атомную единицу массы принимают 1/12 часть массы нуклида изотопа углерода содержащего 12 нуклонов. Поэтому в атомных единицах масса любого нуклона почти не отличается от единицы. В этих единицах масса ядра приближенно равна массовому числу А.

Энергия связи. Неточное совпадение массы нуклида с его массовым числом обусловлено не только различием масс протонов и нейтронов, но и тем, что их массы не складываются аддитивно в массу образуемого ими нуклида М:

Разность между суммой масс протонов и нейтронов и массой ядра М называется дефектом массы. Дефект массы определяет энергию связи ядра т. е. ту энергию, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

Соотношение (1) является следствием общей релятивистской формулы связывающей энергию покоя любого тела с его массой Очевидно, что энергия связи характеризует взаимодействие между нуклонами в ядре.

Ядерные силы. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Эти силы представляют собой проявление самого интенсивного из известных в физике взаимодействий - так называемого

сильного взаимодействия. Ядерные силы, действующие между двумя протонами в ядре, примерно на два порядка больше кулоновских электростатических сил, действующих между ними, и в 103 раз больше сил их гравитационного взаимодействия.

На основании опытных данных можно заключить, что нейтроны и протоны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя практически одинаково: ядерные силы между двумя протонами, двумя нейтронами или протоном и нейтроном неразличимы. Поэтому протоны и нейтроны в ядре рассматривают как два различных зарядовых состояния одной и той же частицы-нуклона. Независимость ядерных сил от зарядового состояния нуклонов называется изотопической инвариантностью.

Действие ядерных сил быстро спадает с расстоянием: на расстояниях больших см их действие не проявляется. Вплоть до расстояния порядка они проявляются как силы притяжения, на меньших расстояниях - как силы отталкивания. Силы отталкивания настолько быстро растут с уменьшением расстояния, что нуклоны в ядре можно рассматривать как соприкасающиеся частицы неизменных размеров.

Размеры ядер. Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов. Средняя концентрация нуклонов в ядре для всех ядер с практически одинакова. Это означает, что объем ядра примерно пропорционален числу нуклонов А и, следовательно, его радиус пропорционален

где см. Плотность ядерной материи чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около Такая плотность вещества характерна и для некоторых космических объектов, например нейтронных звезд - пульсаров.

Оказывается, что энергия связи также примерно пропорциональна числу А нуклонов в ядре, так что удельная энергия связи (т. е. энергия связи в расчете на один нуклон) слабо меняется при изменении А. Для большинства ядер значение лежит в интервале от 6 до

Энергия связи и соотношения неопределенностей. Удельную энергию связи можно оценить на основе известных размеров ядра с помощью соотношений неопределенностей Гейзенберга. Когда нуклон находится внутри ядра, т. е. локализован в области размером порядка неопределенность в значении его импульса составляет

Так как само значение импульса не может быть меньше этой неопределенности то эту же оценку можно использовать и для

импульса нуклона Соответствующее такому импульсу значение скорости нуклона массы составляет несколько десятых долей скорости света. Поэтому его кинетическая энергия определяется нерелятивистским выражением и равна

Так как нуклон в ядре находится в связанном состоянии, то глубина потенциальной ямы, в которой он движется, имеет по крайней мере такой же порядок величины.

Полагая неопределенность в значении импульса одного порядка с самим импульсом, мы заведомо считали, что поведение нуклона в ядре нельзя описывать как движение классической частицы. К такому же выводу можно прийти на основе представлений о волнах де Бройля. Если оценить значение импульса нуклона на основе известной из опыта энергии связи на нуклон и подсчитать соответствующую такому импульсу длину волны де Бройля, то она окажется того же порядка величины, что и размер ядра.

Значение удельной энергии связи составляет менее одного процента энергии покоя нуклона ГэВ. Поэтому действительно можно считать, что ядро состоит из отдельных нуклонов, которые сохраняют свою индивидуальность и внутри ядра.

Аналогичные соображения показывают, что в состав ядра не могут входить электроны. Если электрон локализован в ядре, т. е. в области размером см, то с помощью соотношений неопределенностей можно убедиться, что он будет ультрарелятивистским с кинетической энергией ГэВ. Это значение существенно превосходит и энергию покоя электрона, равную 0,5 МэВ, и энергию связи ядра в расчете на одну частицу. Последнее, естественно, несовместимо с предположением, что электрон находится внутри ядра.

Капельная модель ядра. О приближенном постоянстве удельной энергии связи для различных ядер говорят как о насыщении ядерных сил. Оно фактически означает, что каждый нуклон эффективно взаимодействует не со всеми нуклонами ядра (в этом случае при А» 1 энергия связи была бы пропорциональна а лишь со своим ближайшим окружением. Эта ситуация до некоторой степени аналогична той, которая встречается при описании взаимодействия молекул жидкости. Такая аналогия в свое время послужила основой для создания так называемой капельной модели ядра, в которой принимается, что ядро ведет себя подобно капле несжимаемой заряженной жидкости. С помощью формулы (2) можно определить некоторые параметры такой ядерной жидкости. Для концентрации нуклонов в ядре, очевидно, можно написать

Отсюда для плотности ядерного вещества имеем

что совпадает с приведенным выше значением. Нетрудно оценить и среднее расстояние между нуклонами в ядре:

Поскольку концентрация нуклонов, плотность вещества в ядре, а также среднее расстояние между нуклонами практически одинаковы во всех ядрах, то ядерное вещество в капельной модели ядра можно считать практически несжимаемым.

Капельная модель позволила описать не только основное состояние ядра, но и некоторые из возбужденных состояний, рассматривая их как колебания формы поверхности капли. Однако эта чрезвычайно простая модель не в состоянии объяснить всего многообразия наблюдаемых свойств атомных ядер.

Кулоновское отталкивание протонов. Энергия связи нуклонов в ядре уменьшается из-за кулоновского отталкивания между протонами. Это кулоновское отталкивание является дальнодействующим в отличие от «контактного» сильного взаимодействия, действующего только между соприкасающимися нуклонами. Для легких ядер эффект кулоновского отталкивания не играет существенной роли, но для тяжелых ядер ситуация уже иная. В самом деле, энергия кулоновского отталкивания определяется попарным взаимодействием всех протонов ядра и потому пропорциональна т. е. пропорциональна при Энергия притяжения нуклонов из-за сильного взаимодействия, как уже отмечалось, пропорциональна полному числу нуклонов А. Так как числа протонов и нейтронов в устойчивых ядрах приблизительно одинаковы, то эта энергия фактически пропорциональна Поэтому с ростом уже так много протонов, что полная их стабильность оказывается вообще невозможной.

Наибольшей устойчивостью и распространенностью в природе отличаются ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из так называемых магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Если у ядра одновременно являются магическими как число нейтронов, так и число протонов, то такие дважды магические ядра отличаются особенно большой устойчивостью. Таких ядер всего пять: Повышенная устойчивость магических ядер объясняется в так называемой оболочечной моделью ядра.

Как проявляет себя атомное ядро в земных условиях и в масштабах Вселенной?

Как связаны между собой порядковый номер элемента в периодической системе с зарядом его ядра?

Что такое изотопы и изобары?

Почему масса ядра не равна сумме масс образующих его протонов и нейтронов?

Как с помощью соотношений неопределенностей оценить энергию связи нуклонов в ядре?

Что такое капельная модель ядра?

Почему относительное число нейтронов в ядре больше у тяжелых ядер?

Какие атомные ядра отличаются наибольшей устойчивостью?

Содержание статьи

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. Ядро представляет собой центральную часть атома . В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10 –15 –10 –14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10 –14 м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.

На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект, рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.

Ядра большинства атомов оказались не только очень малы – на них никак не действовали такие средства возбуждения оптических явлений, как дуговой искровой разряд, пламя и т.п. Указанием на наличие некой внутренней структуры ядра явилось открытие в 1896 А.Беккерелем радиоактивности. Оказалось, что уран, а затем и радий, полоний, радон и т.п. испускают не только коротковолновое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение и электроны (бета-лучи), но и более тяжелые частицы (альфа-лучи), а они могли исходить лишь из массивной части атома. Резерфорд использовал альфа-частицы радия в своих опытах по рассеянию, которые послужили основой формирования представлений о ядерном атоме. (В то время было известно, что альфа-частицы – это атомы гелия, лишенные своих электронов; но на вопрос – почему некоторые тяжелые атомы спонтанно испускают их, ответа еще не было, как не было и точного представления о размерах ядра.)

Открытие изотопов.

Измерения масс «каналовых лучей», проведенные Дж.Томсоном, Ф.Астоном и другими исследователями с помощью более совершенных масс-спектрометров и с большей точностью, дали ключ к строению ядра, а также атома в целом. Например, измерение отношения заряда к массе показало, что заряд ядра водорода, по-видимому, представляет собой единичный положительный заряд, численно равный заряду электрона, а масса m p = 1837m e , где m e – масса электрона. Гелий мог давать ионы с двойным зарядом, но его масса в 4 раза превышала массу водорода. Таким образом, высказанная ранее В.Праутом гипотеза о том, что все атомы построены из атомов водорода, была серьезно поколеблена.

Сравнивая на своем масс-спектрографе массу атома неона с известными массами других элементов, Томсон в 1912 неожиданно обнаружил, что неону вместо одной соответствуют две параболы. Расчеты масс частиц показали, что одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая – с массой 22. Это явилось первым свидетельством того, что атомы определенного химического элемента могут иметь различные массовые числа. Поскольку измеренное (среднее) массовое число оказалось равным 20,2, Томсон высказал предположение, что неон состоит из атомов двух типов, на 90% с массой 20 и на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона оказывается равным 20,2.

Наличие двух типов атомов неона наводило на мысль о том, что и другие элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов. Атомы одного и того же элемента с различной массой называют изотопами. У некоторых элементов существует только один изотоп, что требовало теоретического объяснения, как и факт разной распространенности элементов, а также существование радиоактивности лишь у определенных веществ.

В связи с открытием изотопов возникла проблема стандартизации, поскольку химики ранее выбрали в качестве стандарта «кислород» (16,000000 атомных единиц массы), оказавшийся смесью четырех изотопов. В итоге было решено установить «физическую» шкалу масс, в которой наиболее распространенному изотопу кислорода приписывалось значение 16,000000 а.е.м. Однако в 1961 между химиками и физиками было достигнуто соглашение, согласно которому наиболее распространенному изотопу углерод-12 были приписаны 12,00000 а.е.м. Поскольку число атомов в 1 моле изотопа равно числу Авогадро N 0 , получаем

Отметим, что в атомную единицу массы входит масса одного электрона, а масса самого легкого изотопа водорода почти на 1% больше 1 а.е.м.

Открытие нейтрона.

Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А- Z электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером Z .

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда. «Естественный радиус» электрона r 0 = e 2 /mc 2 (который получается, если приравнять электростатическую энергию e 2 /r 0 заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc 2) составляет r 0 = 2,82Ч 10 –15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10 –14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие ученые рассматривали возможность существования устойчивой комбинации из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 4 2 He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рис. 2 схематически показана структура нескольких легких ядер.

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

Ядерная связь.

Первоначальное предположение Праута о том, что все атомные массы должны быть целыми кратными массы атома водорода, очень близко к истине, в частности, применительно к изотопам. Отклонения крайне малы, всегда не более 1%, а в большинстве случаев не более 0,1%. Детальное изучение масс изотопов доведено до высочайшей степени совершенства: погрешность измерения в настоящее время, как правило, не превышает нескольких миллионных.

Установлено, что число нейтронов примерно совпадает с числом протонов в атоме, т.е.

В действительности в более тяжелых ядрах имеется некоторый избыток нейтронов. Поскольку нейтрон не заряжен, силы, удерживающие нейтроны и протоны в ядре, по своей природе не являются электростатическими; кроме того, одноименные заряды отталкиваются. То обстоятельство, что ядра очень трудно расщепить, указывает на существование больших сил ядерного притяжения. Несмотря на малость расстояний, гравитационное притяжение между нуклонами все же слишком слабо, чтобы обеспечить стабильность ядра.

Согласно Эйнштейну, полная энергия изолированной системы сохраняется, а масса является одной из форм энергии: E = mc 2 . Чтобы расщепить такую связанную систему, как ядро стабильного атома, на составляющие ее нейтроны и протоны, ей необходимо сообщить энергию. Это означает, что масса нейтронов и протонов превышает массу ядра на величину

D M = ZM p + NM n – M A,Z ,

где M p и M n – массы свободного протона и нейтрона, а M A ,Z – масса ядра с зарядом Z и массовым числом А . Эта разница масс, выраженная в единицах энергии, называется энергией связи. Коэффициент для пересчета таков:

1 а.е.м. = 931,14 МэВ,

где 1 МэВ = 10 6 эВ. Таким образом, энергия связи E B = D Mc 2 есть энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нейтроны и протоны.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, E B /A , довольно регулярно изменяется с увеличением числа нуклонов в ядре (рис. 3). Самым легким ядром после протона является дейтрон 2 1 H, расщепление которого требует энергии 2,2 МэВ, т.е. 1,1 МэВ на нуклон. Альфа-частица 4 2 He связана гораздо сильнее, чем ее соседи: ее энергия связи составляет 28 МэВ. У ядер с массовым числом, превышающим 20, средняя энергия связи, приходящаяся на нуклон, остается почти постоянной, равной примерно 8 МэВ.

Энергия связи ядер на много порядков величины превышает энергию связи валентных электронов в атоме и атомов в молекуле. Чтобы удалить из атома водорода его единственный электрон, достаточно энергии 13,5 эВ; для удаления же внутренних электронов в свинце, связанных наиболее прочно, необходима энергия, равная 0,1 МэВ. Следовательно, все ядерные процессы связаны с энергиями, значительно превышающими те, с которыми мы имеем дело в обычных химических реакциях или при обычных температурах и давлениях.

Естественная радиоактивность.

С явления естественной радиоактивности началась ядерная физика. Альфа-, бета- и гамма-излучения, испускаемые ураном, имеют ядерное происхождение, тогда как оптические и рентгеновские спектры соответствуют электронной структуре атома. Альфа-частицы оказались ядрами гелия. Бета-частицы по своему заряду и массе идентичны электронам оболочки атома, однако их ядерное происхождение было четко продемонстрировано изменением заряда распадающегося ядра. Кроме того, энергия гамма-излучения значительно превышает энергию, которую могут излучать электроны из внешней оболочки атома, следовательно, это проникающее излучение имеет ядерное происхождение.

Некоторые встречающиеся в природе элементы с большим атомным номером (уран, торий, актиний) имеют радиоактивные изотопы, в результате распада которых образуются другие радиоактивные изотопы (такие, как радий), а в конечном итоге стабильный свинец. Время жизни «родительского» изотопа в каждом случае сравнимо с возрастом Земли, который оценивается в 10 млрд. лет. Предполагается, что в период образования Земли существовало большое число радиоактивных веществ, однако короткоживущие элементы уже давно превратились в стабильные конечные продукты. Возможно, некоторые из изотопов, которые называют «стабильными», в действительности распадаются, однако их периоды распада («времена жизни») столь велики, что существующими методами их не удается измерить.

Важная роль радиоактивности в физике ядра связана с тем, что радиоактивное излучение несет информацию о типах частиц и энергетических уровней ядра. Например, испускание альфа-частиц из ядра и относительная устойчивость образования из двух протонов и двух нейтронов косвенно указывает на возможность существования альфа-частиц внутри ядра.

Различие между естественной и искусственно наведенной радиоактивностью не очень существенно для понимания строения ядра, однако изучение естественных радиоактивных рядов позволило сделать важные выводы относительно возраста Земли и использовать такие элементы в качестве источников бомбардирующих частиц задолго до того, как были изобретены ускорители частиц.

Искусственные превращения ядер.

Опыты с естественно радиоактивными элементами показали, что на скорость радиоактивного распада нельзя повлиять обычными физическими средствами: теплом, давлением и т.п. Таким образом, поначалу казалось, что нет какого-либо эффективного метода исследования структуры естественно стабильных изотопов. Однако в 1919 Резерфорд обнаружил, что ядра можно расщеплять, бомбардируя их альфа-частицами. Первым расщепленным элементом был азот, который в виде газа заполнял камеру Вильсона. Альфа-частицы, испускаемые ториевым источником, сталкивались с ядрами азота, поглощались ими, в результате чего испускались быстрые протоны. При этом происходила реакция

В результате такой реакции атом азота превращается в атом кислорода. В этом примере энергии связи ядер аналогичны теплу, которое выделяется при химической реакции, хотя и значительно превышают его. Впоследствии аналогичные результаты были получены и с многими другими элементами. Используя различные методы, можно измерить энергии и углы вылета испускаемых заряженных частиц, что обеспечивает проведение количественных экспериментов.

Следующим шагом явилось открытие, сделанное Дж.Кокрофтом и Э.Уолтоном в 1932. Они установили, что искусственно ускоренные пучки протонов с энергией 120 кэВ (т.е. значительно меньшей, чем у альфа-частиц в опытах Резерфорда) способны вызывать расщепление атомов лития в процессе

Два ядра гелия (альфа-частицы) одновременно вылетают в противоположные стороны. Причина, по которой эта реакция протекает при низкой энергии, заключается в прочной связи альфа-частиц; при добавлении протона к массе ядра 7 Li сообщается энергия, которая почти равнозначна массам двух альфа-частиц. Остальная энергия, необходимая для протекания реакции, черпается из кинетической энергии бомбардирующих протонов.

Все известные элементы и встречающиеся в природе изотопы могут быть «искусственным» путем превращены в соседние элементы. Все эти новые изотопы оказываются радиоактивными, однако в результате последующего распада они превращаются в стабильные изотопы. Были получены новые элементы, вплоть до элемента с порядковым номером 103; все они оказались радиоактивными с относительно коротким периодом полураспада. В настоящее время известно свыше 1000 изотопов.

Энергетические уровни ядер и ядерные модели.

Изучение ядерных реакций убедительно продемонстрировало существование энергетических уровней ядер. Эти уровни представляют собой состояния ядра с определенной энергией, которым приписаны определенные квантовые числа, как и энергетическим уровням атома . По аналогии с оптической спектроскопией исследование излучений, испускаемых ядром при переходах между энергетическими уровнями, называется ядерной спектроскопией. Однако, как можно видеть из рис. 4, расстояние между энергетическими уровнями ядер значительно больше, чем между электронными уровнями атомов, а к ядерным излучениям, кроме электромагнитного, относятся также излучения электронов, протонов, альфа-частиц и частиц других типов.

О существовании у ядра дискретных энергетических уровней свидетельствует то, что возбуждение ядра, приводящее к испусканию излучения, происходит лишь при определенных энергиях бомбардирующих частиц, а также то, что энергии испускаемых частиц соответствуют переходам между определенными уровнями. Например, можно измерить число протонов, образующихся при бомбардировке бора-10 моноэнергетическими дейтронами в результате реакции

и определить их импульсы по отклонению в магнитном поле. Зарегистрированный спектр протонов из мишени, содержащей бор с примесями углерода, азота и кремния, и представлен на рис. 4. Острые, резкие пики ясно показывают, что энергия ядра квантуется подобно энергии атома.

На рис. 5 приведена схема энергетических уровней ядра бор-11 (11 В), причем энергии возбуждения выражены в МэВ. Неравномерность распределения ядерных энергетических уровней, не характерная для распределения атомных энергетических уровней, обусловлена более плотной упаковкой ядер и более сильным взаимодействием частиц внутри ядра. С возбужденных уровней, отвечающих ядру 10 В, бомбардируемому дейтронами с энергией 1,51 МэВ, могут происходить переходы на любой из уровней, расположенных ниже, сопровождаемые испусканием протонов. Если после испускания протона ядро 11 В остается в возбужденном состоянии, оно может затем распадаться, переходя в наинизшее, «основное» состояние с испусканием одного или нескольких гамма-квантов.

В настоящее время последовательное и единое объяснение причин возникновения энергетических уровней ядер отсутствует, но есть ряд теорий, позволяющих объяснить некоторые явления. Одна из них – «модель оболочек», которая, заимствовав из атомной физики представление об оболочечном строении атома, применила ее к анализу конфигураций нейтронов и протонов внутри ядра.

В 1932 Дж.Бартлетт заметил, что все стабильные ядра, расположенные между 4 He и 16 О, относятся к последовательности

4 He + n + p + n + p +...,

тогда как между 16 О и 36 Аr аналогичная последовательность приобретает вид

16 O + n + n + p + p + n + n +....

Он высказал предположение, что эти изменения в последовательности отражают порядок заполнения оболочек нейтронами и протонами. Принцип запрета Паули действует в случае ядерных частиц точно так же, как и в случае электронов, а в модели оболочек он приводит к тому, что на первой оболочке могут находиться только два протона и два нейтрона, на второй – по шести обеих частиц (заполнена у 16 О) и на третьей по десяти (заполнена у 36 Аr). Наличие периодичности в структуре ядер проявляется и дальше, хотя и с некоторыми отступлениями. Существование определенных «магических чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126) нейтронов и протонов в ядрах, которым соответствуют пики кривой энергии связи, можно объяснить на основе модифицированной модели оболочек (называемой моделью независимых частиц), которая позволяет правильно предсказывать спины и магнитные моменты ядер. Например, спины ядер с заполненными оболочками, как и предсказывает эта модель, равны нулю. Однако несмотря на многие достоинства, имеющиеся варианты модели оболочек все же не объясняют всех ядерных явлений, что неудивительно ввиду сложной структуры ядра.

Составное ядро и модель капли.

В более тяжелых ядрах число нуклонов настолько велико, что многие наблюдаемые закономерности поведения этих ядер лучше всего воспроизводятся моделью капли. Эту модель предложил в 1936 Н.Бор, чтобы объяснить большие времена жизни возбужденных ядер, образующихся при захвате медленных нейтронов. (В данном случае под временем жизни понимается время с момента возбуждения ядра до момента потери им энергии возбуждения в результате испускания излучения.) Времена жизни оказались в миллион раз больше времени, необходимого нейтрону, чтобы пересечь ядро (10 –22 с). Это свидетельствует о том, что возбужденное ядро представляет собой некую систему («составное ядро»), время существования которой намного больше времени ее образования.

Бор высказал предположение, что ядерная реакция протекает в две стадии. На первой падающая частица входит в ядро-мишень, образуя «составное ядро», где в многочисленных столкновениях теряет свою первоначальную энергию, распределяя ее среди других нуклонов ядра. В результате ни у одной из частиц не оказывается энергии, необходимой для вылета из ядра. Вторая стадия, распад составного ядра, происходит спустя некоторое время, когда энергия случайно сконцентрируется на одной из частиц или потеряется в виде гамма-излучения. Считается, что вторая стадия не зависит от деталей механизма образования составного ядра. Вид распада определяется лишь игрой возможных вариантов.

В качестве простой аналогии этой картине ядерной реакции Бор предложил рассмотреть поведение капли. Между молекулами такой капли действуют силы, связывающие их друг с другом и препятствующие испарению, пока не будет подведено тепло извне. Появление еще одной молекулы, обладающей дополнительной кинетической энергией, приводит в результате ее статистического перераспределения к увеличению температуры капли как целого. Спустя некоторое время случайная концентрация энергии на какой-либо молекуле может привести к ее испарению. Теория Бора была детально разработана и позволила построить последовательную картину разнообразных ядерных реакций, в том числе реакций под действием нейтронов и заряженных частиц промежуточных энергий (вплоть до 100 МэВ). Полезными оказались введенные по аналогии понятия ядерной температуры, удельной теплоемкости и испарения частиц. Например, угловое распределение «испарившихся» частиц оказалось не зависящим от направления падающей частицы, т.е. изотропным, поскольку вся информация о первоначальном направлении теряется на стадии существования составного ядра.

Капельная модель оказалась особенно ценной при объяснении явления деления ядер, когда для развала ядра урана на две примерно равные части с большим выделением энергии достаточно поглощения одного медленного нейтрона. Электростатическое отталкивание протонов вызывает некоторую нестабильность ядра, которая обычно перекрывается за счет ядерных сил, обеспечивающих энергию связи. Но при повышении ядерной температуры сферической «капли» в ней могут возникнуть колебания, в результате которых капля деформируется в эллипсоид. Если деформация ядра будет продолжаться, то электростатическое отталкивание двух его положительно заряженных половин может возобладать, и тогда произойдет его деление.

Размеры и форма ядра.

Впервые размеры ядра правильно оценил Резерфорд, использовав для этой цели рассеяние альфа-частиц. Его первые эксперименты показали, что размеры заряженной части ядра – порядка 10 –14 м. Более поздние и более точные эксперименты позволили установить, что радиус ядра приблизительно пропорционален А 1/3 и, следовательно, плотность ядерного вещества почти постоянна. (Она колоссальна: 100 000 т/мм 3 .)

С открытием нейтрона стало ясно, что он представляет собой идеальное средство исследования ядра, поскольку нейтральные частицы, проходя на значительном удалении от ядра, не испытывают отклонения под действием заряда ядра. Другими словами, нейтрон сталкивается с ядром, если расстояние между их центрами оказывается меньше суммы их радиусов, а в противном случае не отклоняется. Опыты по рассеянию пучка нейтронов показали, что радиус ядра (в предположении сферической формы) равен:

R = r 0 A 1/3 ,

r 0 » 1,4Ч 10 –15 м.

Таким образом, радиус ядра урана-238 равен 8,5Ч 10 –15 м. Полученное значение соответствует радиусу действия ядерных сил; оно характеризует расстояние от центра ядра, на котором внешний нейтральный нуклон начинает впервые «ощущать» его воздействие. Такая величина радиуса ядра сравнима с расстоянием от центра ядер, на котором происходит рассеяние альфа-частиц и протонов.

Рассеяние альфа-частиц, протонов и нейтронов на ядрах обусловлено действием ядерных сил; следовательно, такие измерения радиусов ядер дают оценку радиуса действия ядерных сил. Взаимодействие же электронов с ядрами почти полностью определяется электрическими силами. Поэтому рассеяние электронов можно использовать для изучения формы распределения заряда в ядре. Эксперименты с электронами очень высоких энергий, проведенные Р.Хофстедтером в Станфордском университете, дали детальную информацию о распределении положительного заряда по радиусу ядра. На рис. 6 представлено угловое распределение рассеянных ядрами золота электронов с энергией 154 МэВ. Верхняя кривая характеризует угловое распределение, рассчитанное в предположении, что положительный заряд сконцентрирован в точке; очевидно, что экспериментальные данные этому предположению не соответствуют. Гораздо лучшее согласие достигается в предположении о равномерном распределении протонов по объему ядра (нижняя кривая). Однако «радиус заряда» оказывается примерно на 20% меньше радиуса «ядерных сил», полученного на основе данных по рассеянию нейтронов. Это может означать, что распределение протонов в ядре отличается от распределения нейтронов.

Ядерные силы и мезоны.

Малый радиус действия ядерных сил впервые отчетливо обнаружился уже в опытах по рассеянию Резерфорда. Альфа-частицы, приближавшиеся к центру ядра до 10 –14 м, испытывали действие сил, знак и величина которых отличались от обычного электростатического отталкивания. Более поздние эксперименты с применением нейтронов показали, что между всеми нуклонами существуют большие короткодействующие силы. Эти силы отличны от хорошо известных электростатических и гравитационных сил, не исчезающих даже на очень больших расстояниях. Ядерные силы являются силами притяжения, что прямо следует из факта существования устойчивых ядер, вопреки электростатическому отталкиванию находящихся в них протонов. Ядерные силы между любой парой нуклонов (нейтронов и протонов) – одни и те же; это показывает сравнение энергетических уровней «зеркальных ядер», отличающихся друг от друга тем, что в них протоны заменены нейтронами и наоборот. В пределах своего радиуса действия ядерные силы достигают очень большой величины. Электростатическая потенциальная энергия двух протонов, находящихся на расстоянии 1,5Ч 10 –15 м друг от друга, составляет всего лишь 1 МэВ, что в 40 раз меньше ядерной потенциальной энергии. Ядерные силы также обнаруживают насыщение, поскольку данный нуклон в состоянии взаимодействовать лишь с ограниченным числом других нуклонов. Отсюда быстрый первоначальный рост (с увеличением А ) средней энергии связи, приходящейся на один нуклон (рис. 3), и относительное постоянство этой энергии в дальнейшем. (Если бы каждый нуклон взаимодействовал со всеми нуклонами в ядре, то энергия связи, приходящаяся на один нуклон, все время росла бы пропорционально А. )

Пока что нет удовлетворительной теории ядерных сил, и проблема интенсивно изучается экспериментально и теоретически. Однако многие идеи, лежащие в основе «мезонной теории ядерных сил», опубликованной в 1935 Х.Юкавой, оказались в согласии с экспериментальными фактами. Юкава выдвинул гипотезу, что притяжение, удерживающее нуклоны внутри ядра, возникает благодаря наличию «квантов» некоего поля, аналогичных фотонам (световым квантам) электромагнитного поля и обеспечивающих взаимодействие электрических зарядов. Из квантовой теории поля следует, что радиус действия силы обратно пропорционален массе соответствующего кванта; в случае электромагнитного поля масса квантов – фотонов – равна нулю, и радиус действия сил бесконечен. Масса квантов ядерного поля (названных «мезонами»), вычисленная по экспериментально измеренному радиусу действия ядерных сил, оказалась примерно в 200 раз больше массы электрона.

Положение теории Юкавы упрочилось после того, как К.Андерсон и С.Неддермейер открыли в 1936 новую частицу с массой примерно 200 электронных масс (ныне именуемую мюоном), которую они обнаружили с помощью камеры Вильсона в космических лучах. (В 1932 Андерсон открыл «позитрон», положительный электрон.) Вначале казалось, что кванты ядерных сил найдены, однако проведенные затем эксперименты обнаружили обескураживающее обстоятельство: «ключ к ядерным силам» не взаимодействует с ядрами! Эта запутанная ситуация прояснилась лишь после того, как в 1947 С.Пауэлл обнаружил частицу с подходящей массой, которая взаимодействует с ядрами. Эта частица (названная пи-мезоном, или пионом) оказалась нестабильной и самопроизвольно распадалась, превращаясь в мюон. Пи-мезон подходил на роль частицы Юкавы, и его свойства были во всех деталях изучены физиками, использовавшими для этих целей космические лучи и современные ускорители.

Хотя существование пи-мезонов и ободрило сторонников теории Юкавы, на ее основе оказалось весьма трудно правильно предсказать такие детальные свойства ядерных сил, как их насыщение, энергии связи и энергии ядерных уровней. Трудности математического характера не позволили точно установить, что именно предсказывает эта теория. Ситуация еще более усложнилась после открытия новых типов мезонов, которые, как считается, имеют отношение к ядерным силам.