Что находится внутри атомного ядра

Что находится внутри атомного ядра?

Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре. Ядро атома окружено чрезвычайно маленькими и легкими электронами, которые вращаются в атоме, но не нарушают значительного пустого пространства между ядром и границами атома. Чтобы получить четкое изображение ядра атома, нужно сначала знать, что происходит с электронами и остальной частью атома.

Электроны вокруг ядра атома

Электроны имеют свои специфические орбиты, а именно: S, P, D, F, а затем G. Каждая орбита представляет собой сферическую оболочку, и имена выводятся из спектра испускаемого света из этих оболочек, описывающих характер спектральных линий. Другой факт об электронах заключается в том, что они находятся везде, что позволяют квантовые законы.

Электроны вращаются вокруг плотного ядра атома в облаках отрицательного заряда.

В атоме углерода, например, шесть электронов. Два из них занимают сферическую оболочку в центре атома, а остальные четыре распределены в смеси сферических оболочек и трехлопастных оболочек. Таким образом, ядро ​​окружено чем-то вроде облаков отрицательного заряда, а электроны находятся везде, где только могут быть, но не заполняют пустые пространства. Электроны помогают создавать молекулы.

Электронные связи между атомами

Если два атома углерода подходят достаточно близко, их ближайшие электроны взаимодействуют и образуют одинарную связь. Эта связь в химии называется сигма-связью. Затем облака изгибаются и соединяются, создавая «Пи-связь», которая выглядит как деревья, соединяющие верхние ветви над улицей.

Связи становятся все более и более сложными в различных ситуациях, и это выходит за рамки данной статьи. Тем не менее одна вещь остается постоянной во всех этих связях: электроны все еще рассеяны в относительно огромном облаке вокруг очень плотного ядра, и там все еще много пустого пространства. Электрические поля и электронные облака удерживают эту огромную пустоту вместе. Что же тогда находится внутри ядра атома?

Протоны и нейтроны

Внутри протонов и нейтронов

В 1950-х годах наука поняла, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц. Несколько лет спустя, в 1964 году, американский физик Мюррей Гелл-Манн представил кварки. Он не знал, сколько типов кварков существует, но сегодня открыто по крайней мере шесть кварков: верхний (символ u α ), нижний (символ d α ), странный (символ s α ), очарованный (символ c α ), красивый (символ b α ) и истинный (символ t α ).

Если рассматривать протон как баскетбольный мяч, каждый кварк будет меньше песчинки. Следовательно, большая часть протона и нейтрона также является пустым пространством, в то время как кварки перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.

Маленькие ядра удерживают частицы настолько малы, что наше самое мощное и самое точное оборудование не может их видеть. В то же время они обладают самой сильной силой, когда-либо существовавшей в пустых пространствах и сверхмалых частицах, называемых кварками.

Общие вопросы об атомном ядре

Вопрос: Что находится в ядре атома?
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, равный электронам, вращающимся вокруг, а нейтроны не несут заряда, но весят столько же, сколько протоны.

Вопрос: Какова функция ядра атома?
Ядро атома создает силу, необходимую для того, чтобы держать атом вместе и в порядке. Это самая тяжелая часть атома и очень плотная. Размер ядра по отношению ко всему атому подобен мячу на футбольном поле.

Вопрос: Ядро атома нейтрально?
Ядро атома несет положительный электрический заряд. Однако атом нейтрален, поскольку количество электронов с отрицательным зарядом равно количеству протонов в ядре.

Источник

Ядра атомов: в самом сердце материи

Рис. 1

Ядро атома получается крохотным, его радиус в 10 000–100 000 раз меньше всего атома. Каждое ядро содержит определённое количество протонов (обозначим его Z) и определённое количество нейтронов (обозначим его N), скреплённых вместе в виде шарика, по размеру не сильно превышающего сумму их размеров. Отметим, что протоны и нейтроны вместе часто называют «нуклонами», а Z+N часто называют A – общее количество нуклонов в ядре. Также Z, «атомное число» – количество электронов в атоме.

Типичное мультяшное изображение атома (рис. 1) чрезвычайно преувеличивает размер ядра, но более-менее правильно представляет ядро как небрежно соединённое скопление протонов и нейтронов.

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.

1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, m_нуклон:

(≈ означает «примерно равно»)

2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc 2 ) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:

3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:

Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.

Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:

масса атома M_атом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода

и погрешность этих уравнений примерно равна 0,1%.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Q_ядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):

В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.

Эти уравнения проиллюстрированы на рис. 2

Рис. 2

Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.

Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.

Рис. 3

Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?

Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?

Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:
1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,
2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.

Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.

Рис. 4

Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).

Рис. 5

Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.

Рис. 6

Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.

Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.

Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!

Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.

Рис. 7

Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.

Источник

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. Ядро представляет собой центральную часть атома (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ). 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 N₀, 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.

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда. «Естественный радиус» электрона r₀ = e 2 /mc 2 (который получается, если приравнять электростатическую энергию e 2 /r₀ заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc 2 ) составляет r₀ = 2,82 Ч 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 ₂He (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.

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:

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 ₁H, расщепление которого требует энергии 2,2 МэВ, т.е. 1,1 МэВ на нуклон. Альфа-частица 4 ₂He 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.

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 (см. также АТОМА СТРОЕНИЕ). 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

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.

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.

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:

Таким образом, радиус ядра урана-238 равен 8,5 Ч 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 1,5 Ч 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. См. также МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР; УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; РАДИОАКТИВНОСТЬ.

Айзенбуд Л., Вигнер Е. Структура ядра. М., 1959
Престон М. Физика ядра. М., 1964
Кук Ш. Структура атомных ядер. М., 1967
Лейн А. Теория ядра. М., 1967
Федянин В. К. Электромагнитная структура ядер и нуклонов. М., 1967
Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М., 1980
Робертсон Б. Современная физика в прикладных науках. М., 1985

Источник