Атомное ядро
Atomic nucleus

Атомное ядро – центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро, удерживая вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его положительный заряд, образует нейтральный атом. Большинство ядер имеют форму близкую к сферической и диаметр ≈ 10 -12 см, что на четыре порядка меньше диаметра атома (10 -8 см). Плотность вещества в ядре – около 230 млн.тонн/см 3 .
Атомное ядро было открыто в 1911 г. в результате серии экспериментов по рассеянию альфа-частиц тонкими золотыми и платиновыми фольгами, выполненных в Кембридже (Англия) под руководством Э. Резерфорда . В 1932 г. после открытия там же Дж. Чедвиком нейтрона стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов
(В. Гейзенберг , Д.Д. Иваненко , Э. Майорана).
Для обозначения атомного ядра используется символ химического элемента атома, в состав которого входит ядро, причём левый верхний индекс этого символа показывает число нуклонов (массовое число) в данном ядре, а левый нижний индекс – число протонов в нём. Например, ядро никеля, содержащее 58 нуклонов, из которых 28 протонов, обозначается . Это же ядро можно также обозначать 58 Ni, либо никель-58.

Ядро – система плотно упакованных протонов и нейтронов, двигающихся со скоростью 10 9 -10 10 см/сек и удерживаемых мощными и короткодействующими ядерными силами взаимного притяжения (область их действия ограничена расстояниями ≈ 10 -13 см). Протоны и нейтроны имеют размер около 10 -13 см и рассматриваются как два разных состояния одной частицы, называемой нуклоном. Радиус ядра можно приближённо оценить по формуле R ≈ (1.0-1.1)·10 -13 А 1/3 см, где А – число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре. На рис. 1 показано как меняется плотность вещества (в единицах 10 14 г/см 3) внутри ядра никеля, состоящего из 28 протонов и 30 нейтронов, в зависимости от расстояния r (в единицах 10 -13 см) до центра ядра.
Ядерное взаимодействие (взаимодействие между нуклонами в ядре) возникает за счёт того, что нуклоны обмениваются мезонами. Это взаимодействие – проявление более фундаментального сильного взаимодействиямежду кварками, из которых состоят нуклоны и мезоны (подобным образом силы химической связи в молекулах – проявление более фундаментальных электромагнитных сил).
Мир ядер очень разнообразен. Известно около 3000 ядер, отличающихся друг от друга либо числом протонов, либо числом нейтронов, либо тем и другим. Большинство из них получено искусственным путём.
Лишь 264 ядра стабильны, т.е. не испытывают со временем никаких самопроизвольных превращений, именуемых распадами. Остальные испытывают различные формы распада – альфа-распад (испускание альфа-частицы, т.е. ядра атома гелия); бета-распад (одновременное испускание – электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино, а также поглощение атомарного электрона с испусканием нейтрино); гамма-распад (испускание фотона) и другие.
Различные типы ядер часто называют нуклидами. Нуклиды с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называют изотопами. Нуклиды с одинаковым числом нуклонов, но разным соотношением протонов и нейтронов называются изобарами. Лёгкие ядра содержат примерно равные количества протонов и нейтронов. У тяжёлых ядер число нейтронов примерно в 1,5 раза превышает число протонов. Самое лёгкое ядро – ядро атома водорода, состоящее из одного протона. У наиболее тяжелых известных ядер (они получены искусственно) число нуклонов ≈290. Из них 116-118 протонов.
Различные комбинации количества протонов Z и нейтронов соответствуют различным атомным ядрам. Атомные ядра существуют (т.е. их время жизни t > 10 -23 c) в довольно узком диапазоне изменений чисел Z и N. При этом все атомные ядра делятся на две большие группы - стабильные и радиоактивные (нестабильные). Стабильные ядра группируются вблизи линии стабильности, которая определяется уравнением

На рис. 2 показана NZ-диаграмма атомных ядер. Черными точками показаны стабильные ядра. Область расположения стабильных ядер обычно называют долиной стабильности. С левой стороны от стабильных ядер находятся ядра, перегруженные протонами (протонноизбыточные ядра), справа – ядра, перегруженные нейтронами (нейтронноизбыточные ядра). Цветом выделены атомные ядра, обнаруженные в настоящее время. Их около 3.5 тысяч. Считается, что всего их должно быть 7 – 7.5 тысяч. Протоноизбыточные ядра (малиновый цвет) являются радиоактивными и превращаются в стабильные в основном в результате β + -распадов, протон, входящий в состав ядра при этом превращается в нейтрон. Нейтроноизбыточные ядра (голубой цвет) также являются радиоактивными и превращаются в стабильные в результате - -распадов, с превращением нейтрона ядра в протон.
Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82) и висмута (Z = 83). Тяжелые ядра наряду с процессами β + и β - -распада подвержены также α-распаду (желтый цвет) и спонтанному делению, которые становятся их основными каналами распада. Пунктирная линия на рис. 2 очерчивает область возможного существования атомных ядер. Линия B p = 0 (B p – энергия отделения протона) ограничивает область существования атомных ядер слева (proton drip-line). Линия B n = 0 (B n – энергия отделения нейтрона) – справа (neutron drip-line). Вне этих границ атомные ядра существовать не могут, так как они распадаются за характерное ядерное время (~10 -23 – 10 -22 c) с испусканием нуклонов.
При соединении (синтезе) двух лёгких ядер и делении тяжёлого ядра на два более лёгких осколка выделяется большая энергия. Эти два способа получения энергии – самые эффективные из всех известных. Так 1 грамм ядерного топлива эквивалентен 10 тоннам химического топлива. Синтез ядер (термоядерные реакции) является источником энергии звёзд. Неуправляемый (взрывной) синтез осуществляется при подрыве термоядерной (или, так называемой, “водородной”) бомбы. Управляемый (медленный) синтез лежит в основе перспективного разрабатываемого источника энергии – термоядерного реактора.
Неуправляемое (взрывное) деление происходит при взрыве атомной бомбы. Управляемое деление осуществляется в ядерных реакторах, являющихся источниками энергии в атомных электростанциях.
Для теоретического описания атомных ядер используется квантовая механика и различные модели.
Ядро может вести себя и как газ (квантовый газ) и как жидкость (квантовая жидкость). Холодная ядерная жидкость обладает свойствами сверхтекучести. В сильно нагретом ядре происходит распад нуклонов на составляющие их кварки. Эти кварки взаимодействуют обменом глюонами. В результате такого распада совокупность нуклонов внутри ядра превращается в новое состояние материи – кварк-глюонную плазму

Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.

Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

Задолго до появления достоверных данных о внутреннем устройстве всего сущего греческие мыслители представляли себе материю в виде мельчайших огненных частиц, которые находились в постоянном движении. Вероятно, это видение мирового устройства вещей было выведено из чисто логических умозаключений. Несмотря на некоторую наивность и абсолютную бездоказательность этого утверждения, оно оказалось верным. Хотя подтвердить смелую догадку ученые смогли лишь двадцать три века спустя.

Строение атомов

В конце XIX века были исследованы свойства разрядной трубки, через которую пропущен ток. Наблюдения показали, что при этом испускается два потока частиц:

Отрицательные частицы катодных лучей были названы электронами. В дальнейшем частицы с тем же отношением заряда к массе были обнаружены во многих процессах. Электроны казались универсальными составляющими различных атомов, довольно легко отделяющимися при бомбардировке ионов и атомов.

Частички, несущие положительный заряд, представлялись осколками атомов после потери ими одного или нескольких электронов. На самом деле положительные лучи представляли собой группы атомов, лишенных отрицательных частиц, и вследствие этого имеющих положительный заряд.

Модель Томпсона

На основании опытов было выяснено, что положительные и отрицательные частички представляли суть атома, были его составляющими. Английский ученый Дж. Томсон предложил свою теорию. По его мнению, строение атома и атомного ядра представляли собой некую массу, в которой отрицательные заряды были втиснуты в положительно заряженный шар, как изюм в кекс. Компенсация зарядов делала «кекс» электрически нейтральным.

Модель Резерфорда

Молодой американский ученый Резерфорд, анализируя треки, оставшиеся после альфа-частиц, пришел к выводу, что модель Томпсона несовершенна. Некоторые альфа-частицы отклонялись на небольшие углы - в 5-10 o . В редких случаях альфа-частицы отклонялись на большие углы в 60-80 o , а в исключительных случаях углы были очень большими - 120-150 o . Модель атома Томпсона не могла объяснить такую разницу.

Резерфорд предлагает новую модель, объясняющую строение атома и атомного ядра. Физика процессов утверждает, что атом должен быть пуст на 99%, с крошечным ядром и вращающимися вокруг него электронами, которые движутся по орбитам.

Отклонения при ударах он объясняет тем, что частицы атома имеют собственные электрические заряды. Под воздействием бомбардирующих заряженных частиц атомные элементы ведут себя как обыкновенные заряженные тела в макромире: частицы с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а с противоположными - притягиваются.

Состояние атомов

В начале прошлого века, когда были запущены первые ускорители элементарных частиц, все теории, объяснявшие строение атомного ядра и самого атома, ждали экспериментальной проверки. К тому времени были уже досконально изучены взаимодействия альфа- и бета-лучей с атомами. Вплоть до 1917 года считалось, что атомы либо стабильны, либо радиоактивны. Стабильные атомы нельзя расщепить, распад радиоактивных ядер невозможно контролировать. Но Резерфорду удалось опровергнуть это мнение.

Первый протон

В 1911 году Э. Резерфорд выдвинул идею о том, что все ядра состоят из одинаковых элементов, основой для которых является атом водорода. На эту идею ученого натолкнул важный вывод предыдущих изучений строения вещества: массы всех химических элементов делятся без остатка на массу водорода. Новое предположение открывало невиданные возможности, позволяющие по-новому видеть строение атомного ядра. Ядерные реакции должны были подтвердить или опровергнуть новую гипотезу.

Опыты проводились в 1919 году с атомами азота. Бомбардируя их альфа-частицами, Резерфорд добился удивительного результата.

Атом N поглотил альфа-частицу, превратился после этого в атом кислорода О 17 и испустил ядро водорода. Это стало первым искусственным превращением атома одного элемента в другой. Подобный опыт вселял надежду на то, что строение атомного ядра, физика существующих процессов позволяют осуществлять и другие ядерные превращения.

Ученый использовал в своих опытах метод сцинтилляции - вспышки. По частоте вспышек он делал выводы о том, каким является состав и строение атомного ядра, о характеристиках рожденных частиц, об их атомной массе и порядковом номере. Неизвестная частица было названа Резерфордом протоном. Она имела все характеристики атома водорода, лишенного своего единственного электрона - одиночный положительный заряд и соответствующую массу. Таким образом было доказано, что протон и ядро водорода являются одними и теми же частицами.

В 1930 году, когда были построены и запущены первые большие ускорители, модель атома Резерфорда удалось проверить и доказать: каждый атом водорода состоит из одинокого электрона, положение которого невозможно определить, и рыхлого атома с одиноким положительным протоном внутри. Поскольку при бомбардировке из атома могут влетать протоны, электроны и альфа-частицы, ученые думали, что они и есть составляющие любого ядра атома. Но подобная модель атома ядра казалась неустойчивой - электроны были слишком велики для того, чтобы умещаться в ядре, кроме этого, существовали серьезные затруднения, связанные с нарушением закона количества движения и сохранения энергии. Эти два закона, как строгие бухгалтеры, говорили о том, что количество движения и масса при бомбардировке исчезают в неизвестном направлении. Поскольку эти законы являлись общепринятыми, следовало отыскать объяснения для подобной утечки.

Нейтроны

Ученые всего мира ставили эксперименты, направленные на открытие новых составляющих ядер атомов. В 1930-х годах немецкие физики Беккер и Боте бомбардировали атомы бериллия альфа-частицами. При этом было зарегистрировано неизвестное излучение, которое было решено назвать G-лучами. Подробные исследования рассказали о некоторых особенностях новых лучей: они могла распространяться строго по прямой, не взаимодействовали с электрическими и магнитными полями, обладали высокой проникающей способностью. Позднее частицы, образующие этот вид излучения, были найдены при взаимодействии альфа-частиц с другими элементами - бором, хромом и прочими.

Гипотеза Чедвика

Тогда Джеймс Чедвик, коллега и ученик Резерфорда, в журнале «Нэйчур» дал короткое сообщение, которое позднее стало общеизвестным. Чедвик обратил внимание на тот факт, что противоречия в законах сохранения легко разрешаемы, если допустить, что новое излучение является потоком нейтральных частиц, каждая из которых имеет массу, приблизительно равную массе протона. Рассматривая это предположение, физики существенно дополнили гипотезу, объясняющую строение атомного ядра. Кратко суть дополнений сводилась к новой частице и ее роли в строении атома.

Свойства нейтрона

Обнаруженной частице было дано имя «нейтрон». Новооткрытые частички не образовывали вокруг себя электромагнитных полей, легко проходили через вещество, не теряя при этом энергии. При редких столкновениях с легкими ядрами атомов нейтрон в состоянии выбить из атома ядро, теряя при этом значительную часть своей энергии. Строение атомного ядра предполагало наличие различного количества нейтронов в каждом веществе. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но с различным количеством нейтронов получили название изотопов.

Нейтроны послужили отличной заменой альфа-частицам. В настоящее время именно их используют для того, чтобы изучить строение атомного ядра. Кратко их значение для науки описать невозможно, но именно благодаря бомбардировке нейтронами атомных ядер физики смогли получить изотопы практически всех известных элементов.

Состав ядра атома

В настоящее время строение атомного ядра представляет собой совокупность протонов и нейтронов, скрепленных между собой ядерными силами. Например, ядро гелия представляет собой комочек из двух нейтронов и двух протонов. Легкие элементы имеют практически равное число протонов и нейтронов, у тяжелых элементов количество нейтронов значительно больше.

Такая картина строения ядра подтверждается экспериментами на современных больших ускорителях с быстрыми протонами. Электрические силы отталкивания протонов уравновешиваются ядреными силами, которые действуют только в самом ядре. Хотя природа ядерных сил еще до конца не изучена, их существование является практически доказанным и полностью объясняет строение атомного ядра.

Связь массы и энергии

В 1932 камера Вильсона запечатлела удивительный фотоснимок, доказывающий существование положительных заряженных частиц, с массой электрона.

До этого положительные электроны были предсказаны теоретически П. Дираком. Реальный положительный электрон был обнаружен также в космическом излучении. Новую частичку назвали позитроном. При столкновении со своим двойником - электроном, происходит аннигиляция - взаимное уничтожение двух частиц. При этом освобождается определенное количество энергии.

Таким образом, теория, разработанная для макромира, полностью подходила для описания поведения мельчайших элементов вещества.

Протонно-электронная теория

К началу $1932$ г. Было известно только три элементарные частицы: электрон, протон и нейтрон. По этой причине было сделано предположение, что ядро атома состоит с протонов и электронов (протонно-электронная гипотеза). Считалось, что в состав ядра с номером $Z$ в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и массовым числом $A$ входит $A$ протонов и $Z-A$ нейтронов. В соответствии с этой гипотезой электроны, которые входили в состав ядра, выполняли роль «цементирующего» средства, с помощью которого положительно заряженные протоны удерживались в ядре. Сторонники протонно-электронной гипотезы состава атомного ядра считали, что $\beta ^-$ - радиоактивность -- это подтверждение правильности гипотезы. Но эта гипотеза оказалась на в состоянии объяснить результаты эксперимента и была отброшена. Одним с таких затруднений была невозможность объяснить то, что спин ядра азота $^{14}_7N$ равен единице $(\hbar)$. В соответствии с протонно-электронной гипотезой, ядро азота $^{14}_7N$ должно состоять с $14$ протонов и $7$ электронов. Спин протонов и электронов равен $1/2$. По этой причине ядро атома азота, которое состоит в соответствии с этой гипотезой с $21$ частицы, должно иметь спин $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Это несоответствие протонно-электронной теории названо «азотной катастрофой». Так же непонятным было то, что при наличии электронов в ядре его магнитный момент имеет малый магнитный момент по сравнению с магнитным моментом электрона.

В $1932$ году Дж. Чедвик открыл нейтрон. После этого открытия Д. Д. Иваненко и Е. Г. Гапон выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомного ядра, какую подробно разработал В. Гейзенберг.

Замечание 1

Протонно-нейтронный состав ядра подтвержден не только теоретическими выводами, но и непосредственно опытами по расщеплению ядра на протоны и нейтроны. Сейчас общепринято, что атомное ядро состоит с протонов и нейтронов, которые так же называются нуклонами (от латинского nucleus -- ядро, зерно).

Строение атомного ядра

Ядро являет собой центральную часть атома, в которой сосредоточено положительный электрический заряд и основная часть массы атома. Размеры ядра, в сравнении с орбитами электронов чрезвычайно малы: $10^{-15}-10^{-14}\ м$. ядра состоят с протонов и нейтронов, которые почти одинаковы по массе, но электрический заряд несет только протон. Полное число протонов называется атомным номером $Z$ атома, который совпадает с числом электронов у нейтральном атоме. Нуклоны удерживаются в ядре большими силами, по своей природе эти силы не относятся ни к электрическим ни к гравитационным, а по величине они на много превышают силы, которые связывают электроны с ядром.

Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра:

• ядра всех химических элементов состоят из нуклонов;
• заряд ядра обусловлен только протонами;
• число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента;
• число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов ($N=A-Z$)

Протон ($^2_1H\ или\ p$) -- положительно заряженная частица: её заряд равен заряду электрона $e=1.6\cdot 10^{-19}\ Кл$, а масса покоя $m_p=1.627\cdot 10^{-27}\ кг$. Протон является ядром налёгшего нуклона атома гидрогена.

Для упрощения записей и расчётов массу ядра зачастую определяют в атомных единицах массы (а.е.м) или в единицах энергии (записывая вместо массы соответствующую энергию $E=mc^2$ в электрон-вольтах). За атомною единицу массы берут $1/12$ массы нуклида углерода $^{12}_6С$. В этих единицах получаем:

Протон подобно электрону имеет собственный момент импульса -- спин, который равен $1/2$ (в единицах $\hbar $). Последний, во внешнем магнитном поле может ориентироваться только так, что его проекция и направления поля равны $+1/2$ или $-1/2$. Протон, как и электрон, подлежит квантовой статистике Ферми-Дирака, т.е. принадлежит к фермионам.

Протон характеризируется собственным магнитным моментом, который для частицы со спином $1/2$ зарядом $e$ и массой $m$ равен

Для электрона собственный магнитный момент равен

Для описания магнетизма нуклонов и ядер используют ядерный магнетон (в $1836$ раз меньше магнетона Бора):

Поначалу считали, что магнитный момент протона равен ядерному магнетону, т.к. его масса в $1836$ раз больше массы электрона. Но измерения показали, что на самом деле собственный магнитный момент протона в $2,79$ раз больше от ядерного магнетрона, имеет положительный знак, т.е. направление совпадает со спином.

Современная физика объясняет эти разногласия тем, что протоны и нейтроны взаимопреобразуются и на протяжении некоторого времени пребывают в состоянии диссоциации на $\pi ^\pm $ -- мезон и соответственного знака другой нуклон:

Масса покоя $\pi ^\pm $ - мезона равна $193,63$ МэВ, по этому его собственный магнитный момент в $6,6$ раз больше от ядерного магнетона. В измерениях появляется некоторое эффективное значение магнитного момента протона и $\pi ^+$ -- мезонного окружения.

Нейтрон ($n$) -- электрически нейтральная частица; ее масса покоя

Хоть нейтрон и лишен заряда, он имеет магнитный момент $\mu _n=-1.91\mu _Я$. Знак «$-$» показывает, что за направлением магнитный момент противоположный спину протона. Магнетизм нейтрона определяется эффективным значением магнитного момента частиц, на которые он способен диссоцыировать.

В свободном состоянии нейтрон неустойчивая частица и произвольно распадается (период полураспада $12$ мин): излучая $\beta $ -- частицу и антинейтрино он превращается в протон. Схема распада нейтрона записывается в таком виде:

В отличии от внутриядерного распада нейтрона $\beta $ -- распад принадлежит и до внутреннего распада и до физики элементарных частиц.

Взаимное преобразование нейтрона и протона, равенство спинов, приближённость масс и свойств дают основания предполагать, что речь идет о двух разновидностях одной и той же ядерной частицы -- нуклона. Протонно-нейтронная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Как составляющие ядра протоны и нейтроны обнаруживают в многочисленных реакциях деления и синтеза.

В произвольных и штучных делениях ядер наблюдаются так же потоки электронов, позитронов, мезонов, нейтрино и антинейтрино. Масса $\beta $ -- частицы (электрон или позитрон) в $1836$ раз меньше массы нуклона. Мезоны -- положительные, отрицательные и нулевые частицы -- по массе занимают промежуточное место между $\beta $ -- частицами и нуклонами; время жизни таких частиц очень мало и составляет миллионные доли секунды. Нейтрино и антинейтрино -- элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю. Однако электроны, позитроны и мезоны не могут быть составляющими ядра. Эти легкие частицы не могут быть локализованы в малом объеме, которым является ядро радиусом $\sim 10^{-15}\ м$.

Для доказательства этого определим энергию электрического взаимодействия (например, электрона с позитроном или протоном в ядре)

и сравним ее с собственной энергией электрона

Посколькy энергия внешнего взаимодействия превышает собственную энергию электрона, он не может существовать и сохранять собственную индивидуальность, в условиях ядра он будет уничтожен. Другая ситуация с нуклонами, их собственная энергия более $900$ МэВ, поэтому в ядре они могут сохранять свои особенности.

Легкие частицы излучаются с ядер в процессе перехода их с одного состояния в другое.