Физика /
образует составную часть атома”.
Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быст-рых a-частиц и впервые высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер атомов. Впоследствии Резерфорд предложил термин “протон” для этой составной части ядра. Резерфорд заканчивал свою статью словами: “Результаты в целом указывают на то, что если a-частицы или подобные им быстро движущиеся частицы со значительно большей энергией могли бы применяться для опытов, то можно было бы обнаружить разрушение ядерных структур многих легких атомов”.
В 1920 году Резерфорд в лекции “Нуклеарное строение атома” делает предположение о том, что существуют ядра с массой 3 и 2 и ядра с массой ядра водорода, но с нулевым зарядом. При этом он исходил из гипотезы, высказанной впервые М. Склодовской-Кюри, что в состав ядра входят элек-троны.
Резерфорд пишет, что ему “кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заклю-чает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нукле-арным зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне возможными”. Так была высказана гипотеза о существовании ней-трона и тяжелого изотопа водорода.
1.5 Протонно-нейтронная модель ядра
В 1932 году Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным эле-ментом ядра. Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Резерфорд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона.
В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформу-лировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иванен-ко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.
1.6 Искусственная радиоактивность
В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили о б открытии ими нового вида радиоактивности. Им удалось доказать методом камеры Вильсона, что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) ис-пускают положительные электроны при бомбардировке их a-частицами по-лония. Жолио и Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием по-ложительных электронов. Они впервые искусственно вызвали радиоактив-ность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе и были награждены за это выдающееся открытие Нобелевской премией.
На сегодняшний день теория атомного ядра получила дальнейшее развитие, и в следующей главе рассматривается ее актуальное состояние.
2 Строение и важнейшие свойства атомных ядер
2.1 Основные свойства и строение ядра
1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредото-чена практически вся масса атома и его положительный электрический за-ряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и ней-тронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.
2. Зарядом ядра называется величина Ze, где е - величина заряда про-тона, Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z=1 до Z=107. Для всех ядер, кроме и некоторых других нейтронодефицитных ядер NіZ, где N - число нейтронов в ядре. Для легких ядер N/Z»1; для ядер химических элементов, расположенных в конце пе-риодической системы, N/Z»1,6.
3. Число нуклонов в ядре A=N+Z называется массовым числом. Ну-клонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное еди-нице, электрону - нулевое значение А.
Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобара-ми. Ядро химического элемента X обозначается , где Х - символ хими-ческого элемента.
Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элемен-тов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.
4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра м, может быть истолкована как про-порциональность объема ядра числу нуклонов в нем.
Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 1017 кг/м3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.
5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, кото-рыми определяется магнитный момент ядра Рmяд в целом. Единицей изме-рения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон mяд:
(в СИ)
(в СГС).
Здесь е - абсолютная величина заряда электрона, mp - масса протона, с - электродинамическая постоянная. Ядерный магнетон в раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.
6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сфериче-ски симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.
2.2 Энергия связи ядер. Дефект массы
1. Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличаю-щихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водоро-да во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми сущест-вует особое ядерное сильное взаимодействие - притяжение - обеспечиваю-щее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.
2. Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.
Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нуж-но затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.
3. При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если Wсв - величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то со-ответствующая ей масса Dm, равная
называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной мас-сы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с мас-сой Mяд образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с мас-сой mn, то
Dm=Zmp+(A-Z)mn-Mяд.
Вместо массы ядра Мяд величину Dm можно выразить через атомную массу Мат:
Dm=ZmН+(A-Z)mn-Mат,
где mH - масса водородного атома.
При практическом вычислении Dm массы всех частиц и атомов вы-ражаются в атомных единицах массы.
Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:
Wсв=Dmс2=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд]с2
Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энер-гии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.
4. Удельной энергией связи ядра wсв называется энергия связи, прихо-дящаяся на один нуклон: wсв= . Величина wсв составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.
5. Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изоба-ров. (А=const).
2.3 Ядерные силы
1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах суще-ствуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, из-вестных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они про-являются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре по-рядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.
3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяже-ние между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состоя-ния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядер-ных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называ-ются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяже-лого водорода трития - .
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявля-ется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным чис-лом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практи-чески полное насыщение ядерных