Строение атомного ядра и ядерные процессы

С развитием концепции атомизма и переходом к исследованию элементарных частиц физики приступили к изучению самого ядра атома. В первой модели атома Резерфорда - Бора предполагалось, что ядро состоит из положительно заряженных массивных протонов. Только после открытия в 1932 году английским ученым Д. Чедвиком электрически нейтральной частицы, названной нейтроном, в изучении строения ядра наметился явный прогресс. Сразу же после этого открытия русский физик Д. Иваненко первым выступил в печати с гипотезой, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и лишенных заряда нейтронов. В том же году немецкий физик В. Гейзенберг развил эту гипотезу дальше. Тот факт, что нейтроны электрически нейтральны, сыграл ключевую роль в дальнейших ядерных исследованиях. Во - первых, электрически нейтральные нейтроны не отталкиваются ядром и поэтому их можно применить для бомбардировки ядра и более тщательного изучения его строения и свойств. Во - вторых, нейтроны служат незаменимым средством в практическом использовании ядерной энергетики, получении трансурановых элементов, радиоактивных изотопов, геологической разведке и т.д.

Протоны и нейтроны, образующие ядро и называемые нуклонами, по своей массе в четыре тысячу раз превосходят массу составляющих атом электронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом, число протонов определяют заряд атома, а число нейтронов находится по формуле: N=A–Z, где N - число нейтронов, A - массовое число, Z - число протонов. Размеры ядра зависят от числа содержащихся в нем нуклонов. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика и по расчетам составляет приблизительно 10¹⁴ грамм на кубический сантиметр, то есть 100 миллионов тонн на см³.

Исследование структуры ядра сопряжено со многими теоретическими и экспериментальными трудностями. Поэтому при построении моделей ядра используются различные аналогии и полуэмпирические схемы. Так, еще в 1936 году известный датский ученый Нильс Бор и советский физик Яков Френкель выдвинули капельную модель атомного ядра. В ней ядро рассматривается по аналогии с каплей жидкости, которая, однако, состоит из интенсивно взаимодействующих между собой протонов и нейтронов. Поверхность такой капли может колебаться и при определенных условиях привести к разделению капли на части, то есть к разрушению ядра.

Другая модель была предложена американским ученым М. Гепперт - Майер и немецким физиком Х. Йенсеном в 50 - годы ХХ века. Она была названа оболочечной моделью ядра, согласно которой нуклоны, как и электроны в атоме, заполняют соответствующие оболочки в ядре, которые характеризуются разными значениями энергий. В противовес этой модели датские ученые О. Бор (сын Н. Бора) и Б. Моттельсон выдвинули обобщенную модель ядра, которая состоит из устойчивой внутренней части, вокруг которой движутся внешние нуклоны. Под воздействием этих нуклонов внутренняя часть ядра может изменять свою структуру, принимая форму вытянутого эллипсоида, напоминающую своего рода каплю. Поскольку указанная модель в определенной мере объединяет представления капельной и оболочечной моделей, её и назвали обобщенной.

Процесс взаимодействия нуклонов осуществляется путем многократного испускания одним из них p мезона и поглощения его другим нуклоном. В результате этого протон превращается в нейтрон, а нейтрон преобразуется в протон. Протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами ядерного взаимодействия, которые принадлежат, как мы уже знаем, к фундаментальному типу сильного взаимодействия. Под энергией связи ядра подразумевают энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. Она равна разности между суммой масс нуклонов, входящих в ядро и массой образованного из них ядра, умноженной на квадрат скорости света: E=(P*m+N*m–M)*c².

Из этой разницы как раз образуется тот дефект массы, за счет которого возникает огромная термоядерная энергия в результате расщепления ядра. Е связи=Dmc²

Отсюда становится ясным, что масса ядра атома меньше массы составляющих его нуклонов, так как в процессе синтеза часть их массы превращается в энергию и выделяется в окружающую среду. Зная общую энергию связи нуклонов, можно найти удельную энергию, приходящуюся на отдельный нуклон. Для большинства ядер эта энергия в среднем оказывается одинаковой, но для легких и тяжелых ядер наблюдается отклонение от среднего значения. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением числа протонов в тяжелых ядрах тех атомов, которые занимают места в последних клетках периодической системы таблицы Менделеева, заметное воздействие оказывают силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Они стремятся разрушить ядро, и поэтому ядра таких атомов становятся нестабильными, а атомы химических элементов, начиная с № 83 (висмут) оказываются неустойчивыми. Именно этим объясняется естественная радиоактивность элементов, наблюдаемая в природе.

Впервые такую радиоактивность обнаружил французский ученый Анри Беккерель в 1896 году. Изучая соли урана, а затем и чистый уран, он заметил, что они непрерывную излучают энергию, которую Беккерель назвал радиоактивной. Дальнейшее исследование явления радиоактивности другими учеными и в особенности супругами Марией Кюри-Склодовской и Пьером, открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий, позволило выявить ряд свойств и закономерностей радиоактивного излучения. Было установлено, что все радиоактивные вещества испускают три рода лучей, которые были названы a, b и g лучами. Первое объяснение естественной радиоактивности было достигнуто с помощью представления о превращении одних химических элементов в другие, которое, как мы знаем, привело к революции в естествознании и отказу от прежних взглядов об атомах как мельчайших неизменных и неделимых частицах вещества. Впоследствии с помощью квантовой механики удалось дать более адекватное объяснение механизму радиоактивных процессов.

В 1940 году русские ученые Г.Н. Флеров и К. А. Петржак открыли новый вид радиоактивного превращения, связанный со спонтанным, или самопроизвольным, делением атомных ядер. Но явление радиоактивности, наблюдаемое в естественных условиях, вряд ли по своему значению и роли в физико-химических исследованиях можно сравнить с искусственной радиоактивностью, которое вызывается и контролируется самим ученым. Преимущества такого исследования очевидны, во - первых, потому, что ученый получает при этом возможность экспериментировать с явлениями, во - вторых, -и это главное - он создает искусственные элементы, которые не встречаются в природе.

Первыми такую искусственную радиоактивность наблюдали французские физики супруги Ирен и Фредерик Жолио - Кюри, получившие изотоп фосфора. В настоящее время наиболее эффективным средством, способным вызвать искусственную радиоактивность или получить изотопы, служат, как мы уже знаем, нейтроны. В принципе искусственная радиоактивность не отличается от радиоактивности естественной, поскольку обе они основываются на разрушении ядра атома и превращении одних атомов в другие.

Особого внимания заслуживает процесс деления тяжелых ядер, который, может происходить как в естественных условиях, так и искусственно. В последнем случае для этого следует бомбардировать ядро нейтронами. В 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман, бомбардируя уран нейтронами, обнаружили, что при этом образуются ядра щелочноземельных элементов. В том же году австрийские физики Л. Майтнер и О. Фриш установили, что при бомбардировке ядра урана-235 нейтронами, установили, что оно делится на два осколка и при этом испускается 2 - 3 свободных нейтрона. Эти нейтроны, попадая на другие ядра, могут вызвать их деление, и таким способом вызвать цепную реакцию. В результате этого выделяется огромное количество энергии, вследствие принципа дефекта массы, рассмотренного выше. Для сравнения можно отметить, что энергия, получаемая в результате цепной реакции деления 1 килограмма урана в несколько миллион раз больше, чем, например, при сжигании того же количества угля.

Однако осуществить такую цепную реакцию весьма трудно, поскольку для этого требуется уран - 235, которого в природном уране содержится всего 0,7%. Поэтому необходимо из урановой руды выделить достаточное количество урана - 235, чтобы могла начаться цепная реакция. Эта критическая масса составляет несколько десяток килограмм. Такая реакция будет, однако, неуправляемой и может привести к большому взрыву, как и в водородной бомбе. Но реакция, которая в ней происходит, имеет принципиально иной характер, поскольку основана на термоядерном синтезе, то есть на соединении легких ядер водорода при очень высоких температурах в сотни миллионов градусов, которая получается путем взрыва атомной бомбы, сконструированной вместе с водородной бомбой. Огромная температура, выделяемая при атомном взрыве, создает условия для термоядерного синтеза ядер водорода и выброса получаемой при этом гигантской энергии.

Аналогичные термоядерные процессы, то есть реакции синтеза легких ядер и превращения их в более тяжелые ядра, постоянно происходят в недрах звезд, в частности нашего Солнца. Использование термоядерной энергии в земных условиях связано с поисками управляемого термоядерного синтеза, которое навсегда решило бы энергетическую проблему человечества.

Литература

Основная

Марков М. А. О природе материи. - М.,1976

Физический энциклопедический словарь. - М., СЭ, 1983, С.896 - 902

Дополнительная

Коккедэ Я. Теория кварков. - Пер. с англ., М,1971.

Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. М.,1981

Ситенко А. Г., Тартаковский. Лекции по теории ядра. М., 1972

Вопросы для самоконтроля

1. Когда гипотеза об атомах вошла в естествознание и для чего она была использована?

2. Какие новые открытия в физике опровергли представление об атомах как последних неизменных и неделимых частицах материи?

3. Чем отличается искусственная радиоактивность от естественной?

4. Когда возникла революции в естествознании, и к каким новым выводам она привела?

5. Какие элементарные частицы были известны до возникновения квантовой механики?

6. Какие новые частицы были открыты непосредственно после создания квантовой механики?

7. Какие частицы стали называться элементарными, и где вначале они были открыты?

8. Какими общими свойствами обладают элементарные частицы?

9. Какие фундаментальные взаимодействия рассматриваются в физике?

10.Чем характеризуются сильные взаимодействия?

11.Какую роль электромагнитное взаимодействие играет в окружающем нас мире?

12.Как происходит естественный радиоактивный распад?

13.Сравните по силе гравитационное и слабое взаимодействие?

14.Какие частицы называются кварками и почему они не обнаружены в свободном состоянии?

15.Какие частицы относятся к адронам?

16.Какими массами обладают мезоны?

17.Какие частицы относятся к лептонам?

18.Что такое вещество и антивещество?

19.Что называют аннигиляцией элементарных частиц?

20.Какие реакции называются ядерными? Приведите примеры.

21.Как происходит процесс деления тяжелых ядер?

22.Что представляет собой термоядерный синтез?

Поиск по сайту: