Строение атомных ядер

НУКЛОН, общее название протона и нейтрона – частиц, из которых состоят ядра атомов. На нуклоны приходится основная часть массы атома. Несмотря на различие в некоторых свойствах и поведении, нейтроны и протоны, по мнению физиков, достаточно сходны, чтобы считать их членами одного семейства, подобно тому как биологи относят к единому виду собак и волков. Так, их массы различаются не более чем на 1%, а спины одинаковы. Кроме того, почти одинаковы силы, действующие между двумя нейтронами или двумя протонами на малых расстояниях (10^–15 м и меньше). Наиболее существенное различие между протоном и нейтроном – наличие у протона электрического заряда, которого нейтрон, как это видно из его названия, не имеет.

Ядро простейшего атома – атома водорода – представляет собой протон. Ядра остальных атомов состоят из протонов и нейтронов. То, что ядро водорода является фундаментальной частицей вещества, установил Э.Резерфорд (1911), который показал, что масса положительного заряда атома сконцентрирована в очень малой области пространства, и назвал его протоном. Масса протона составляет 1,67*10^–24 г, т.е. примерно в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона (1,6*10^–19 Кл) равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона. Подобно электрону, протон обладает отличным от нуля спином, который можно представить себе как характеристику вращения частицы вокруг своей оси, подобного суточному вращению Земли. Спин протона равен h /2π, где h – фундаментальная физическая константа, называемая постоянной Планка. Если протон находится в магнитном поле, то его спин прецессирует подобно волчку, прецессирующему под действием силы тяжести. Скорость этой прецессии определяется магнитным моментом, который у протона равен 1,4*10^–26 Дж/Тл, и направление которого совпадает с направлением спина (т.е. оси вращения).

Хотя Резерфорд еще в 1920 допускал существование в ядрах нейтронов, первые убедительные доказательства существования этих частиц принесла работа его ассистента Дж.Чедвика в 1932. Чедвик облучал бериллий альфа-частицами радиоактивного источника. Тогда уже было известно, что облученный бериллий становится источником нового излучения. Это излучение при столкновении с другими ядрами выбивает из них протоны. Чедвик предположил, что излучение бериллия представляет собой поток частиц с массой, примерно такой же, как у протона, но без электрического заряда. Он назвал такие частицы нейтронами.

Масса нейтрона несколько превышает массу протона и в 1839 раз массу электрона. Как и у протона, спин нейтрона равен h /2π. У нейтрона есть и магнитный момент, равный 9*10^–27 Дж/Тл, т.е. примерно 2/3 магнитного момента протона. Но, в отличие от протона (см. выше), магнитный момент нейтрона ориентирован противоположно его спину (оси вращения). Существование магнитного момента у нейтрона – частицы, не имеющей электрического заряда, – указывает на то, что эта частица вряд ли элементарна и, скорее, построена из других частиц, в том числе и из имеющих электрический заряд.

В современной физике представление о структуре нуклонов опирается на кварковую модель. Согласно последней, нуклоны состоят из более простых частиц трех типов, названных кварками. Если электрический заряд протона обозначить через е, то протон будет содержать два кварка с зарядом +(2/3 е) и один кварк с зарядом –(1/3 е), а нейтрон – один кварк с зарядом +(2/3 е) и два кварка с зарядом –(1/3) е. Кварковая модель получила убедительное подтверждение в опытах по рассеянию электронов высоких энергий, которые, взаимодействуя с нуклонами, выявили наличие у них внутренней структуры.

В отличие от протона нейтрон нестабилен; в среднем через 15 мин свободный нейтрон самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино. Нейтроны, входящие в состав стабильных ядер, подобных превращений не испытывают.

В том же, 1932 г., Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм, а также независимо В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра. Дальнейшие теоретические исследования и прямые эксперименты полностью подтвердили эту модель.

Терминология. Химический элемент однозначно характеризуется атомным номером Z, совпадающим с числом протонов в ядре. Ядро с данным числом протонов Z может иметь разное число нейтронов N. Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. Конкретное ядро с данными Z, N называется нуклидом.

Массовым числом называется полное число нуклонов в ядре: A = Z + N. Так как массы протонов и нейтронов очень близки (m_n/m_p = 1,0014), то масса ядра с большой точностью пропорциональна А.

Чтобы полностью описать конкретный нуклид, достаточно задать два из трех чисел: A, Z, N.

Принятое обозначение для ядра химического элемента X: .
Изотопы - нуклиды с одинаковыми Z. Изобары - нуклиды с одинаковыми А. Изотоны - нуклиды с одинаковыми N.

Размеры ядер. Если представить себе ядро как шарик определенного радиуса R, внутри которого упакованы A нуклонов, то ясно, что объем такого шарика растет пропорционально А.
Следовательно, R = R₀A^1/3, где R₀ = 1.1 · 10^{-15 м.}

2. Ядерные силы.

Существование ядер возможно только в том случае, если между нуклонами действуют силы особой природы, противодействующие электростатическому отталкиванию протонов и сжимающие все нуклоны в малой области пространства. Такие силы не могут иметь ни электростатическую природу (наоборот, эти силы должны сильно притягивать протоны), ни гравитационную природу (численно сила гравитационного притяжения слишком мала, чтобы воспрепятствовать значительному электростатическому отталкиванию). Эти новые силы получили название ядерных сил, а порождающее эти силы взаимодействие называется сильным.

Экспериментально установлены следующие свойства ядерных сил:

1. Эти силы одинаковы по величине, независимо от того, действуют ли они между двумя протонами, протоном и нейтроном или двумя нейтронами (зарядовая независимость ядерных сил).

2. Эти силы имеют короткодействующий характер, т.е. обращаются в нуль, если расстояние между нуклонами превышает размер ядра.

3. В области действия ядерных сил эти силы очень велики (по сравнению с электромагнитными или, тем более, гравитационными силами) и являются силами притяжения вплоть до расстояний порядка R₀, где они сменяются силами отталкивания. Таким образом, нуклоны в ядрах удерживаются в области пространства радиусом R > R₀, однако атомные ядра невозможно сжать до меньших размеров.

Ядерные силы - пример сильных взаимодействий. Они многократно превосходят кулоновскую силу (но, конечно, на одинаковом расстоянии). Электростатическое взаимодействие характеризуется энергией порядка нескольких электронвольт, а характерные ядерные энергии в миллион раз больше - мегаэлектронвольты (МЭвы).

Удивительный вывод квантовой физики: два нуклона притягиваются друг к другу, потому что обмениваются между собой частицей. Частицу назвали пи-мезоном, или пионом. Один нуклон испускает пи-мезон (p-мезон), другой его поглощает, а в результате нуклоны притягиваются друг к другу. В слове "мезон" он - окончание, как у всех названий частиц, а корень мезо взят из греческого, мезос - промежуточный: масса π-мезона больше массы электрона и меньше массы протона. Масса π-мезона стала известна еще до открытия этой частицы. По теории (она была создана в 1935 году японским физиком Хидэки Юкава, 1907-1981) между радиусом действия ядерных сил и массой π-мезона m _p существует простая связь: m _p >= ћ/cr _n. Есть три сорта π-мезонов - положительный, отрицательный и нейтральный. Их массы несколько отличаются, но все они примерно в 200 раз больше массы электрона.

Поиск по сайту: