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
электроны.
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 заключает в
себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным
зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне
возможными”. Так была высказана гипотеза о существовании нейтрона 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 элементом
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, сформулировав
основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко 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) испускают
положительные электроны при бомбардировке их a-частицами полония. Жолио и
Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый
этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных электронов.
Они впервые искусственно вызвали радиоактивность, 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 сосредоточена
практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все
атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, 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
протона, 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 [pic]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
периодической системы, N/Z»1,6.
3. Число нуклонов в ядре A=N+Z называется массовым числом. Нуклонам
(протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице,
электрону - нулевое значение А.
Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра,
которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро
химического элемента X обозначается [pic], где Х - символ химического
элемента.
Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов 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
[pic]м, может быть истолкована как пропорциональность 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, которыми
определяется магнитный момент ядра Рmяд в целом. Единицей измерения
магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон mяд:
[pic] (в СИ)
[pic] (в СГС).
Здесь е - абсолютная величина заряда электрона, mp - масса протона, с
- электродинамическая постоянная. Ядерный магнетон в [pic] 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 сферически
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 отличающихся от
их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах
имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерное
сильное взаимодействие - притяжение - обеспечивающее 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 нужно 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 соответствующая ей масса Dm,
равная
[pic]
называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при
образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с массой Mяд
образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с массой 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 выражаются 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 энергии
(а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.
4. Удельной энергией связи ядра wсв называется энергия связи,
приходящаяся на один нуклон: wсв=[pic]. 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 изобаров.
(А=const).
2.3 Ядерные силы
1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах
существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил,
известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются
лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м.
Длина (1,5ј2,2)10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.
3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между
двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов -
протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из
сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра, в которых
одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу
нейтронов в другом. Например, ядра гелия [pic] тяжелого водорода трития -
[pic].
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в
том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших
к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость
энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение
ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым
образованием.
2.4 Радиоактивность, g-излучение, a и b-распад
1. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов
одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся
испусканием некоторых частиц.
Естественной радиоактивностью называется радиоактивность,
наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.
Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов,
полученных в результате ядерных реакций.
2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-
излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-
излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных
продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный
распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило,
оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается
испусканием g-фотона.
3. Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических
элементов a-частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с
массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82. Внутри таких ядер происходит
образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух
нейтронов.
4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений:
электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват.
Первые два типа превращения состоят в том, что ядро испускает электрон
(позитрон) и электронное антинейтрино (электронное нейтрино). Эти процессы
происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона
в протон или протона в нейтрон. В случае электронного захвата превращение
заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое.
Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда
произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±
-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
5. b--распад происходит у естественно-радиоактивных, а также
искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления
искусственной радиоактивности.
Литература
1. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе.
// М., Наука, 1983 г.
2. Кудрявцев П.С. Курс истории физики.
// М., Просвещение, 1982 г.
3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.
// М., Наука, 1990 г.
Страницы: 1, 2
