Н
Развитие модельных представлений о строении ядер
акопление экспериментальных сведений
о свойствах атомных ядер позволило в
30-х годах XX столетия
развить первые модельные представления
о строении ядра. Анализ эмпирически
обнаруженной связи между временем жизни
радиоактивных
ядер и энергией испускаемых ими частиц
привел к приближенной формуле для
радиуса ядра:
,
(19.51)
где A – массовое число; r0 = (1,4 – 1,5)1013 см – постоянная величина. Отсюда следовало, что все ядра характеризуются примерно одинаковой концентрацией нуклонов
нуклон/см3,
(19.52)
одинаковой плотностью ядерного вещества
= nmN 1014 г/см3 (19.53)
и одинаковым значением среднего расстояния между нуклонами. Впоследствии справедливость этого предположения была подтверждена в разнообразных экспериментах по определению радиусов атомных ядер.
Постоянство плотности ядерного вещества свидетельствовало о его несжимаемости. Это свойство делало ядерное вещество похожим на несжимаемую жидкость. Указанная аналогия оказывалась еще более глубокой при учете свойства насыщения ядерных сил, т.к. подобным свойством обладают и химические силы, связывающие молекулы жидкости. Все это позволило М. Борну, Н. Бору и Я. И. Френкелю в 1936 году развить гидродинамическую (капельную) модель ядра. В основе гидродинамической модели лежало предположение о том, что благодаря высокой плотности нуклонов в ядре и сильному взаимодействию между ними независимое движение отдельных нуклонов в ядре оказывается невозможным. Согласно этой модели, ядро представляет собой каплю заряженной жидкости с плотностью, равной плотности ядерного вещества (19.53). Как и капля обычной жидкости, ядро способно испытывать колебания, сопровождающиеся отклонением формы от сферической.
В 1935 году К. Вайцзеккер предложил полуэмпирическую формулу, описывающую зависимость энергии связи ядра от Z и A:
,
(19.54)
где 1, …, 5 – эмпирические коэффициенты, значения которых определяются из экспериментально измеренных значений масс нескольких ядер.
Формула Вайцзеккера
учитывала поправки, обусловленные
поверхностной энергией капли ядерного
вещества, кулоновским отталкиванием
между протонами, отклонением количественного
состава ядра от наиболее симметричного
по протонам и нейтронам случая
и принадлежностью данного ядра к типу
четно-четных, четно-нечетных или
нечетно-нечетных ядер.
С помощью капельной модели удалось получить аналогичную формуле Вайцзеккера полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра; поэтому формулу (19.54) часто связывают с капельной моделью. Однако такая точка зрения не совсем правильна, т.к. капельная модель позволяла учесть лишь вклады в энергию связи ядра вплоть до кулоновского члена.
Хотя гидродинамическая модель и помогла в дальнейшем качественно объяснить многие явления, в частности, некоторые закономерности распада, тем не менее, ее предсказания не выполнялись на опыте в полной мере. Это было связано с тем, что капельная модель являлась весьма приближенной. Такие понятия, как поверхностное натяжение, сжимаемость и т.п., не вполне применимы к ядру, поскольку ядро включает не более 300 нуклонов, и радиус ядра превосходит среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз, тогда как самая маленькая капля обычной жидкости содержит миллиарды атомов.
Следует упомянуть и развитую Я. И. Френкелем (1936) и Л. Д. Ландау (1937) статистическую модель ядра, позволившую достаточно успешно описать поведение атомных ядер при высоких энергиях возбуждения. В этом случае число уровней энергии у средних и тяжелых ядер весьма велико, а расстояние между уровнями мало, что позволяет использовать статистическое понятие плотности состояний, т.е. числа уровней с заданными характеристиками (спином, изоспином и т.д.), приходящегося на единичный интервал энергии. Статистическая модель рассматривала возбуждение ядра как нагрев ферми-жидкости нуклонов, связывая энергию возбуждения с температурой нагрева ядра. Эта модель позволила не только удовлетворительно описать распределение уровней, но и определить вероятности излучения квантов при переходах между высоковозбужденными состояниями ядер.
В 30-е годы развивалось
и модельное описание ядерных реакций.
Особое внимание привлекали начатые в
1934 году Э. Ферми с сотрудниками опыты
по изучению взаимодействия нейтронов
с веществом. Эксперименты указывали на
существование в ядре узких (
0,1 эВ) уровней при
энергии возбуждения, превышающей энергию
связи нуклона в ядре. На первый взгляд
это представлялось непонятным. Согласно
соотношению неопределенностей
t
из малой ширины уровня следовало большое
время жизни ядра в данном возбужденном
состоянии
1014
с, значительно превышающее характерное
время ядерного взаимодействия
(10221023)с,
соответствующее времени пролета нейтрона
через область атомного ядра.
Разрешение этой трудности в интерпретации результатов экспериментов по изучению резонансного захвата медленных нейтронов ядрами было дано в 1936 году Н. Бором в предложенной им теории ядерных реакций, опирающейся на капельную модель ядра. В опубликованной в «Nature» статье «Захват нейтрона и строение ядра» Бор предположил, что легко проникающий в ядро (вследствие отсутствия кулоновского барьера) нейтрон захватывается ядром, образуя составную систему (составное, промежуточное или компаунд-ядро). Из-за сильного взаимодействия энергия возбуждения быстро распределяется между всеми нуклонами ядра, в результате чего каждый отдельный нуклон приобретает энергию, значительно меньшую его энергии связи. Поэтому составное ядро оказывается в относительно устойчивом состоянии, и лишь по прошествии достаточно длительного времени (время жизни составного ядра) наступает второй этап ядерной реакции – распад промежуточного ядра.