Строение атомного ядра

Протон-электронная модель. Со времени открытия атомного ядра в 1911 году ведет начало ядерная физика, изучающая свойства ядер атомов. Что массы ядер примерно равны массам атомов и что с ядрами связано положительное электричество атома, стало известно сразу после открытия ядер. Самый легкий атом водорода, как показали опыты по его ионизации, а также закон Мозли и электронная теория атома водорода Бора, имеет один электрон, а также единичный заряд ядра. После обнаружения стабильных изотопов элементов стало ясно, что атомные массы изотопов с большой степенью точности представляют собой целые числа, если их выражать в единицах массы атома водорода, ядру самого легкого атома была, наконец, отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин – протон.

Экспериментальные данные о заряде ядра и массе ядра свидетельствовали о наличии в ядре нейтральной массы, которую в протон-электронной модели объясняли присутствием в ядре некоторого числа электронов, нейтрализующих часть протонных зарядов. Однако накапливающиеся данные измерений спинов и магнитных моментов ядер, а также квантовая теория вошли в непримиримое противоречие с этой моделью.

Протон-нейтронная модель. Проблема строения атомного ядра была решена в 1932 году, когда был открыт нейтрон. Немецкие физики Боте и Беккер, продолжая опыты Резерфорда по облучению альфа-частицами легких атомов и наблюдению реакций, обнаружили, что при облучении лития, бериллия или бора, появляется сильнопроникающее излучение, которое проходит через свинец легче, чем наиболее жесткое гамма-излучение, испускаемое естественным радионуклидом .

Новым излучением заинтересовались французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, которые открыли свойство излучения образовывать ядра отдачи с большой кинетической энергией. Если считать, что ядра отдачи возникают под действием гамма-квантов, то их энергия должна быть необъяснимо большой.

Природу загадочного явления раскрыл англичанин Чедвиг. Сначала, предполагая у новых нейтральных частиц магнитный момент, он безуспешно пытался зарегистрировать их слабые треки в камере Вильсона. А после обнаружил ядра отдачи не только водорода, но и азота. По вычислениям выходило, что новая частица должна была иметь массу, близкую к массе протона. Чедвиг дал название новой частице – нейтрон.

Анализ свойств новой частицы привел к заключению, что нейтрон, подобно протону, следует считать элементарной частицей с полуцелым спином. Это позволило сделать вывод, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Теоретический анализ показал также, что ядра с таким составом должны обладать устойчивостью. При этом устойчивость обеспечивается новым классом сил – ядерными силами, действующими между протонами и нейтронами. Таким образом, нейтрон стал третьей структурной частицей атома. В связи с тем, что в отношении ядерных взаимодействий обе структурные единицы ядра оказались одинаковыми, они получили одно общее название – нуклон. Таким образом, протон есть электрически заряженный нуклон, а нейтрон – это нуклон без электрического заряда.

Состав ядра. Предположение о протон-нейтронной структуре ядра подтверждается всей суммой экспериментальных данных, полученных для атомных ядер. В соответствии с этой моделью в состав ядра атома входит столько протонов, сколько элементарных электрических зарядов содержит ядро, и такое количество нейтронов, какое необходимо, чтобы в сумме с протонами образовать массу ядра. Полное число нуклонов в ядре называется массовым числом А. Атомные массы примерно равны массовым числам, а округленные до целых чисел – совпадают. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается буквой Z. Число нейтронов, таким образом равно разности A-Z.

Тема 2

Физические свойства атомных ядер. Заряд ядра. Размер ядра. Моменты ядер. Спин ядра. Магнитный и электрический моменты ядра. Масса ядра и масса атома. Дефект массы. Энергия связи. Основные особенности энергии связи. Основное правило. Ядерные силы: основные характеристики, кулоновский и ядерный потенциалы ядра. Обменный характер ядерных сил.

ЗАРЯД ЯДРА

Закон Мозли. Электрический заряд ядра образуют протоны, входящие в его состав. Число протонов Z называют его зарядом, имея ввиду, что абсолютное значение заряда ядра равно Ze. Заряд ядра совпадает с порядковым номером Z элемента в периодической системе элементов Менделеева. Впервые заряды атомных ядер определил английский физик Мозли в 1913 году. Измерив с помощью кристалла длину волны λ характеристического рентгеновского излучения для атомов некоторых элементов, Мозли обнаружил регулярное изменение длины волны λ у элементов, следующих друг за другом в периодической системе (рис.2.1). Это наблюдение Мозли интерпретировал зависимостью λ от некоторой константы атома Z, изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

, (2.1)

где и - постоянные. Из экспериментов по рассеянию рентгеновских квантов атомными электронами и α-частиц атомными ядрами уже было известно, что заряд ядра примерно равен половине атомной массы и, следовательно, близок к порядковому номеру элемента. Поскольку испускание характеристического рентгеновского излучения является следствием электрических процессов в атоме, Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атомов, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра (закон Мозли).

Рис. 2.1. Рентгеновские спектры атомов соседних элементов, полученные Мозли

Измерение длин волн рентгеновского излучения выполняется с большой точностью, так что на основе закона Мозли принадлежность атома к химическому элементу устанавливается абсолютно надежно. Вместе с тем тот факт, что константа Z в последнем уравнении является зарядом ядра, хотя и обоснован косвенными экспериментами, в конечном счете держится на постулате – законе Мозли. Поэтому после открытия Мозли заряды ядер многократно измерялись в опытах по рассеянию α-частиц на основе закона Кулона. В 1920 году Чедвиг усовершенствовал методику измерения доли рассеянных α-частиц и получил заряды ядер атомов меди, серебра и платины (см. таблицу 2.1). Данные Чедвига не оставляют сомнений в справедливости закона Мозли. Помимо указанных элементов в экспериментах были определены также заряды ядер магния, алюминия, аргона и золота.

Таблица 2.1. Результаты опытов Чедвика

Элемент	Порядковый номер Z	Заряд Z из эксперимента
Cu	29	29,3
Ag	47	46,3
Pt	78	77,4

Определения. После открытия Мозли стало ясно, что основной характеристикой атома является заряд ядра, а не его атомная масса, как это предполагали химики 19 века, ибо заряд ядра определяет число атомных электронов, а значит, химические свойства атомов. Причина различия атомов химических элементов как раз и состоит в том, что их ядра имеют разное число протонов в своем составе. Напротив, разное число нейтронов в ядрах атомов при одинаковом числе протонов никак не меняет химические свойства атомов. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядрах, называются изотопами химического элемента.

Атом с определенным числом протонов и нейтронов в составе ядра называется нуклидом. Состав ядра задается числами Z и A. Об изотопе говорят только имея ввиду принадлежность к химическому элементу, например, ²³⁵U есть изотоп урана, но ²³⁵U – делящийся нуклид, а не делящийся изотоп.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число нейтронов, но разное число протонов, называются изотонами. Атомы с одинаковыми массовыми числами, но различным протон-нейтронным составом ядер, называются изобарами.