6. Основы ядерной физики и физики элементарных частиц

Историю физики атомного ядра принято отсчитывать с 1896 г. В этом году Анри Беккерель сделал важное открытие: занимаясь изучением явления фосфоресценции, он обнаружил, что один из минералов, содержащих уран, обладает способностью засвечивать фотопластинки, даже если они завернуты в светонепроницаемую бумагу. Было ясно, что минерал испускает какое-то новое излучение, причем испускает самопроизвольно, в отличие, например, от рентгеновского излучения. Новое явление получило название радиоактивности. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили два новых радиоактивных элемента  полоний и радий. Детальное экспериментальное изучение радиоактивного излучения было произведено Резерфордом. Он исследовал физические свойства лучей нового типа и показал, что радиоактивное излучение состоит из лучей трех типов, названных в дальнейшем -, - и -лучами.

То, что явление радиоактивности связано с процессами, происходящими в ядре атома, Резерфордом было понято после того, как он предложил ядерную модель атома в 1911 г. Но внутренняя структура атомного ядра долгие годы для физиков оставалась непознанной.

6.1. Состав и характеристики атомного ядра

В 1932 г. (после открытия неизвестной ранее частицы  нейтрона) была предложена модель строения атомного ядра, которая предполагала, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон (р) представляет собой ядро атома водорода. Он обладает положительным зарядом, равным по величине заряду электрона e=1,60210^-19 Кл, и его масса m_p=1,67210^-27 кг = 1836,15m_е, где m_е - масса электрона.

Нейтрон (n) электрически нейтрален, его масса равна m_n=1,675^.10^-27 кг = 1838,68m_е. Поскольку масса частицы связана с ее полной энергией соотношением Эйнштейна E=mc², то в ядерной физике массу частиц принято выражать в единицах энергии, причем за единицу энергии принимается мегаэлектронвольт (МэВ). Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода, в состав ядра которого входят 6 протонов и 6 нейтронов. В этих единицах m_р=938,2 МэВ = 1,00728 а.е.м. и m_n=939,5 МэВ = 1,00867 а.е.м. (1 а.е.м.=931 МэВ).

Свободный протон  стабильная частица, тогда как нейтрон в свободном состоянии распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (см. далее): n  p + e + . Среднее время жизни свободного нейтрона порядка 15 минут. Внутри ядра протон не свободен и может вести себя тоже как составная частица, распадающаяся на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино:p  n + e⁺ + . Внутри ядра возможны оба процесса, и какая из частиц распадается  зависит от энергетических соотношений внутри ядра. Это обстоятельство и дает возможность рассматривать обе частицы  протон и нейтрон  как элементарные, взаимно превращающиеся друг в друга.

Оба вида частиц, составляющих ядро, часто объединяют общим названием  нуклоны.

Число протонов в ядре принято обозначать через Z, это число определяет заряд ядра (+Ze) и называется зарядовым числом. Оно равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов в ядре обозначают через N. Их сумма A = Z + N называется массовым числом ядра. Такое название это число получило потому, что произведение А на массу отдельного нуклона близко к массе ядра.

Ядра атомов принято обозначать символом , гдеX  символ химического элемента в таблице Менделеева, например,

Атомы с одинаковыми Z (т.е. атомы одного химического элемента), но различными N называются изотопами. Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Например, у водорода три изотопа:  обычный водород или протий;  тяжелый водород или дейтерий;  сверхтяжелый водород или тритий, углерод имеет четыре изотопа  Многие изотопы в природе не встречаются, но могут быть получены искусственным путем.

Атомы с одинаковым массовым числом называются изобарами, например,

Атомы с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов, называют изотонами, например,

В настоящее время известно около 1500 различных ядер. Около четверти этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. В природе встречаются элементы с Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z=43) и прометий (Pm, Z=61). Плутоний (Pu, Z=94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природных минералах. Остальные трансурановые (следующие за ураном) элементы с Z=93...104 получены только искусственным путем.

Размеры атомных ядер можно оценить из опытов Резерфорда, изучая рассеяние на ядрах нейтронов или электронов, а также из ряда других экспериментов. Если ядро считать сферическим, то все методы определения его радиуса R приводят к формуле

R = r_o A^1/3. (6.1)

Для постоянной r_o для тяжелых ядер различными методами получаются несколько отличающиеся результаты, но все они лежат в пределах r_o = (1.2  1.5)^.10^-13 см. Из формулы (6.1) видно, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре A.