Оболочечная модель ядра

Рассмотренная выше картина, в которой внутри ядра имеется дискретный набор стационарных состояний, заселенных в определенном порядке нейтронами и протонами, лежит в основе т.н. "оболочечной модели ядра" (М. Гепперт-Майер и Й.Х.Д. Иенсен), которая во многом аналогична оболочечной модели электронной оболочки атома. В соответствии с этой моделью нуклоны в ядре группируются в оболочки. При этом, заполненным оболочкам соответствует относительный минимум энергии и, следовательно, повышенная устойчивость ядра. Такие ядра, называемые "магическими", аналогичны атомам инертных газов, также обладающих заполненными электронными оболочками. Примерами могут служить магические числа нейтронов(2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) и магические числа протонов (2, 8, 20, 28, 50, 82). "Дважды магическими" являются, например, ядра⁴He,¹⁶O,²⁸Si . Именно из-за своей особо высокой стабильности эти ядра максимально распространены в природе.

Ядерная спектроскопия

Модель потенциального ящика, согласно которой каждый нуклон должен иметь свое индивидуальное стационарное состояние, приводит к заключению о возможности изменения такого состояния за счет внешних возмущений:

Такие скачкообразные переходы требуют сообщения нуклону определенной порции энергии, соответствующей условию резонанса (h). Малые размеры ядра обусловливают чрезвычайно большую величину промежутков между разрешенными уровнями энергии (). Соответственно и порции энергии, необходимые для возбуждения нуклона должны быть очень большими — они соответствуют квантам электромагнитного излучения в области гамма-лучей.

Таким образом, при облучении атомных ядер гамма-лучами, некоторые из них (с резонансными частотами) могут поглощаться, что доступно экспериментальному обнаружению. В результате получается разновидность спектроскопии, которая называется спектроскопией ядерного гамма-резонанса(ЯГР) илимессбауэровской спектроскопией. Каждый тип атомных ядер характеризуется своим спектром (набором резонансных частот), что позволяет решать важную задачу идентификации атомных ядер, а, следовательно, и химических элементов. Особенностью ЯГР-спектров является чрезвычайно малая ширина линий поглощения. Отсутствие наложения линий поглощения позволяет легко обнаруживать конкретный элемент даже при его низком содержании. Например, можно обнаружить примесь кобальта в никеле в количестве 1 : 10⁹, что невозможно при использовании ни химических методов анализа, ни атомной спектроскопии.

На положение нуклонных уровней в ядре оказывает заметное влияние наличие электронной оболочки вокруг данного ядра. движущиеся электроны создают электрические и магнитные поля, которые и влияют на состояние нуклонов. Такое электронное влияние вызывает небольшой сдвиг резонансных частот, который может быть легко обнаружен и измерен.

Например, ядра олова в металлическом образце, в образце двухвалентного оксида и образце четырехвалентного оксида находятся в разных состояниях. Различие заключается в разной величине электронной плотности в окрестности ядер олова. Каждый образец характеризуется несколько различными резонансными частотами:

Если ввести некоторую точку отсчета (стандартную частоту), то каждый образец будет характеризоваться т.н. "химическим сдвигами" (), величина которых отражает различия в электронной плотности, или, говоря химическим языком, степень окисления химического элемента в данном образце. В результате мы получаем возможность экспериментально измерять степень окисления (валентность) химических элементов в их соединениях, т.е. производить определениехимического строениявещества.

Практическая реализация ЯГР-спектроскопии сопряжена с определенными трудностями. Они обусловлены тем, что в нашем распоряжении нет гамма-источников с непрерывным спектром, в отличие от источников видимого или ИК-излучения. Поэтому варьирование частоты гамма-источника обычно осуществляют с помощью эффекта Допплера, перемещая источник и образец относительно друг друга с определенной скоростью. Соответственно, шкала химических сдвигов в ЯГР-спектре измеряется в единицах скорости (мм/с).

Многие ядра имеют не нулевой спиновой момент, который складывается из локальных спинов нуклонов, входящих в состав ядра. Примерами могут служить ядра ¹H,¹³C,¹⁵N,¹⁷O,¹⁹Fи др. Поскольку все ядра имеют положительный заряд, то с вектором спина обязательно связан вектор магнитного момента.

Во внешнем магнитном поле магнитный момент ядра может ориентироваться двояким образом — "по полю" и "против поля". При этом энергия разных ориентаций будет различной. Перевороты ядерных спинов можно вызвать посредством облучения ядер радиоволнами определенной частоты. Подобные резонансные переходы между различными ориентациями ядерных спинов называются ядерным магнитным резонансом (ЯМР). Это явление используется в ЯМР-спектроскопии — удобном и надежном методе исследования строения атомов и молекул.

ЯМР-спектроскопию можно использовать для идентификации типа атомного ядра, т.е. определения химического элемента. Кроме того, частоты ЯМР-переходов в атомах и молекулах зависят от плотности электронного облака, окружающего ядро (т.н. "химический сдвиг"). Например, молекула этанола содержит три типа протонов — три метильные (СН₃-), два метиленовые (-СН₂-) и один гидроксильный (-ОН). Плотность электронного облака максимальная в области метильных протонов и минимальная в области гидроксильного протона. Поэтому ЯМР-спектр этанола содержит три близко расположенных пика, причем их площади относятся как 3:2:1.

Еще одна важная характеристика атомных ядер — это квадрупольный электрический момент. Его наличие обусловлено тенденцией ядра минимизировать кулоновское отталкивание между протонами. В результате протоны не распределяются внутри ядра однородно, а группируются в определенных местах. Возможно два варианта такой группировки:

В первом случае протоны группируются вдоль "экватора" и сферическое ядро деформируется в сплюснутый эллипсоид вращения. Во втором случае протоны группируются на "полюсах" и ядро приобретает форму вытянутого эллипсоида. Величину квадрупольного момента можно рассчитать по формуле:

Q = 0,4 Ze (b² – a²)

где a— экваториальный радиус,b — полярный радиус.

Во внешнем электрическом поле энергия такого эллипсоида зависит от его ориентации, т.е. у ядра появляется ряд дискретных энергетических уровней (отличающихся ориентацией относительно направления вектора напряженности внешнего поля), между которыми можно вызвать переходы за счет облучения в радиочастотном диапазоне. Такие спектры называются спектрами ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). Химические приложения ЯКР-спектров такие же, что и ЯМР-спектров. Различие между этими двумя разновидностями ядерной спектроскопии заключается в типе объектов: ЯМР-спектры наиболее пригодны для изучения газов и разбавленных растворов, а ЯКР-спектры — для кристаллов и аморфных твердых тел.