Глава 8. АТОМНОЕ ЯДРО

привело к коллапсу атома.

Мы уже говорили в предыдущих главах, что, хотя модель Резерфорда основывалась на классической механике, а уточняющая ее модель Бора на раннем варианте квантовой механики, все же только современная квантовая теория Шредингера и Гейзенберга смогла правильно описать структуру атомов. Поэтому квантовая механика служит той теорией, которую нужно использовать, чтобы описать структуру ядра. Однако сразу заметим, что полная теория ядра все еще не создана. В теории ядра мы сталкиваемся с намного более сложной проблемой, чем в теории атомов. Поэтому физики в настоящее время используют главным образом две модели ядра, о которых мы будем говорить ниже, — модель жидкой капли и модель ядерных оболочек (правда, иногда используются и другие модели).

Атомная физика главным образом изучает электроны, группирующиеся в оболочках и подоболочках в атоме вокруг ядра. Энергия, связанная с удалением или присоединением электрона к атому, а также с переходами атомных электронов из одного стационарного состояния в другое, имеет порядок нескольких электронвольт. Напомним, что требуется энергия только в 13,6 эВ для того, чтобы удалить из атома водорода электрон, находящийся в основном энергетическом состоянии.

Простейшим ядром является дейтрон; он состоит из одного протона и одного нейтрона, связанных друг с другом сильными ядерными силами притяжения. Чтобы разрушить ядро дейтрона, требуется энергия 2,24 МэВ. В ядерных реакциях, например в реакции деления урана-235, расщепляющегося на криптон-89 и ба- рий-144, высвобождается энергия порядка 200 МэВ на один атом урана.

Элементарные частицы, образующие ядра, т. е. протоны и нейтроны, называют также нуклонами. Тип атомного ядра обозначают

символом ZA BN , где Z — атомное число, т. е. число протонов в яд-

ре; N — нейтронное число, обозначающее число нейтронов в ядре; A = N + Z — массовое число, т. е. полное число протонов и нейтронов в данном ядре.

206

Например, ядро хлора 1735 Cl18 имеет Z = 17 протонов, N = 18

нейтронов и A = 17 + 18 = 35 нуклонов. Часто число N, не несущее дополнительной информации, опускают и рассматриваемое ядро обозначают символом 17Cl35.

Изотопами называются ядра с одним и тем же атомным числом Z и различными массовыми числами. Например, ядра 14Si28, 14Si29, 14Si30 — изотопы кремния. Ядра с одинаковым массовым числом A и разными атомными числами Z называют изобарами. Например, ядра 8О16 и 7N16 являются изобарами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, т. е. имеющие одинаковое значение числа N, называ-

ются изотонами. Примером изотонов могут служить ядра 146 C8 ,

157 N8 и 168 O8 .

8.1. Ядерные силы

Согласно закону Кулона положительно заряженные протоны, находящиеся на очень близких расстояниях в атомном ядре, сильно отталкивают друг друга. Так что они должны были бы мгновенно разлететься. Поэтому вряд ли можно объяснить стабильное существование атомного ядра, если не сделать допущения, что нуклоны в нем подвержены влиянию каких-то мощных сил притяжения. Эти силы считают проявлением так называемого сильного взаимодействия. Их изучал довольно долгое время японский физик Хидеки Юкава. В 1935 г. он понял основные характерные особенности ядерных сил и для их объяснения постулировал существование особой частицы, названной впоследствии пионом. Пион имеет массу покоя 270 me (в 270 раз большую массы покоя электрона). Пионы играют важную роль в образовании ядерных сил. Юкава отметил следующие характерные особенности ядерных

сил:

1.Они являются короткодействующими.

2.Они обладают зарядовой независимостью.

3.Они самые мощные из всех известных сил в природе.

4.Они имеют способность к насыщению.

Рассмотрим по отдельности эти характерные особенности

207

ядерных сил.

Короткодействующий характер. Эксперименты по рассеянию протонов на ядрах показывают, что ядерные силы имеют заметное значение только тогда, когда расстояние между двумя нуклонами оказывается порядка 10-15 м и меньше. Будем бомбардировать атомное ядро протонами и учтем, что радиус действия ядерных сил имеет примерно тот же порядок, что и радиус действия сил кулоновского отталкивания. Как бы близко ни подлетали протоны к ядру, они будут обязательно подвержены силам обоих типов, а потому распределение по углам протонов, рассеянных на ядрах, будет отличным от распределения, соответствующего чистому кулоновскому рассеянию.

Падающие протоны, которые не подходят слишком близко к ядру, будут рассеиваться силами электрического отталкивания. Но если энергия падающих протонов достаточно велика, чтобы протон мог преодолеть отталкивательное действие кулоновских сил ядра, он может подлететь очень близко к ядру и попасть в область действия ядерных сил притяжения. Распределение рассеянных протонов в этом случае будет определяться главным образом ядерными силами, а потому распределение будет отлично от кулоновского.

208