§ 107. Спектр енергетичних станів атомного ядра. Ядерні спектри

Атомні ядра складаються з нуклонів, між якими діють специфічні ядерні сили притягання і кулонівські сили від­штовхування. Така система з квантової точки зору може перебувати лише в певних енергетичних станах аналогічно електронній оболонці атомів, хоча самі ці стани істотно відрізняються від електронних.

Експериментальні висновки про енергетичні рівні атом­них ядер грунтуються на вимірюваннях енергії частинок і фотонів, які випускаються ядрами при радіоактивних перетвореннях і при штучному розщепленні ядер. Щоб дати хоча б певне уявлення про цей важливий розділ ядер­ної фізики, розглянемо кілька прикладів, що пояснюють, як вимірювання енергії альфа-частинок і гамма-фотонів при радіоактивному розпаді дає можливість визначити енергетичні рівні ядра.

Що може статися з ядром при його зіткненні з іншим ядром, частинкою або гамма-квантом? Досліди Е. Резер­форда, виконані в 1919 p., показали, наприклад, що під дією альфа-частинки з ядра може бути вибитий протон. В експериментах, проведених Д. Чедвіком у 1932 p., було встановлено, що альфа-частинки можуть вибивати з атом­них ядер і нейтрони. Але чи завжди так закінчується про­цес зіткнення? Чи не може атомне ядро поглинути енергію, одержану при зіткненні, і перерозподілити її між нукло­нами, що входять до його складу, змінивши тим самим свою внутрішню енергію? Що відбуватиметься з таким ядром далі?

Відповіді на ці питання дали прямі досліди з вивчення взаємодії протонів з атомними ядрами, їх результати дуже схожі на результати дослідів Франка і Герца щодо вивчен­ня зіткнень електронів з атомами (§ 99). Виявляється, при поступовому збільшенні енергії протонів спочатку спосте­рігаються тільки пружні зіткнення з атомними ядрами, кінетична енергія не перетворюється в інші види енергії, а лише перерозподіляється між протоном і атомним ядром як однією частинкою. Однак, починаючи з деякого зна­чення енергії протона, можуть відбуватися і непружні зіткнення, при яких протон поглинається ядром і повністю передає йому свою енергію. Ядро кожного ізотопа харак­теризується строго певним набором «порцій» енергії, які воно може сприйняти.

Ці досліди доводять, що ядра мають дискретні спектри можливих енергетичних станів. Таким чином, квантуван­ня енергії і ряду інших параметрів є властивістю не лише атомів, а й атомних ядер. Стан атомного ядра з мінімаль­ним запасом енергії називається основним, або нормаль­ним, стани з надміром енергії (порівняно з основним станом) називаються збудженими.

Атоми звичайно перебувають у збуджених станах приблизно 10 * секунди, а збуджені атомні ядра позбавля­ються від надміру енергії за значно коротший час порядку 10"^|5 — 10"'* секунди. Як і атоми, збуджені ядра звіль­няються від надміру енергії, випромінюючи кванти елек­тромагнітного випромінювання. Ці кванти називаються гамма-квантами (або гамма-променями). Дискретному набору енергетичних станів атомного ядра відповідає дискретний спектр частот випромінюваних ними гамма-квантів. Гамма-промені є поперечними електромагнітними хвилями, такими самими, як радіохвилі, видиме світло чи рентгенівські промені. Вони є найбільш короткохвильо­вим видом електромагнітного випромінювання з усіх відо­мих, і відповідні їм довжини хвиль лежать у діапазоні приблизно від 10~" м до Ю" м.

Енергетичні стани атомних ядер і переходи ядер з од­ного стану в інший з поглинанням або випромінюванням енергії прийнято описувати за допомогою енергетич­них діаграм, аналогічних до енергетичних діаграм атомів (§ 98). На малюнку 217 зображена енергетична діаграма ядра ізотопу заліза — 2oFe^5e. Зверніть увагу, що при якісній схожості енергетичних діаграм атомів і ядер між ними є істотні кількісні відмінності. Якщо для пере­ведення атома з основного стану в збуджений потрібна енергія в кілька* електрон-вольт, то для збудження атом­ного ядра необхідна енергія порядку сотень тисяч чи

мільйонів електрон-вольт. Ця різниця обумовлена тим, що ядерні сили між нуклонами в ядрі значною мірою пере­вищують сили кулонівської взаємодії електронів з ядром. Здатність атомних ядер самодовільно переходити із станів з більшою енергією у стан з меншою пояснює похо­дження не лише гамма-випро­мінювання, а й радіоактив­ного розпаду ядер.

Багато закономірностей в ядерних спектрах можна пояснити, скориставшись так званою оболонковою моделлю будови атомного ядра. Згідно цієї моделі, нук­лони в ядрі не перемішані як завгодно, а, подібно до елект­ронів у атомі, розміщуються зв'язаними групами, запов­нюючи дозволені ядерні оболонки. При цьому протонні й нейтронні оболонки заповнюються незалежно одна від одної. Максимальні числа нейтронів: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82,126 і протонів: 2, 8, 20, 28, 50, 82 у заповнених оболон­ках дістали назву магічних. Ядра з магічними числами протонів і нейтронів мають багато чудових властивостей: підвищену питому енергію зв'язку, меншу ймовірність участі в ядерних взаємодіях, стійкість відносно радіо­активного розпаду тощо.

Перехід ядра з основного стану в збуджений і повер­нення назад, в основний стан, з точки зору оболонкової моделі, пояснюється переходом нуклона з однієї оболонки на іншу і назад.

Незважаючи на те, що оболонкова модель ядра мав значні достоїнства, вона не дає можливості пояснити вла­стивості усіх ядер в різних типах взаємодій. У багатьох випадках більш плідним є уявлення про ядро як краплю ядерної рідини, в якій нуклони зв'язані ядерними силами, кулонівськими силами і силами поверхневого натягу. Існують й інші моделі ядра, але жодна із запропонованих досі не може вважатися придатною у всіх випадках.