2.2 Протонно-нейтронный состав ядер

Выдающееся открытие Д. И. Менделеевым в 1869 году периодического закона изменения химических свойств элементов послужило руководящей нитью в исследовании структуры атома. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева впервые нашли отражение сложность структуры атома и значимость массового числа А и порядкового номера Z элемента.

В 1911 году Э. Резерфорд обнаружил существование атомного ядра и обосновал планетарную теорию строения атома, согласно которой, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг ядра электронов, компенсирующих заряд ядра.

В 1913 году Нильс Бор выдвинул квантовую теорию строения электронных оболочек атомов. В последующие годы модель атома Резерфорда- Бора уточнялась и конкретизировалась.

Гипотеза Резерфорда была подтверждена экспериментально Гейгером и Марсденом по рассеянию альфа - частиц при прохождении через различные вещества. Установленный закон рассеяния альфа- частиц позволял определять величину заряда ядер атомов данного элемента, так как интенсивность рассеяния зависит от квадрата заряда ядра. Заряды ядер были впервые определены именно методом рассеяния альфа- частиц, и в результате этой работы было высказано предположение, что номер элемента в периодической системе равен заряду ядра атома, выраженному в единицах заряда электрона. Впоследствии это предположение было подтверждено Мозли, который исследовал рентгеновские спектры элементов. В 1932 г. Д. Иваненко и одновременно с ним В. Гейзенберг впервые высказали предположение, что атомные ядра всех химических элементов имеют сложное строение и состоят из элементарных частиц двух типов: протонов и нейтронов. Вместе протоны и нейтроны атомного ядра называют нуклонами (т.е. ядерные частицы nucleus).

Важнейшими характеристиками протонов и нейтронов, как и других элементарных частиц, являются: масса покоя, заряд, спин (собственный механический момент движения) и среднее время жизни.

Протон (р) несет положительный электрический заряд, по абсолютному значению равный элементарному электрическому заряду. Нейтрон(n) - также элементарная частица, масса которого лишь на 0.1% больше массы протона, а электрический заряд равен нулю. Массы протона и нейтрона выражаются в атомных единицах массы (а.е.м.) 1а.е.м. равна 112 массы изотопа углерода^-12 и составляет [(1,660350,0003)10^-24г]:

m_p = 1,00728а.е.м. = 1,672∙10^-27кг = 1836 m.е.

m_n = 1,00866а.е.м. = 1,675∙10^-27к = 1838 m.e.

Протон - стабильная частица – представляет собой ядро атома водорода и не изменяет своих свойств во времени.

Нейтрон - вне ядра не стабилен и самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино:

n = p⁺ + e^- +

И протон, и нейтрон обладают собственным моментом количества движения ( спином), равным в единицах .

Кроме механического момента, протон обладает собственным магнитным моментом: _0 =  (магнетон Бора), который имеет положительный знак и направлен в ту же сторону, что и спин. Оказалось, что измеренный собственный магнитный момент протона в 2,8 раза больше теоретического.

Еще большей неожиданностью оказалось наличие магнитного момента у нейтрона, так как в целом он не имеет электрического заряда.

Объяснение того, что собственный магнитный момент протона почти в 3 раза больше теоретического, а у нейтрона обнаружен магнитный момент, следует искать в их собственной структуре, которая как оказалось только относительно элементарна.

Как показали эксперименты по рассеянию очень быстрых электронов, атомными ядрами нуклоны имеют сложную внутреннюю структуру и не могут претендовать на роль истинно элементарных (бесструктурных) частиц. Согласно теории Юкавы основная часть массы нуклона (например, у нейтрона-75%) содержится в «ядре» большой плотности и радиусом около 2.10^-16 м. «Ядро» окружают концентрические оболочки (мантии), образованные двумя быстрыми р – мезонами. Протон и нейтрон содержат положительный и отрицательный электрические заряды; в нейтроне они оба представлены в равных количествах, поэтому средний заряд нейтрона равен нулю, в протоне же имеется излишний положительный заряд.

Рис. Юкава