1. Состав, размер и характеристика атомного ядра. Работы Иваненко и Гейзенберга

Ядро атомное, центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Масса атомного ядра примерно в 4 х 10³ раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размеры атомного ядра составляют ~ 10^-12-10^-13 см. Электрический заряд положителен и по абсолютной величине равен сумме зарядов электронов нейтрального атома.

Общие характеристики атомное ядро Протон (р) и нейтрон (n) в ядре объединяются общим названием "нуклон". Число нуклонов в атомное ядро называют массовым числом А. Поскольку заряд ядра Z в единицах абсолютного заряда электрона е равен числу протонов, число нейтронов в атомное ядро равно: N = A — Z. Ядра-изотопы имеют одно и то же Z, но разные N, а ядра-изобары - одно и то же А, но разные Z и N.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называют ядерными. Они определяются самым интенсивным из всех известных в физике взаимодействиями (сильное взаимод.); для двух протонов в ядре, например, ядерные силы примерно в 100 раз превышают электростатическое отталкивание. Важным свойством ядерных сил является их независимость от заряда нуклона; взаимодействие двух протонов, двух нейтронов или протона и нейтрона одинаковы, если одинаковы состояния относительного движения этих пар частиц, а также спиновые состояния (см. ниже). Ядерные силы характеризуются определенным радиусом действия. Наибольший радиус действия составляет примерно 1,41 х 10^-13 см; в то же время зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами пока не установлена.

Размеры атомного ядра зависят от их массового числа. Средняя плотность распределения нуклонов для всех ядер с А > 10 практически одинакова, так что объем ядра пропорционален А, а его линейный размер пропорционален А^1/3. Эффективный радиус R ядра определяется равенством: R = аА^1/3, где постоянная а составляет величину (1,1-1,4) х 10^-13 см в зависимости от того, в каком физ. эксперименте измеряется R. Это равенство показывает, что Rменяется от 10^-13 до 10^-12 см. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет ок. 10¹⁴ г/см³. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии.

Для расщепления атомное ядро на отдельные нуклоны необходимо затратить энергию, наз. энергией связи ядра Е_св, определяемую соотношением:

E_CB = (Zm_p + Nm_n-M)c²,

где m_p, т_пи М - массы протона, нейтрона и ядра соотв.; с -скорость света.

В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил^[4]:

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон. После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер^[5], в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко^[6] и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. Эта гипотеза была полностью подтверждена всем последующим ходом развития ядерной физики и её приложений^[