Структура ядра

Ввиду того, что атомное ядро является носителем индивидуальности каждого атома, то, изменив структуру ядра, можно превратить один химический элемент в другой. Эту идею впервые осуществил Резерфорд в 1919 году. Использовав успешно проведенный им эксперимент по рассеянию для исследования структуры атома, он вновь применил этот эксперимент для исследования структуры ядра. При облучении альфа-частицами, испускаемыми ²¹⁴Po, газовой мишени из азота, было замечено, что на каждые 50000 актов взаимодействия регистрируется ядро водорода, которое было предложено назвать протоном. Таким образом, было подтверждено, что протон является, по крайней мере, одной из составных частей ядра.

Принимая во внимание, что уравнения ядерных реакций должны быть сбалансированы подобно химическим уравнениям, стало ясно, что Резерфорд наблюдал новое явление — ядерную реакцию, в результате которой первоначальные ядра ипревращаются в другие ядраи, то есть впервые наблюдалось искусственное превращение ядер — расщепление ядра азота на ядро водорода (протон) и ядро кислорода. Реакция может быть записана таким образом:

+→+(1.7)

Нижние индексы означают атомный номер или количество положительных зарядов в ядре, а верхние индексы — массовое число ядра.

В 1930 году Боте и Беккер при облучении альфа-частицами бериллиевой мишени обнаружили, что из бериллия исходят какие-то лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Проницаемость альфа-частиц, рентгеновских и гамма-лучей, по сравнению с ними была очень малой.

В 1932 году английский физик Дж. Чедвик и французские физики Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри показали, что возникающее при столкновении ядер гелия с ядрами бериллия жесткое излучение представляет собой поток частиц, не имеющих электрического заряда и обладающих массой, почти равной массе протона. Эти частицы были названы нейтронами. Стала понятной высокая проникающая способность нейтрона. Реакцию Боте и Беккера можно записать таким образом:

(1.8)

Это также реакция искусственного превращения ядер — расщепление ядра бериллия на ядро углерода и нейтрон.

С открытием нейтрона было получено достаточно данных о структуре ядра и ядерных реакциях, что позволило понять и объяснить большинство проблем радиационной защиты. Составные частицы ядра и их свойства приведены в таблице 1.3.

Составные частицы ядра

Таблица 1.3.

Свойства	Протон	Нейтрон
Заряд(е)	+1	0
Заряд(К)	1,6· 10-19	0
Масса(Кг)	1,673·10-27	1,675·10-27
Масса(а.е.м.)	1,00727	1,00866
Энергия покоя (МэВ)	938,25	939,56
Спин	1/2	1/2
Магнитный момент (я.м.)	+2,79	-1,91

Магнитный момент частицы характеризует поведение частицы в магнитном поле. Если магнитный момент частицы не равен нулю, то она будет ориентироваться вдоль внешнего магнитного поля. Так как заряд нейтрона равен нулю, то предполагалось, что его магнитный момент так же будет равен нулю. Величина магнитного момента -1,91 оказалась для физиков большой неожиданностью. Это означало, что хотя заряд нейтрона нулевой, в нем должны существовать равные количества отрицательного и положительного заряда, находящиеся на определенном расстоянии внутри нейтрона, что говорило о более сложной структуре нейтрона, чем ожидалось. Это явление объясняет современная теория кварков. Согласно этой теории нейтрон состоит из двух кварков с зарядом —1/3 е и одного кварка с зарядом +2/3 е. Положительный и отрицательный заряды и создают магнитное поле нейтрона.

В настоящее время установлено, что все ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается буквой Z. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N. Общее число протонов и нейтронов в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом, т.е.

A = Z+ N. (1.9)

Атомы, у которых одинаковые числа протонов Z. но различные числа нейтронов N, называются изотопами.

Установлено, что по отношению к ядерному взаимодействию протоны и нейтроны тождественны. В связи с этим им дано общее название — нуклоны. Нуклон в состоянии без электрического заряда называется нейтроном, нуклон в состоянии с электрическим зарядом называется протоном.