Строение атомного ядра. Ядерные силы

На одном из прошлых уроков мы с вами рассматривали опыты Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц, на основании которых им была предложена ядерная модель атома. Согласно ей, в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома, а вокруг ядра по замкнутым траекториям вращаются электроны. Однако ещё долгое время для учёных оставался загадкой состав атомного ядра, хотя к 20-годам ХХ века физики уже не сомневались в том, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложную структуру.

  В настоящее время твёрдо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов −− протонов и нейтронов. Но обо всём по порядку.

Итак, первым, кто выдвинул теорию о том, что в состав ядер атомов всех химических элементов входит ядро атома водорода, был Эрнест Резерфорд. Он также дал название этой частице — протон, что в переводе с греческого означало первый, основной. Основанием для такого предположения стало то, что массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз. Чтобы подтвердить своё предположение Резерфорд в 1919 году поставил опыт по исследованию взаимодействия ядра атома азота с альфа-частицей.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер с источником альфа-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой, толщина которой подбиралась так, чтобы альфа-частицы не могли через неё проникнуть. За окном располагался экран, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа можно было наблюдать сцинтилляции (световые вспышки) в точках попадания на экран тяжёлых заряженных частиц.

При заполнении камеры азотом низкого давления на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, проникающих через фольгу, практически полностью задерживающую альфа-частицы.

Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что они обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода:

Такое совпадение зарядов двух не похожих друг на друга частиц — протона и электрона, вызывает удивление и остаётся одной из фундаментальных загадок современной физики.

Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из их ядер альфа-частицы выбивают протоны. Таким образом, показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

А так, как атом в целом электрически нейтрален, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке, которое определяется порядковым номером элемента в периодической системе элементов Менделеева. Его мы с вами будем называть зарядовым числом и обозначать большой латинской буквой Z. Ставится зарядовое число внизу перед буквенным обозначением элемента.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят только из них. Однако оно оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остаётся постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны.

Более того, при переходе к тяжёлым ядрам масса ядра растёт быстрее, чем его заряд. В связи с этим в 1920 году Эрнест Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жёстко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование — частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице — нейтрон. Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея, так как было доказано, что электрон не может входить в состав атомного ядра.

Однако идея о существовании тяжёлой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Джеймсом Чедвиком заняться её поиском. Лишь через 12 лет, в 1932 году, Чедвику удалось найти эту частицу.

Оказалось, что при облучении бериллия альфа-частицами возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть слой свинца толщиной до 20 см и не ионизирующее газ в счётчике Гейгера.

Так был открыт нейтрон — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда, с массой, практически равной массе протона:

Дальнейшие изучения свойств нейтронов показали, что они устойчивы только в ядре. В свободном же состоянии, то есть в не ядра, в течение примерно четырнадцати минут и сорока двух секунд нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино — нейтральную частицу.

Практически сразу же после открытия нейтрона советским физиком Дмитрием Иваненко и немецким учёным Вернером Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель строения атомного ядра, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Согласно этой модели, ядра всех химических элементов (за исключением водорода) состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов.

В соответствии с современными физическими представлениями протон и нейтрон являются двумя разными зарядовыми состояниями одной и той же частицы — нуклона (от латинского «нуклеус» — ядро). В состоянии без электрического заряда нуклон является нейтроном, а в состоянии с положительным электрическим зарядом — протоном. Ядра же атомов стали называть нуклидами.

Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают латинской буквой А. Оно ставится вверху перед буквенным обозначением химического элемента.

Из-за малости масс частиц в ядерной физике массовое число принято выражать не в килограммах, а в атомных единицах массы (сокращённо, а. е. м.) и округлять до целых чисел. Одна атомная единица массы (1 а. е. м.) равна 1/12 части массы атома углерода, что составляет порядка 1,66 ∙ 10^–27 кг.

Число нейтронов в ядре обозначают большой латинской буквой N. Нетрудно догадаться, что оно равно разнице между массовым и зарядовым числами:

N = A – Z.

В общем случае любой химический элемент периодической таблицы Менделеева можно представить в виде символа _Z^AX, где под иксом подразумевается символ химического элемента.

С помощью опытов по дифракционному рассеянию альфа-частиц на ядрах различных атомов было установлено, что все ядра, за исключением самых лёгких, имеют приблизительно шарообразную форму. Радиус этого шарика прямо пропорционален кубическому корню из массового числа: r ≈ r₀A^1/3 м. В этой формуле r₀ = 1,25 ∙ 10^–15 м — «постоянная» величина, которая изменяется на 0,2 фм в зависимости от рассматриваемого ядра.  Исходя из этого соотношения давайте с вами определим плотность числа частиц в ядрах атомов и массовую плотность ядерного вещества.

Следует обратить внимание на то, что плотность ядерного вещества не зависит от размеров ядра, так как объем ядра пропорционален массовому числу.

Отметим также то, что в ядрах одного химического элемента всегда содержится одно и то же количество протонов, а число нейтронов может быть различным. Например, в ядрах атома лития всегда содержится три протона, а вот число нейтронов колеблется от одного до десяти.

Впервые, на существование таких атомов обратил внимание Фредерик Содди в 1910 году. Он предложил называть такие разновидности атомов одного и того же химического элемента изотопами (что по-гречески означает «равноместные»), так как по своим химическим свойствам они должны быть помещены в одну и ту же клетку таблицы Менделеева.

Из всех известных на сегодняшний день изотопов (а они есть у всех химических элементов) только изотопы водорода имеют свои названия.

На основании многих экспериментов было установлено, что изотопы одинаково вступают в химические реакции и образуют одинаковые соединения. Это говорило о том, что химические свойства элементов определяются не атомной массой, а зарядовым числом ядра. Действительно, например, нуклиды трития () и гелия два-три () имеют близкие по величине атомные массы, но принципиально разные химические свойства.

Предложенная Иваненко и Гейзенбергом протонно-нейтронная модель строения ядра впоследствии была полностью подтверждена экспериментально и в настоящее время является общепризнанной. Однако эта модель породила ряд новых противоречий. Дело в том, между протонами, находящимися в ядре атома, действуют огромные силы электростатического отталкивания — порядка 230 Н, что, согласить, слишком много для частиц с массой порядка 10^–27 кг.

Причина устойчивости ядра кроется в существовании, кроме сил электростатического отталкивания между протонами, ядерных сил притяжения между нуклонами, которые примерно в 100 раз превышают кулоновские силы. Это самые мощные силы из всех сил, существующих в природе. Вследствие этого они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия — так называемого сильного взаимодействия.

Важной особенностью ядерных сил является их короткодействие: они заметно проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размерами ядра (10^–13— 10^–12 см). На бо́льших расстояниях преобладает действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

Многочисленные опытные данные также показали, что ядерные силы не являются центральными, а также то, что им присуща зарядовая независимость, то есть протоны и нейтроны в ядре взаимодействуют между собой и друг с другом совершенно одинаково.

Ядерные силы обладают и свойством насыщения. Иными словами, каждый нуклон в ядре взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а с их конечным числом — ближайшими соседями.

Ещё одной важной особенностью ядерных сил является то, что они являются так называемыми обменными силами. Они имеют квантовый характер, поэтому у них нет аналога в обычной физике.

Взаимодействие между нуклонами возникает вследствие обмена между ними некоторой третьей виртуальной частицей. Названа она была так, из-за того, что время её жизни чрезвычайно мало. Вследствие этого она не может быть обнаружена экспериментально.

В результате многолетних исследований в космическом излучении в 1947 году были обнаружены частицы, которые могут реализовать ядерное взаимодействие.

Их назвали π-мезонами или пионами. Их изучение показало, что масса пионов примерно в 280 раз больше массы электрона. Помимо этого, было обнаружено, что существует три вида пи-мезонов: положительные и отрицательные, время жизни которых порядка 26 нс и нейтральные, время жизни которых около 8,5 ∙ 10^–17 с. Таким образом, взаимодействие между однородными нуклонами осуществляется нейтральными пионами, а взаимодействие между различными нуклонами — заряженными π-мезонами.