Атомного ядра будову що таке atomnogo jadra stroenie значення

21.09.2015

атомного ядра будова —

Ядро являє собою центральну частину атома (див. також АТОМА БУДОВА). В ньому зосереджені позитивний електричний заряд та основна частина маси атома; в порівнянні з радіусом електронних орбіт, розміри ядра надзвичайно малі: 10-15-10-14 м Ядра всіх атомів складаються з протонів і нейтронів, які мають майже однакову масу, але лише протон несе електричний заряд. Повне число протонів називається атомним номером Z атома, який співпадає з числом електронів в нейтральному атомі. Ядерні частинки (протони і нейтрони), які називають нуклонами, утримуються разом дуже великими силами; по своїй природі ці сили не можуть бути ні електричними, ні гравітаційними, а по величині вони на багато порядків перевищують сили, які пов’язують електрони з ядром.

Перше уявлення про істинні розміри ядра давали досліди Резерфорда з розсіювання альфа-частинок на тонких металевих фольгах. Частки глибоко проникали крізь електронні оболонки і відхилялися, наближаючись до зарядженого ядра. Ці досліди явно свідчили про малих розмірах центрального ядра і вказали на спосіб визначення ядерного заряду. Резерфорд встановив, що альфа-частинки наближаються до центру позитивного заряду на відстань приблизно 10-14 м, а це дозволило йому зробити висновок, що такий максимально можливий радіус ядра.

На основі таких припущень Бор побудував свою квантову теорію атома, успішно объяснившую дискретні спектральні лінії, фотоефект, рентгенівське випромінювання і періодичну систему елементів. Однак у теорії Бора ядро розглядалося як позитивний точковий заряд.

Ядра більшості атомів виявилися не тільки дуже малі — на них ніяк не діяли такі засоби збудження оптичних явищ, як дугового іскровий розряд, полум’я і т. п. Вказівкою на наявність певної внутрішньої структури ядра стало відкриття в 1896 А. Беккерелем радіоактивності. Виявилося, що уран, а потім і радій, полоній, радону і т. п. випускають не тільки короткохвильове електромагнітне випромінювання, рентгенівське випромінювання і електрони (бета-промені), але і більш важкі частинки (альфа-промені), а вони могли виходити лише з масивної частини атома. Резерфорд використовував альфа-частинки радію в своїх дослідах по розсіюванню, які послужили основою формування уявлень про ядерну атомі. (В той час було відомо, що альфа-частинки — це атоми гелію, позбавлені своїх електронів; але на питання — чому деякі важкі атоми спонтанно випускають їх, відповіді ще не було, як не було і точного уявлення про розміри ядра.)

Відкриття ізотопів. Вимірювання мас «каналовых променів», проведені Дж.Томсоном, Ф. Астоном та іншими дослідниками за допомогою більш досконалих мас-спектрометрів і з більшою точністю, дали ключ до будови ядра, а також атома в цілому. Наприклад, вимірювання відношення заряду до маси показало, що заряд ядра водню, мабуть, являє собою одиничний позитивний заряд, чисельно дорівнює заряду електрона, а маса mp = 1837me, де me — маса електрона. Гелій міг давати іони з подвійним зарядом, але його маса в 4 рази перевищувала масу водню. Таким чином, висловлена раніше Ст. Праутом гіпотеза про те, що всі атоми побудовані з атомів водню, серйозно похитнувся.

Порівнюючи на своєму мас-спектрографі масу атома неону з відомими масами інших елементів, Томсон у 1912 несподівано виявив, що неону замість однієї відповідають дві параболи. Розрахунки мас частинок показали, що одна з парабол відповідає часткам з масою 20, а інша — з масою 22. Це стало першим свідченням того, що атоми певного хімічного елемента можуть мати різні масові числа. Оскільки виміряне (середня) масове число виявилося рівним 20,2, Томсон висловив припущення, що неон складається з атомів двох типів, на 90% за масою 20 і на 10% з масою 22. Оскільки обидва типу атомів у природі існують у вигляді суміші і їх не можна розділити хімічним шляхом, масове число неону виявляється рівним 20,2.

Наявність двох типів атомів неону наводило на думку про те, що та інші елементи можуть представляти собою суміші атомів. Наступні мас-спектрометричні вимірювання показали, що більшість природних елементів являють собою суміші від двох до десяти різних сортів атомів. Атоми одного і того ж елемента з різною масою називають ізотопами. У деяких елементів існує тільки один ізотоп, що вимагало теоретичного пояснення, як і факт різної поширеності елементів, а також існування радіоактивності лише у певних речовин.

У зв’язку з відкриттям ізотопів виникла проблема стандартизації, оскільки хіміки раніше вибрали в якості стандарту «кисень» (16,000000 атомних одиниць маси), що опинився сумішшю чотирьох ізотопів. У підсумку було вирішено встановити «фізичну» шкалу мас, в якій найбільш поширеній изотопу кисню приписувалося значення 16,000000 а.е.м. Однак в 1961 між хіміками і фізиками було досягнуто угоду, згідно з якою найбільш поширеній изотопу вуглець-12 були приписані 12,00000 а.е.м. Оскільки число атомів в 1 молі ізотопу дорівнює числу Авогадро N0, отримуємо

Відзначимо, що в атомну одиницю маси входить маса одного електрона, а маса самого легкого ізотопу водню майже на 1% більше 1 а.е.м.

Відкриття нейтрона. Відкриття ізотопів не прояснило питання про будову ядра. До цього часу були відомі лише протони — ядра водню і електрони, а тому природною була спроба пояснити існування ізотопів різними комбінаціями цих позитивно і негативно заряджених частинок. Можна було б думати, що ядра містять А протонів, де А — масове число, і А?Z електронів. При цьому повний позитивний заряд збігається з атомним номером Z.

Така проста картина однорідного ядра спочатку не суперечила висновку про малих розмірах ядра, вытекавшему з дослідів Резерфорда. «Природний радіус» електрона r0 = e2/mc2 (який виходить, якщо прирівняти електростатичну енергію e2/r0 заряду, розподіленого по сферичній оболонці, власної енергії електрона mc2) становить r0 = 2,82?10-15 м. Такий електрон досить малий, щоб перебувати всередині ядра радіусом 10-14 м, хоча помістити туди велике число частинок було б важко. У 1920 Резерфорд та інші вчені розглядали можливість існування стійкої комбінації з протона і електрона, відтворюючої нейтральну частинку з масою, приблизно рівній масі протона. Однак із-за відсутності електричного заряду такі частинки піддавалися б виявленню. Навряд чи вони могли б і вибивати електрони з металевих поверхонь, як електромагнітні хвилі при фотоефекті.

Лише через десятиліття, після того як природна радіоактивність була глибоко досліджена, а радіоактивне випромінювання стали широко застосовувати, щоб викликати штучне перетворення атомів, було надійно встановлено існування нової складової частини ядра. У 1930 Ст. Боте і Р. Беккер з Гісенського університету проводили опромінення літію та берилію альфа-частинками і з допомогою лічильника Гейгера реєстрували виникає при цьому проникаюче випромінювання. Оскільки на це випромінювання не чинили впливу електричні і магнітні поля і воно володіло великою проникаючою здатністю, автори прийшли до висновку, що випускається жорстке гамма-випромінювання. У 1932 Ф. Жоліо і В. Кюрі повторили досліди з берилієм, пропускаючи таке проникаюче випромінювання через парафіновий блок. Вони виявили, що з парафіну виходять протони з незвично високою енергією, і зробили висновок, що, проходячи через парафін, гамма-випромінювання в результаті розсіювання породжує протони. (У 1923 було встановлено, що рентгенівські промені розсіюються на електронах, даючи комптоновский ефект.)

Дж.Чедвік повторив експеримент. Він також використовував парафін і з допомогою іонізаційній камери (рис. 1), в якій збирався заряд, що виникає при вибиванні електронів з атомів, вимірював пробіг протонів віддачі.

Чедвік використовував також газоподібний азот (в камері Вільсона, де вздовж сліду зарядженої частинки відбувається конденсація водяних крапельок) для поглинання випромінювання і вимірювання пробігу атомів віддачі азоту. Застосувавши до результатів обох експериментів закони збереження енергії та імпульсу, він прийшов до висновку, що виявлене нейтральне випромінювання — це не гамма-випромінювання, а потік частинок з масою, близькою до маси протона. Чедвік показав також, що відомі джерела гамма-випромінювання не вибивають протонів.

Тим самим було підтверджено існування нової частинки, яку тепер називають нейтроном. Розщеплення металевого берилію відбувалося наступним чином:

Альфа-частинки 42He (заряд 2, масове число 4) стикалися з ядрами берилію (заряд 4, масове число 9), у результаті чого виникали вуглець і нейтрон.

Відкриття нейтрона стало важливим кроком вперед. Спостережувані характеристики ядер тепер можна було інтерпретувати, розглядаючи нейтрони і протони як складові частини ядер. На рис. 2 схематично показана структура декількох легких ядер.

Нейтрон, як тепер відомо, на 0,1% важче протона. Вільні нейтрони (поза ядра) зазнають радіоактивний розпад, перетворюючись на протон і електрон. Це нагадує про первісної гіпотези складовою нейтральної частинки. Однак всередині стабільного ядра нейтрони пов’язані з протонами і мимоволі не розпадаються.

Ядерна зв’язок. Первісне припущення Праута про те, що всі атомні маси повинні бути цілими кратними маси атома водню, дуже близько до істини, зокрема, стосовно до ізотопів. Відхилення дуже малі, завжди не більше 1%, а в більшості випадків не більше 0,1%. Детальне вивчення мас ізотопів доведена до найвищого ступеня досконалості: похибка вимірювання в даний час, як правило, не перевищує декількох мільйонних.

Встановлено, що число нейтронів приблизно співпадає з числом протонів в атомі, тобто

насправді в більш важких ядрах є деякий надлишок нейтронів. Оскільки нейтрон не заряджений, сили, що утримують нейтрони і протони в ядрі, за своєю природою не є електростатичними; крім того, однойменні заряди відштовхуються. Те обставина, що ядра дуже важко розщепити, вказує на існування великих сил ядерного тяжіння. Незважаючи на дещицю відстаней, гравітаційне притягання між нуклонами все ж занадто слабко, щоб забезпечити стабільність ядра.

Згідно Ейнштейну, повна енергія ізольованої системи зберігається, а маса є однією з форм енергії: E = mc2. Щоб розщепити таку пов’язану систему, як ядро стабільного атома, на складові її нейтрони і протони, їй необхідно надати енергію. Це означає, що маса нейтронів і протонів перевищує масу ядра на величину

?M = ZMp + NMn — MA,Z,

де Mp і Mn — маси вільного протона і нейтрона, а MA,Z — маса ядра з зарядом Z і масовим числом А. Ця різниця мас, виражена в одиницях енергії, називається енергією зв’язку. Коефіцієнт для перерахунку такий:

1 а.е.м. = 931,14 Мев,

де 1 Мев = 106 ев. Таким чином, енергія зв’язку EB = ?Mc2 є енергія, необхідна для розщеплення ядра на окремі нейтрони і протони.

Середня енергія зв’язку, яка припадає на один нуклон, EB/A, досить регулярно змінюється з збільшенням числа нуклонів у ядрі (рис. 3). Самим легким ядром після протона є дейтрон 21H, розщеплення якого вимагає енергії 2,2 Мев, тобто 1,1 Мев на нуклон. Альфа-частинка 42He пов’язана набагато сильніше, ніж її сусіди: її енергія зв’язку становить 28 Мев. У ядер з масовим числом, що перевищує 20, середня енергія зв’язку, яка припадає на один нуклон, залишається майже постійною, рівною приблизно 8 Мев.

Енергія зв’язку ядер на багато порядків величини перевищує енергію зв’язку валентних електронів в атомі і атомів в молекулі. Щоб видалити з атома водню його єдиний електрон, достатньо енергії 13,5 ев; для видалення внутрішніх електронів у свинці, пов’язаних найбільш міцно, необхідна енергія, рівна 0,1 Мев. Отже, всі ядерні процеси пов’язані з енергіями, що значно перевищують ті, з якими ми маємо справу у звичайних хімічних реакціях або при звичайних температурах і тисках.

Природна радіоактивність. З явища природної радіоактивності почалася ядерна фізика. Альфа-, бета — і гамма-випромінювання, що випускаються ураном, мають ядерну походження, тоді як оптичні і рентгенівські спектри відповідають електронній структурі атома. Альфа-частинки виявилися ядрами гелію. Бета-частинки за своїм зарядом і масою ідентичні електронам оболонки атома, однак їх ядерне походження було чітко продемонстровано зміною заряду розпадається ядра. Крім того, енергія гамма-випромінювання значно перевищує енергію, яку можуть випромінювати електрони із зовнішньої оболонки атома, отже, це проникаюче випромінювання має ядерну походження.

Деякі зустрічаються в природі елементи з великим атомним номером (уран, торій, актиній) мають радіоактивні ізотопи, внаслідок розпаду яких утворюються інші радіоактивні ізотопи (такі, як радій), а в кінцевому підсумку-стабільний свинець. Час життя «батьківського» ізотопу в кожному випадку можна порівняти з віком Землі, який оцінюється в 10 млрд. років. Передбачається, що в період утворення Землі існувала велика кількість радіоактивних речовин, однак короткоживучі елементи вже давно перетворилися в стабільні кінцеві продукти. Можливо, деякі з ізотопів, які називають «стабільними», насправді розпадаються, проте їх періоди розпаду («часи життя») настільки великі, що існуючими методами їх не вдається виміряти.

Важлива роль радіоактивності у фізиці ядра пов’язана з тим, що радіоактивне випромінювання несе інформацію про типи частинок і енергетичних рівнів ядра. Наприклад, випущення альфа-часток з ядра і відносна стійкість освіти з двох протонів і двох нейтронів побічно вказує на можливість існування альфа-частинок усередині ядра.

Відмінність між природною і штучно наведеною радіоактивністю не дуже суттєво для розуміння будови ядра, однак вивчення природних радіоактивних рядів дозволило зробити важливі висновки щодо віку Землі і використовувати такі елементи як джерел бомбардують частинок задовго до того, як були винайдені прискорювачі частинок.

Штучне перетворення ядер. Досліди з природно-радіоактивними елементами показали, що швидкість радіоактивного розпаду не можна вплинути звичайними фізичними засобами: теплом, тиском і т. п. Таким чином, спочатку здавалося, що немає ефективного методу дослідження структури природно стабільних ізотопів. Проте в 1919 році Резерфорд виявив, що ядра можна розщеплювати, бомбардуючи їх альфа-частинками. Першим розщепленим елементом був азот, який у вигляді газу заповнював камеру Вільсона. Альфа-частинки, що випускаються ториевым джерелом, стикалися з ядрами азоту, поглиналися ними, в результаті чого випромінювались швидкі протони. При цьому відбувалася реакція

В результаті такої реакції атом азоту перетворюється в атом кисню. У цьому прикладі енергії зв’язку ядер аналогічні тепла, яке виділяється при хімічній реакції, хоча і значно перевищують його. Згодом аналогічні результати були отримані і з багатьма іншими елементами. Використовуючи різні методи, можна виміряти енергії і кути вильоту випускаються заряджених частинок, що забезпечує проведення кількісних експериментів.

Наступним кроком стало відкриття, зроблене Дж.Кокрофтом і Е. Уолтоном в 1932 році. Вони встановили, що штучно прискорені пучки протонів з енергією 120 кев (тобто значно меншою, ніж у альфа-частинок в дослідах Резерфорда) здатні викликати розщеплення атомів літію в процесі

Два ядра гелію (альфа-частки) одночасно вилітають в протилежні сторони. Причина, по якій ця реакція протікає при низькій енергії, полягає у міцному зв’язку альфа-частинок; при додаванні до маси протона ядра 7Li повідомляється енергія, яка майже рівнозначна масам двох альфа-частинок. Інша енергія, необхідна для протікання реакції, черпається з кінетичної енергії бомбардують протонів.

Всі відомі елементи і зустрічаються в природі ізотопи можуть бути «штучним» шляхом перетворені в сусідні елементи. Всі ці нові ізотопи виявляються радіоактивними, проте в результаті подальшого розпаду вони перетворюються в стабільні ізотопи. Були отримані нові елементи, аж до елемента з порядковим номером 103; всі вони виявилися радіоактивними з відносно коротким періодом напіврозпаду. В даний час відомо понад 1000 ізотопів.

Енергетичні рівні ядер і ядерні моделі. Вивчення ядерних реакцій переконливо продемонструвало існування енергетичних рівнів ядер. Ці рівні являють собою стану ядра з певною енергією, яким приписані певні квантові числа, як і енергетичним рівням атома (див. також АТОМА БУДОВА). За аналогією з оптичною спектроскопією дослідження випромінювань, що випускаються ядром при переходах між енергетичними рівнями, називається ядерної спектроскопією. Проте, як можна бачити з рис. 4, відстань між енергетичними рівнями ядер значно більше, ніж між електронними рівнями атомів, а до ядерних випромінювань, крім електромагнітного, відносяться також випромінювання електронів, протонів, альфа-часток і часток інших типів.

Про існування у ядра дискретних енергетичних рівнів свідчить те, що збудження ядра, що приводить до випущення випромінювання, відбувається лише при певних енергіях бомбардують частинок, а також те, що енергії випускаються частинок відповідають переходам між певними рівнями. Наприклад, можна виміряти число протонів, що утворюються при бомбардуванні бору-10 моноэнергетическими дейтронами в результаті реакції

і визначити їх імпульси по відхиленню в магнітному полі. Зареєстрований спектр протонів з мішені, що містить бор з домішками вуглецю, азоту і кремнію, і представлений на рис. 4. Гострі, різкі піки ясно показують, що енергія ядра квантується подібно енергії атома.

На рис. 5 наведена схема енергетичних рівнів ядра бор-11 (11В), причому енергії збудження виражені в Мев. Нерівномірність розподілу ядерних енергетичних рівнів, не характерна для розподілу атомних енергетичних рівнів, обумовлена більш щільною упаковкою ядер і більш сильним взаємодією частинок усередині ядра. З порушених рівнів, що відповідають ядра 10B бомбардируемому дейтронами з енергією 1,51 Мев, можуть відбуватися переходи на будь-який з рівнів, розташованих нижче, супроводжуються випусканням протонів. Якщо після випущення протона ядро 11В залишається у збудженому стані, воно може потім розпадатися, переходячи в наинизшее, «основне» стан з випусканням одного або декількох гамма-квантів.

В даний час послідовне і єдине пояснення причин виникнення енергетичних рівнів ядер відсутня, але є ряд теорій, що дозволяють пояснити деякі явища. Одна з них — «модель оболонок», яка, запозичивши з атомної фізики уявлення про оболонковому будову атома, застосувавши її до аналізу конфігурацій нейтронів і протонів всередині ядра.

У 1932 Дж.Бартлетт зауважив, що всі стабільні ядра, розташовані між 4He і 16О, відносяться до послідовності

4He + n + p + n + p +.

тоді як між 16О і 36Аг аналогічна послідовність набуває вигляду

16O + n + n + p + p + n + n +.

Він висловив припущення, що ці зміни в послідовності відображають порядок заповнення оболонок нейтронами і протонами. Принцип заборони Паулі діє в разі ядерних частинок точно так само, як і у випадку електронів, а в моделі оболонок він призводить до того, що на першій оболонці можуть знаходитися тільки два протони і два нейтрона, на другий — з шести обох часток (заповнена у 16О) і на третій з десяти (заповнена у 36Аг). Наявність періодичності в структурі ядер виявляється і далі, хоча і з деякими відступами. Існування певних «магічних чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82 і 126) нейтронів і протонів у ядрах, яким відповідають піки кривий енергії зв’язку, можна пояснити на основі модифікованої моделі оболонок (званою моделлю незалежних частинок), яка дозволяє правильно передбачати спини і магнітні моменти ядер. Наприклад, спини ядер з заповненими оболонками, як і передбачає ця модель, дорівнюють нулю. Однак незважаючи на багато гідності, наявні варіанти моделі оболонок все ж не пояснюють усіх ядерних явищ, що не дивно, зважаючи складної структури ядра.

Складене ядро і модель краплі. У більш важких ядрах число нуклонів настільки велике, що багато спостережувані закономірності поведінки цих ядер найкраще відтворюються моделлю краплі. Цю модель запропонував у 1936 р. Н.Бор, щоб пояснити великі часи життя збуджених ядер, що утворюються при захоплення повільних нейтронів. (В даному випадку під часом життя розуміється час з моменту порушення ядра до моменту втрати ним енергії збудження в результаті випущення випромінювання.) Часи життя виявилися в мільйон разів більше часу, необхідного нейтрону, щоб перетнути ядро (10-22 с). Це свідчить про те, що порушена ядро являє собою певну систему («складене ядро»), час існування якої набагато більше часу її утворення.

Бор висловив припущення, що ядерна реакція протікає у дві стадії. На першій падаюча частка входить в ядро-мішень, утворюючи «складене ядро», де в численних сутичках втрачає свою первісну енергію, розподіляючи її серед інших нуклонів ядра. В результаті ні в одній з часток не виявляється енергії, необхідної для вильоту з ядра. Друга стадія, розпад складеного ядра, відбувається через деякий час, коли енергія випадково сконцентрується на одній з частинок або загубиться у вигляді гамма-випромінювання. Вважається, що друга стадія не залежить від деталей механізму утворення складеного ядра. Вид розпаду визначається лише грою можливих варіантів.

В якості простої аналогії цій картині ядерної реакції Бор запропонував розглянути поведінку краплі. Між молекулами такий краплі діють сили, що зв’язують їх одне з одним і перешкоджають випаровуванню, поки не буде підведене тепло ззовні. Поява ще однієї молекули, що володіє додатковою кінетичної енергією, призводить в результаті її статистичного перерозподілу до збільшення температури краплі як цілого. Через деякий час випадкова концентрація енергії на який-небудь молекулі може призвести до її випаровуванню. Теорія Бора була детально розроблена і дозволила побудувати послідовну картину різноманітних ядерних реакцій, у тому числі реакцій під дією нейтронів і заряджених частинок проміжних енергій (аж до 100 Мев). Корисними виявилися запроваджені за аналогією поняття ядерної температури, питомої теплоємності і випаровування частинок. Наприклад, кутове розподіл «випарувалися» часток виявилося не залежать від напрямку падаючої частинки, тобто ізотропним, оскільки вся інформація про первісному напрямку втрачається на стадії існування складеного ядра.

Краплинна модель виявилась особливо цінною при поясненні явища поділу ядер, коли для розвалу ядра урану на дві приблизно рівні частини з великим виділенням енергії досить поглинання одного повільного нейтрона. Електростатичне відштовхування протонів викликає деяку нестабільність ядра, яка зазвичай перекривається за рахунок ядерних сил, що забезпечують енергію зв’язку. Але при підвищенні ядерної температури сферичної «краплі» в ній можуть виникнути коливання, в результаті яких крапля деформується в еліпсоїд. Якщо деформація ядра буде продовжуватися, то електростатичне відштовхування двох його позитивно заряджених половин може взяти гору, і тоді відбудеться його поділ.

Розміри і форма ядра. Вперше розміри ядра правильно оцінив Резерфорд, використавши для цієї мети розсіювання альфа-частинок. Його перші експерименти показали, що розміри зарядженої частини ядра — порядку 10-14 м. Більш пізні і більш точні експерименти дозволили встановити, що радіус ядра приблизно пропорційний А1/3 і, отже, густина ядерної речовини майже постійна. (Вона колосальна: 100 000 т/мм3.)

З відкриттям нейтрона стало ясно, що він являє собою ідеальний засіб дослідження ядра, оскільки нейтральні частинки, проходячи на значній відстані від ядра, не відчувають відхилення під дією заряду ядра. Іншими словами, нейтрон стикається з ядром, якщо відстань між їх центрами виявляється менше суми їх радіусів, а в іншому разі не відхиляється. Досліди з розсіювання пучка нейтронів показали, що радіус ядра (в припущенні сферичної форми) дорівнює:

R = r0A1/3,

де

r0. 1,4?10-15 м.

Таким чином, радіус ядра урану-238 дорівнює 8,5?10-15 м. Отримане значення відповідає радіусу дії ядерних сил; воно характеризує відстань від центру ядра, на якому зовнішній нейтральний нуклон починає вперше «відчувати» його вплив. Така величина радіуса ядра порівнянна з відстанню від центру ядер, на якому відбувається розсіювання альфа-часток і протонів.

Розсіювання альфа-частинок, протонів і нейтронів на ядрах обумовлено дією ядерних сил; отже, такі вимірювання радіусів ядер дають оцінку радіуса дії ядерних сил. Взаємодія ж електронів з ядрами майже повністю визначається електричними силами. Тому розсіяння електронів можна використовувати для вивчення форми розподілу заряду в ядрі. Експерименти з електронами високих енергій, проведені Р. Хофстедтером в Станфордском університеті, дали детальну інформацію щодо розподілу позитивного заряду по радіусу ядра. На рис. 6 представлено кутове розподіл розсіяних ядрами золота електронів з енергією 154 Мев. Верхня крива характеризує кутове розподіл, розраховане у припущенні, що позитивний заряд сконцентрований в точці; очевидно, що експериментальні дані цього припущення не відповідають. Набагато краще згода досягається в припущенні про рівномірний розподіл протонів по об’єму ядра (нижня крива). Однак «радіус заряду» виявляється приблизно на 20% менше радіуса «ядерних сил», отриманого на основі даних по розсіюванню нейтронів. Це може означати, що розподіл протонів в ядрі відрізняється від розподілу нейтронів.

Ядерні сили і мезони. Малий радіус дії ядерних сил вперше виразно виявився вже в дослідах Резерфорда з розсіювання. Альфа-частинки, наближалися до центру ядра до 10-14 м, випробовували дію сил, знак і величина яких відрізнялися від звичайного електростатичного відштовхування. Більш пізні експерименти з застосуванням нейтронів показали, що між усіма нуклонами існують великі короткодействующие сили. Ці сили відмінні від добре відомих електростатичних і гравітаційних сил, не зникають навіть на дуже великих відстанях. Ядерні сили є силами тяжіння, що прямо випливає з факту існування стійких ядер, всупереч електростатичного відштовхування знаходяться в них протонів. Ядерні сили між будь-якою парою нуклонів (нейтронів і протонів) — одні й ті ж; це показує порівняння енергетичних рівнів «дзеркальних ядер», що відрізняються один від одного тим, що в них протони замінені нейтронами і навпаки. В межах свого радіусу дії ядерні сили досягають дуже великої величини. Електростатична потенційна енергія двох протонів, що знаходяться на відстані 1,5?10-15 м один від одного, складає всього лише 1 Мев, що в 40 раз менше потенційної ядерної енергії. Ядерні сили виявляють насичення, оскільки даний нуклон в стані взаємодіяти лише з обмеженим числом інших нуклонів. Звідси швидкий початковий зростання (зі збільшенням А) середня енергія зв’язку, що припадає на один нуклон (рис. 3), і відносна сталість цієї енергії в подальшому. (Якщо б кожен нуклон взаємодіяв з усіма нуклонами в ядрі, то енергія зв’язку, яка припадає на один нуклон, весь час зростала б пропорційно А.)

Поки що немає задовільної теорії ядерних сил, і проблема інтенсивно вивчається експериментально і теоретично. Однак багато які ідеї, що лежать в основі «мезонной теорії ядерних сил», опублікованій в 1935 Г. Юкавой, опинилися в згоді з експериментальними фактами. Юкава висунув гіпотезу, що тяжіння, утримуюче нуклони всередині ядра, виникає завдяки наявності «квантів» якогось поля, аналогічні фотонам (світловим квантам) електромагнітного поля та забезпечують взаємодію електричних зарядів. З квантової теорії поля випливає, що радіус дії сили обернено пропорційний масі відповідного кванта; у разі електромагнітного поля маса квантів — фотонів — дорівнює нулю, радіус дії сил нескінченний. Маса квантів ядерного поля (названих «мезонами»), обчислена за експериментально вимірюваною радіуса дії ядерних сил, виявилася приблизно в 200 разів більше маси електрона.

Положення теорії Юкави зміцнилося після того, як К. Андерсон і С. Неддермейер відкрили у 1936 нову частинку з масою приблизно 200 електронних мас (нині іменується мюоном), яку вони виявили з допомогою камери Вільсона в космічних променях. (1932 Андерсон відкрив «позитрон», позитивний електрон.) Спочатку здавалося, що кванти ядерних сил знайдені, однак проведені потім експерименти виявили бентежний обставина: «ключ до ядерним силам» не взаємодіє з ядрами! Ця заплутана ситуація прояснилася лише після того, як в 1947 С. Пауелл виявив частку з відповідною масою, яка взаємодіє з ядрами. Ця частка (названа пі-мезоном, або піоном) виявилася нестабільною і мимовільно розпадалася, перетворюючись в мюон. Пі-мезон підходив на роль частинки Юкави, і його властивості були у всіх деталях вивчені фізиками, які використали для цих цілей космічні промені і сучасні прискорювачі.

Хоча існування пі-мезонів і підбадьорили прихильників теорії Юкави, на її основі виявилося досить важко правильно передбачити такі детальні властивості ядерних сил, як їх насичення, енергії зв’язку та енергії ядерних рівнів. Труднощі математичного характеру не дозволили точно встановити, що саме пророкує ця теорія. Ситуація ще більш ускладнилася після відкриття нових типів мезонів, які, як вважається, мають відношення до ядерних сил. См. також МОМЕНТИ АТОМІВ І ЯДЕР; ПРИСКОРЮВАЧ ЧАСТИНОК; ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ; РАДІОАКТИВНІСТЬ.

Короткий опис статті: будову атомного ядра

Джерело: атомного ядра будову що таке atomnogo jadra stroenie значення і тлумачення слова, визначення терміна

Також ви можете прочитати