Атомное ядро

Цепочка открытий, которые позволили заглянуть внутрь атомного ядра, сжатая до одной строки, выглядит так: атом → электрон → атомное ядро → частицы внутри ядра.

Последние шаги были сделаны после открытия радиоактивности, когда физики получили прекрасный инструмент для проникновения в глубь вещества — α-частицы, или ядра гелия (см. Альфа-распад).

Вот эти шаги.

1911 г. Э. Резерфорд на основании опытов по рассеянию α-частиц делает заключение о существовании атомного ядра. Это открытие показало, что вещество состоит в основном из... пустоты. Вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, размеры которого (10^-14 ÷ 10^-15 м) в 10⁴ ÷ 10⁵ раз (!) меньше, чем размеры облака легких отрицательных электронов.

1919 г. Эксперименты Резерфорда и его сотрудников по облучению α-частицами легких газов привели к расщеплению атомных ядер. Процесс сопровождался вылетом ядер водорода (протонов, как позднее назвал их Резерфорд). Тогда ученый приходит к выводу, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер.

1932 г. Английский ученый Дж. Чедвик открывает нейтрон, существование которого было предсказано Э. Резерфордом еще в 1921 г. Масса нейтрона оказалась очень близкой к массе протона. И в этом открытии важную роль сыграли α-частицы: нейтроны возникали при бомбардировке ими бериллиевой мишени.

После открытия нейтронов сразу и почти одновременно физики из разных стран предложили модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Такая модель позволяла хорошо объяснить наблюдаемые соотношения между массами и зарядами ядер. Например, ядра гелия, состоящие их двух протонов и двух нейтронов, имеют заряд, в 2 раза превышающий заряд протона, и массу, в 4 раза большую его массы. Для углерода это соотношение 6 и 12 и т. д. Нейтронно-протонная модель строения атомных ядер устранила многочисленные противоречия и трудности, имевшиеся в старой модели ядра, состоящего из протонов и электронов.

Внутри ядра протоны и нейтроны удерживаются особым видом сил — ядерными силами (см. Сильные взаимодействия). От более привычных нам электромагнитных сил они отличаются, во-первых, тем, что одинаково действуют на заряженный протон и не имеющий заряда нейтрон. (Когда хотят это подчеркнуть, то оба вида частиц называют нуклонами.) Во-вторых, ядерные силы проявляются только тогда, когда нуклоны находятся на малых расстояниях (~10^-13 м) друг от друга. На таких расстояниях величина их огромна, и они сжимают ядерное вещество до плотности в сотни миллионов тонн в 1 см³. В природе пока известны только одни макроскопические объекты, в которых вещество сжато до ядерных плотностей, — это нейтронные звезды.

Еще одна характерная особенность ядерных сил: из-за их короткого действия нуклоны чувствуют только ближайших своих соседей. В этом смысле ядро напоминает каплю воды, в которой молекулы взаимодействуют лишь с соседними молекулами, а частицы, находящиеся на поверхности капли, стремятся втянуться внутрь, создавая поверхностное натяжение.

Чтобы вырвать нуклон из ядра, требуется большая энергия. Для элементов средней части периодической системы она составляет около 8 МэВ. Но ядро не просто капля, а капля заряженная. С увеличением Z — числа протонов в ядре — силы электрического отталкивания увеличиваются, а ядерные силы остаются постоянными. Поэтому ядра с очень большим Z (Z > 100) становятся неустойчивыми, электрические силы разрывают их. Эта нестабильность ограничивает число элементов, встречающихся в природе, а кроме того, объясняет естественную радиоактивность тяжелых ядер (Z > 84).

Ядра с одинаковым Z называются изотопами, а с одинаковым полным числом нуклонов А — изобарами. Сейчас для ядер приняты следующие обозначения:

_A^Z (символ элемента).

Например, ₂⁴Не, ₂³Не — изотопы гелия (гелий-4 и гелий-3).

Стабильных изотопов известно около 350. Нестабильных, т. е. претерпевающих α- или β-распад, в природе немного. Они либо распадаются очень медленно, как, например, уран-238 (половина его атомов распадается примерно за 10¹⁶ лет), либо постоянно пополняются за счет действия космического излучения (углерод-14). А вот искусственных радиоактивных изотопов, получаемых на ускорителях и реакторах, известно более тысячи.

Хотя многое в теории обычных ядер еще не выяснено, исследователи думают также и о возможности существования «необычных» ядер — чисто нейтронных, сверхтяжелых, сверхплотных и т. п. Теория допускает такую возможность, но эксперименты пока не принесли положительных результатов.