Строение атомного ядра

Протон-электронная модель. Со времени открытия атомного ядра в 1911 году ведет начало ядерная физика, изучающая свойства ядер атомов. Что массы ядер примерно равны массам атомов и что с ядрами связано положительное электричество атома, стало известно сразу после открытия ядер. Самый легкий атом водорода, как показали опыты по его ионизации, а также закон Мозли и электронная теория атома водорода Бора, имеет один электрон, а также единичный заряд ядра. После обнаружения стабильных изотопов элементов стало ясно, что атомные массы изотопов с большой степенью точности представляют собой целые числа, если их выражать в единицах массы атома водорода, ядру самого легкого атома была, наконец, отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин – протон.

Экспериментальные данные о заряде ядра и массе ядра свидетельствовали о наличии в ядре нейтральной массы, которую в протон-электронной модели объясняли присутствием в ядре некоторого числа электронов, нейтрализующих часть протонных зарядов. Однако накапливающиеся данные измерений спинов и магнитных моментов ядер, а также квантовая теория вошли в непримиримое противоречие с этой моделью.

Протон-нейтронная модель. Проблема строения атомного ядра была решена в 1932 году, когда был открыт нейтрон. Немецкие физики Боте и Беккер, продолжая опыты Резерфорда по облучению альфа-частицами легких атомов и наблюдению реакций, обнаружили, что при облучении лития, бериллия или бора, появляется сильнопроникающее излучение, которое проходит через свинец легче, чем наиболее жесткое гамма-излучение, испускаемое естественным радионуклидом .

Новым излучением заинтересовались французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, которые открыли свойство излучения образовывать ядра отдачи с большой кинетической энергией. Если считать, что ядра отдачи возникают под действием гамма-квантов, то их энергия должна быть необъяснимо большой.

Природу загадочного явления раскрыл англичанин Чедвиг. Сначала, предполагая у новых нейтральных частиц магнитный момент, он безуспешно пытался зарегистрировать их слабые треки в камере Вильсона. А после обнаружил ядра отдачи не только водорода, но и азота. По вычислениям выходило, что новая частица должна была иметь массу, близкую к массе протона. Чедвиг дал название новой частице – нейтрон.

Анализ свойств новой частицы привел к заключению, что нейтрон, подобно протону, следует считать элементарной частицей с полуцелым спином. Это позволило сделать вывод, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Теоретический анализ показал также, что ядра с таким составом должны обладать устойчивостью. При этом устойчивость обеспечивается новым классом сил – ядерными силами, действующими между протонами и нейтронами. Таким образом, нейтрон стал третьей структурной частицей атома. В связи с тем, что в отношении ядерных взаимодействий обе структурные единицы ядра оказались одинаковыми, они получили одно общее название – нуклон. Таким образом, протон есть электрически заряженный нуклон, а нейтрон – это нуклон без электрического заряда.

Состав ядра. Предположение о протон-нейтронной структуре ядра подтверждается всей суммой экспериментальных данных, полученных для атомных ядер. В соответствии с этой моделью в состав ядра атома входит столько протонов, сколько элементарных электрических зарядов содержит ядро, и такое количество нейтронов, какое необходимо, чтобы в сумме с протонами образовать массу ядра. Полное число нуклонов в ядре называется массовым числом А. Атомные массы примерно равны массовым числам, а округленные до целых чисел – совпадают. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается буквой Z. Число нейтронов, таким образом равно разности A-Z.

Тема 2