Размеры атомных ядер

Первые представления о размерах ядра были получены Резерфордом при экспериментальном изучении рассеяния -частиц с энергией ~ 5 МэВ при прохождении через тонкие пленки золота. Наблюдалось, что некоторое количество -частиц рассеивается на очень большие углы , почти до 180º. На этом основании в 1911 г. Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома имеется область положительного электрического заряда, связанная с большой массой, сконцентрированной в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома). На основании закона Кулона для точечных зарядов можно вычислить наименьшее расстояние , на которое может подойти к центру ядра -частица, летящая точно по направлению к ядру (прицельный параметр b = 0). Для этого следует приравнять ее начальную кинетическую энергию к потенциальной энергии взаимодействия -частицы с ядром в момент ее полной остановки (в точке поворота):

. (1)

Формула (1) верна в предположении неподвижного ядра, когда масса ядра М (A,Z) >> – массы -частицы. Приняв кинетическую энергию -частицы равной 5 МэВ и положив Z = 79 (золото), получим = 4,5·10^{-12 см}. Естественным было принять эту величину за верхнюю оценку радиуса ядра золота.

Однако необходимо быть уверенным в том, что отбрасываемая в обратном направлении -частица не проникает в область положительного заряда атома, поскольку равенство (1) справедливо либо для точечных, либо для сферически симметричных не перекрывающихся зарядов конечных размеров. Тщательная проверка этого предположения была выполнена сотрудниками Резерфорда в 1913 г. и было установлено хорошее согласие экспериментальных результатов рассеяния -частиц с расчетами по формуле, полученной теоретически на основе закона Кулона. Оказалось, что закон Кулона имеет место для > 3·10^{-12 см}. Подобные эксперименты, выполненные двадцатью годами позже с -частицами, имеющими энергию в десять и выше МэВ (получены на ускорителях), показали, что когда расстояние между взаимодействующими частицами уменьшается до 10^-12см, наблюдаются резкие отклонения от закона Кулона, а на расстояниях, меньших 10^-12см, обнаруживается действие быстро убывающих с расстоянием сил притяжения, которые перекрывают действие кулоновских сил отталкивания.

В дальнейшем размеры ядер определялись разными способами:

1. оценка радиуса - радиоактивных ядер по постоянной -распада;

2. анализ полуэмпирической формулы для массы и энергии связи ядра;

3. исследование рентгеновского излучения -атомов;

4. изучение рассеяния быстрых нейтронов на ядрах;

5. измерение рассеяния быстрых электронов на ядрах.

Говоря о размерах ядра, нужно всегда иметь в виду, что это достаточно условная величина. Ядро, как квантовомеханическая система, не имеет определенной границы. Наиболее точными считаются оценки размеров ядра по результатам рассеяния ядрами быстрых нейтронов и электронов. Все опыты подтвердили предположения о приблизительно сферической форме ядра, радиус которого определяется через массовое число как

, (2)

где = (1,2 ÷ 1,4)·10^{-13 см.}

В опытах по рассеянию быстрых нейтронов на ядрах определяется не радиус ядра, а несколько большее значение радиуса области ядерного взаимодействия, поэтому = (1,3 ÷ 1,4)·10^{-13 см.}

При зондировании ядра быстрыми электронами (опыты Хофштадтера) определяется сфера радиуса R, в которой находятся протоны. Поэтому получают несколько меньшее значение = (1,2 ÷ 1,3)·10^{-13 см}.