СТРОЕНИЕ ЯДРА

Знание строения ядра поможет нам глубже понимать и правильно писать уравнения ядерных реакций.

Ядро — это центральная, положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса; заряд ядра определяет число и распределение электронов в электронной оболочке, порядковый номер элемента и физико-химические свойства.

Так, например, изобары имеют одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер и, следовательно, обладают различными свойствами.

Поэтому в настоящее время периодический закон Д. И. Менделеева формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.

Индивидуальность атома сохраняется до тех пор, пока сохраняется целость его ядра. Атом может потерять несколько электронов или может приобрести определенное количество электронов, но основная его индивидуальность при этом сохраняется. При изменении состава ядра изменяется и характер атома.

Размеры ядер атомов химических элементов несколько различаются между собой, но в среднем их радиус близок к величине см. Радиус атомов примерно составляет см (в 100000 раз больше).

Масса электрона очень мала и большая часть массы атома (0,999) сосредоточена в его ядре, а так как масса является мерой энергии, то в ядре сосредоточена почти вся энергия атома. Необходимо отметить огромную плотность вещества в ядре — около , причем плотность ядер всех атомов примерно одинакова.

Сложность ядра впервые с очевидностью обнаружилась в явлениях естественной радиоактивности. Было установлено, что некоторые, наиболее тяжелые, элементы периодической системы с порядковым номером 84 и более самопроизвольно разлагаются, непрерывно выделяя какое-то излучение. Опыты показали, что под воздействием магнитного или электрического поля в этом излучении можно обнаружить 3 части:

1) альфа-лучи — поток тяжелых -частиц, которые представляют собой ядра гелия с зарядом +2 и массовым числом 4, летящие со скоростью около 20000 км/сек;

2) бета-лучи — электроны , легкие, отрицательно заряженные частицы, летящие со скоростью около 270 000 км/сек;

3) гамма-лучи — обычные электромагнитные волны с длиной волны меньше, чем у рентгеновских лучей.

Искусственная радиоактивность (открытая И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри в 1934 г.) вполне аналогична естественной, но наводится благодаря облучению того или иного элемента. При искусственной радиоактивности очень часто вместо электрона вылетает позитрон.

В 1932 г. советские ученые Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон предложили протонно-нейтронную теорию строения ядра, которая получила всеобщее признание. Согласно этой теории, все ядра состоят из протонов и нейтронов (см. приложение 7). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе (Z); общая сумма протонов и нейтронов в ядре (общее число нуклонов) равно массовому числу (А) каждого изотопа данного элемента; число нейтронов (N) в ядре равно разности массового числа и числа протонов: N (число нейтронов)= А (массовое число) — Z (число протонов).

Ядра принято обозначать так: слева от символа элемента внизу пишут порядковый номер элемента, т. е. заряд ядра, а вверху массовое число атома, например:

Соотношение между числом нейтронов и числом протонов несколько изменяется с изменением величины Z в сторону увеличения числа нейтронов, колеблясь около 1 для первых 20 более легких элементов периодической системы (за исключением более легкого изотопа водорода, у которого имеется только 1 протон и нет нейтронов), а затем с 21 элемента постепенно увеличиваясь и доходя до 1,6 у тяжелого элемента урана, у которого 92 протона и 146 нейтронов.

Однако по мере увеличения числа протонов в ядре и нарастания сил отталкивания между ними, начиная с 84-ого элемента, ядра атомов становятся неустойчивыми (радиоактивными).

Для устойчивости ядра необходимо, чтобы отношение числа нейтронов к числу протонов в каждом конкретном случае находилось в определенных пределах. Если эти пределы нарушаются так, что протонов становится больше, чем полагается, то ядро становится радиоактивным и перестраивается, выбрасывая положительно заряженные частицы (позитроны или -частицы). Точно так же, если в ядре слишком много нейтронов, то ядро становится неустойчивым и перестраивается, выбрасывая электроны. Очевидно, выбрасывание электрона происходит в момент превращения в ядре нейтрона в протон, а выбрасывание позитрона — за счет превращения протона в нейтрон.

В настоящее время считают, что протон и нейтрон — это два различных состояния одной и той же частицы, и взаимопревращение их происходит по следующим схемам:

Следовательно, выбрасывание электронов радиоактивными элементами можно объяснить тем, что один из нейтронов, входящих в состав ядра, превращается в протон, электрон и антинейтрино, при этом две последние частицы вылетают наружу, а заряд ядра увеличивается на единицу.

В действительности, процессы по вышеуказанным схемам протекают более сложно.

Ядра атомов обладают очень большой прочностью.

Ядра любого атома состоят из определенного числа протонов и нейтронов. Если подсчитать массу протонов и нейтронов в ядре и сравнить ее с фактической (экспериментально определяемой) массой ядра, то получается некоторая разница в массе — «дефект массы» :

где Z — число протонов; — масса протона; (А — Z) — число нейтронов; — масса нейтрона; — масса ядра.

Произведем расчет для ядра гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Масса двух протонов =2,01514; масса двух нейтронов =2,01786. Отсюда дефект массы =0,03040. Эту убыль (уменьшение) массы при соединении свободных частиц в целостную связанную систему и называют дефектом массы.

Закон взаимосвязи массы и энергии выражается, как известно, формулой , где Е — энергия в эрг, m — масса в г, с — скорость света (). Отсюда, подставив в приведенную формулу 0,03040 г массы, получим или ккал.

Следовательно, дефект массы, происходящий при образовании 4 г атомных ядер гелия, должен сопровождаться выделением огромного количества энергии.

Энергия, которая выделилась при образовании ядра, называется энергией связи данного ядра . Если эту энергию связи отнести к 1 нуклону то получится так называемая удельная (средняя) энергия связи, которая показывает прочность связи нуклонов в данном ядре. Эту энергию нужно затратить, чтобы вырвать нуклон из ядра.

На сложную структуру ядра указывает факт существования изомерии искусственных радиоактивных ядер, открытый советским физиком И. В. Курчатовым.

Изомерия ядер выражается в том, что некоторые ядра, имеющие один и тот же заряд и одну и ту же массу, имеют в то же время разную продолжительность жизни.

Например, искусственный изотоп существует в двух изомерных формах: одна, обладающая бета-радиоактивностью, имеет период полураспада 18 мин; другая, испускающая -лучи, имеет период полураспада 4,5 ч; при этом вторая форма за счет -излучения переходит в первую.

Одна из структурных моделей ядра, предложенная Я. И. Френкелем и Н. Бором, называемая капельной моделью, основывается на аналогии ядерного вещества с каплей очень плотной жидкости. Эта аналогия оказалась довольно полезной и хорошо объясняет целый ряд особенностей ядер (в частности, деления атомных ядер), но все-таки еще многих свойств ядра она объяснить не может.

Существует и другая модель ядра, так называемая оболочечная модель ядра. Согласно этой модели, протоны и нейтроны последовательно, независимо друг от друга, заполняют наиболее низкие энергетические уровни ядерных оболочек, подобно тому, как электроны в атоме заполняют электронные оболочки. Ядра с заполненными протонными и нейтронными оболочками обладают наиболее устойчивой структурой.

Особенно высокой стабильностью отличаются ядра с числом нуклонов 2, 8, 20, 82 и 126.

Указанные числа получили название «магических». Если в ядре количество нуклонов равно одному из этих чисел, то в нем оболочки заполнены и оно исключительно прочно.

Ядра с магическим числом нуклонов широко распространены во Вселенной.

Оболочечная модель ядра лучше объясняет свойства ядра в нормальном (невозбужденном) состоянии; капельная модель лучше объясняет свойства ядер в возбужденном состоянии.

Предложена обобщенная (коллективная) модель ядра. Она учитывает не только индивидуальные для отдельных нуклонов, но и коллективные для всего ядра движения частиц и их совокупности. Движение и изменение состояния отдельных нуклонов передается всем ядерным частицам, что приводит к колебаниям поверхности ядра и вызывает его деформацию. Последняя приводит к резкому изменению свойств ядра и нарушению количественных характеристик, отражающих состояние ядерной симметрии.

Эта модель позволила объяснить такие особенности деления тяжелых ядер, которые были непонятны с точки зрения капельной модели ядра.