Глава XX. Атомное ядро и внутриядерные процессы

§ 138. Общие сведения об атомных ядрах. Изотопы

Исследование атомных ядер началось в XX в., причем наиболее интенсивно оно проводилось в последние десятилетия (с 30-х годов по настоящее время). Таким образом, ядерная физика является одним из самых молодых разделов физики. Тем не менее результаты, которые уже удалось получить в этой области, оказались исключительно важными в научном и практическом отношении. Достаточно указать хотя бы на то, что исследование ядер и внутриядерных процессов привело к открытию и практическому использованию ядерной энергии.

Согласно гипотезе, высказанной в 1932 г. Д. Д. Иваненко и являющейся теперь общепризнанной, в состав всех атомных ядер входит только два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны.

Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона элементарному заряду и массу покоя Нейтрон не имеет заряда; его масса немного больше массы протона: Протон принято обозначать буквой нейтрон — буквой общее название этих частиц — нуклоны.

Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода Следовательно, Таким образом,

В § 134 было показано, что заряд атомного ядра любого химического элемента, выраженный в элементарных зарядах, равен атомному номеру этого элемента. Но заряд ядра слагается из зарядов протонов; следовательно,

число протонов в атомном ядре элемента равно атомному номеру элемента:

Почти вся масса атома заключена в его ядре (см. § 132). Но масса ядра слагается из масс всех нуклонов, входящих в ядро. Тогда, согласно соотношению (1), сумма чисел протонов и нейтронов должна быть равна массовому числу атома, т. е. целому числу А, ближайшему к атомной массе (выраженной в а. е. м.): , или, учитывая формулу (2), Следовательно, число нейтронов в атомном ядре элемента равно разности между массовым числом и атомным номером элемента:

Таким образом, по массовому числу и атомному номеру химического элемента можно непосредственно определять число протонов и число нейтронов, содержащихся в атомном ядре этого элемента.

Атомные ядра химических элементов принято обозначать символом где X — символ элемента, А — массовое число, атомный номер. Например, означает атомное ядро гелия, — атомное ядро кислорода и т. п.

На рис. 375 схематически изображены ядра атомов водорода гелия лития и бора черными шариками представлены протоны, белыми — нейтроны.

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами.

Рис. 375

Так, например, у водорода имеется четыре изотопа: протий (легкий водород) дейтерий (тяжелый водород) тритий (сверхтяжелый водород) и недавно открытый четырехнуклонный водород, еще не получивший специального названия. Ядро протия (протон) состоит из одного протона ядро дейтерия (дейтон) из протона и нейтрона ядро трития (тритон) из протона и двух нейтронов ядро четырехнуклонного водорода из протона и трех нейтронов В соединении с кислородом дейтерий образует тяжелую воду тритий — сверхтяжелую воду

Тяжелая вода всегда содержится в природной воде, правда, в очень небольшом количестве — примерно может быть выделена из природной воды путем многократной перегонки или посредством электролиза (см. § 91). Сверхтяжелая вода встречается в совершенно ничтожных количествах (порядка в дождевой воде.

Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы как химические свойства, так и те физические свойства, которые обусловлены главным образом структурой электронной оболочки, Что касается физических свойств, обусловленных структурой ядра (массовое число, плотность, радиоактивность и т. д.), то они заметно различаются. Понятно, что это различие наиболее отчетливо выражено у самых легких химических элементов.

Из периодической системы Менделеева (см. в начале книги) видно, что атомные массы некоторых элементов значительно отличаются от целых чисел. В 1919 г. английский физик Астон с помощью масс-спектрографа (см. § 102) установил, что такие элементы представляют собой смесь нескольких изотопов. Это является главной причиной нецелочисленности атомных масс элементов; другая причина, связанная с так называемым дефектом массы, будет рассмотрена в § 142.

В настоящее время установлено, что большинство химических элементов, встречающихся в природе, представляет собой смесь изотопов. В частности, природный водород состоит на 99,985% из протия и на 0,015% из дейтерия.

Согласно теории Я. И. Френкеля, атомное ядро можно уподобить капле жидкости (капельная модель ядра). Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения — ядерными силами, подобно тому как молекулы в капле жидкости связаны между собой молекулярными силами сцепления.

Устойчивость атомных ядер большинства элементов говорит о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными очень близко друг от друга. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях — порядка см. При незначительном увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы уменьшаются до нуля и кулоновские силы разъединяют протоны (разрушают ядро).

Ядерные силы являются силами особого рода — не гравитационными и не электрическими. Их природа и свойства изучены еще недостаточно. В настоящее время наиболее вероятной считается мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами— мезонами (см. § 145).

Благодаря ядерным силам нуклоны столь тесно «упакованы» в ядре, что плотность вещества в атомных ядрах оказывается колоссальной. Определим порядок величины этой плотности. Будем считать ядро шарообразным, имеющим радиус

где А — число нуклонов в ядре (т. е. массовое число). Масса ядра равна сумме масс всех входящих в него нуклонов: Тогда

Таким образом, ядерного вещества весил бы около четырехсот миллионов тонн (1), тогда как одного из наиболее тяжелых химических

элементов — платины — весит всего лишь 22,5 грамма. Это сопоставление указывает на чрезвычайную ажурность структуры атомов, молекул и макроскопических объектов (тел).

Наиболее устойчивыми являются ядра легких элементов, состоящие из приблизительно одинакового числа протонов и нейтронов. У самых тяжелых элементов (расположенных в периодической системе после свинца), ядра которых состоят из большого числа нуклонов (с преобладанием нейтронов), ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Такие ядра могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра более легких элементов. Это явление носит название естественной радиоактивности.