§ 212. Нуклоны в ядре

Нет сомнения в том, что нуклоны расположены весьма плотно внутри атомного ядра. В разумном согласии с рядом экспериментальных данных находится следующая формула «радиуса»

Здесь массовое число, Формула установлена для тяжелых ядер, но нет сомнения в ее пригодности и для легких ядер. Если радиус ядра пропорционален кубическому корню из числа частиц, то объем ядра будет пропорционален первой степени числа частиц. Это обстоятельство заставляет полагать, что по крайней мере в грубом приближении нуклоны упакованы в ядре с однородной плотностью.

Разумеется, мы не можем построить геометрическую модель атомного ядра и определить траектории нуклонов в ядре, так как нуклоны имеют волновую природу.

В каком-то приближении можно представить себе, что каждый нуклон движется в поле всех остальных. У такого нуклона будет система энергетических уровней, которые можно заполнять последовательно, идя от легких ядер к более тяжелым. Наиболее низкий уровень, так же как и в случае электронов, не должен обладать вращательным импульсом. В соответствии с принципом Паули на этом самом низком уровне можно расположить два нейтрона и два протона, каждая пара с противоположными спинами, т. е. -частицу. Рассматривая аналогичным образом более тяжелые ядра, удается выделить и на следующих уровнях устойчивые группы частиц. Оболочечная модель ядра оказалась очень полезной для определения ряда свойств ядер и для объяснения степени распространенности изотопов.

Рассматривая состав атомных ядер, начиная от легких и идя к тяжелым, мы обращаем внимание на то, что число нейтронов в атомном ядре растет быстрее числа протонов и у весьма стабильного элемента свинца на 82 протона приходится 126 нейтронов. Это возрастание числа нейтронов объясняется необходимостью уравновесить все возрастающее электрическое отталкивание протонов.

Разумеется, нарушение равенства протонов и нейтронов в ядре несет за собой не только преимущества, но и недостатки. Действительно, при соблюдении этого равенства мы могли бы заполнять низкие уровни энергии максимальным числом частиц — ведь в одно состояние можно поместить два нейтрона и два протона согласно принципу Паули. Однако, поступая таким образом, мы слишком увеличили бы электрическое отталкивание и суммарная энергия не была бы минимальной. Очевидно, реальный случай представляет собой компромиссное решение, продиктованное двумя тенденциями. Явления -распада, столь широко наблюдаемые у искусственно радиоактивных элементов, представляют собой выбор оптимальной ситуации в указанном смысле. Если в ядре много протонов или много нейтронов, то положение дела поправляется излучением электрона или позитрона.