Атомное ядро: состав и свойства¶

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса (более 99,9 %) и весь положительный электрический заряд. Ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, связанных между собой сильным взаимодействием. Размеры ядра составляют примерно 10−15–10−14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров самого атома (10−10 м).

¶Состав ядра

Ядро было открыто Эрнестом Резерфордом в 1911 году в ходе экспериментов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге. В 1932 году Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон, после чего Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг независимо предложили протонно-нейтронную модель ядра.

Ядро состоит из двух типов нуклонов:

• Протоны — стабильные частицы с положительным зарядом +1 (в единицах элементарного заряда) и массой около 1,0073 а. е. м.
• Нейтроны — электрически нейтральные частицы, масса которых чуть больше массы протона (около 1,0087 а. е. м.).

Число протонов в ядре определяет атомный номер элемента (Z) и его химические свойства. Число нейтронов (N) может варьироваться у атомов одного элемента, образуя изотопы. Суммарное число нуклонов A = Z + N называется массовым числом.

¶Ядерные силы

Устойчивость ядра обеспечивается сильным взаимодействием — одним из четырёх фундаментальных типов взаимодействий в природе. Ядерные силы обладают рядом особенностей:

• Короткодействие: радиус действия составляет около 10−15 м, то есть сравним с размерами ядра.
• Насыщение: каждый нуклон взаимодействует лишь с ограниченным числом соседей.
• Зарядовая независимость: силы между протоном и нейтроном, двумя протонами и двумя нейтронами примерно одинаковы (с учётом кулоновского отталкивания протонов).
• Обменный характер: взаимодействие осуществляется через обмен пионами (мезонами).

Природа ядерных сил объясняется в рамках квантовой хромодинамики: нуклоны состоят из кварков, а сильное взаимодействие между ними передаётся глюонами.

¶Свойства ядра

¶Масса и энергия связи

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность масс (дефект массы) переходит в энергию связи согласно формуле Эйнштейна E = mc². Энергия связи — это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны. Удельная энергия связи (на один нуклон) максимальна у ядер средней массы (около 8,7 МэВ для железа-56) и меньше у лёгких и тяжёлых ядер. Эта зависимость лежит в основе двух типов ядерных реакций — деления тяжёлых ядер и синтеза лёгких.

¶Размер и форма

Радиус ядра приближённо описывается формулой R = R₀A1/3, где R₀ ≈ 1,2–1,4 фм (1 фм = 10−15 м). Большинство ядер имеют форму, близкую к сферической, однако некоторые (особенно в области редкоземельных элементов) обладают вытянутой или сплюснутой формой (квадрупольная деформация).

¶Спин и магнитный момент

Ядро обладает собственным механическим моментом — спином, который складывается из спинов и орбитальных моментов нуклонов. Спин ядра определяет его магнитный момент, который используется в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).

¶Стабильность и радиоактивность

Стабильность ядра зависит от соотношения числа протонов и нейтронов. Для лёгких ядер стабильными являются ядра с примерно равным числом протонов и нейтронов. С ростом Z для компенсации кулоновского отталкивания протонов требуется больше нейтронов. Ядра, находящиеся за пределами полосы стабильности, являются радиоактивными и распадаются с испусканием альфа-, бета- или гамма-излучения.

Существуют магические числа нуклонов (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), при которых ядра обладают повышенной устойчивостью. Ядра с полностью заполненными оболочками называются дважды магическими (например, ⁴He, ¹⁶O, ⁴⁰Ca, ²⁰⁸Pb).

¶Модели ядра

Для описания свойств ядра используются несколько моделей:

• Капельная модель (Нильс Бор, 1936) — рассматривает ядро как каплю заряженной жидкости; хорошо описывает энергию связи и деление ядер.
• Оболочечная модель (Мария Гёпперт-Майер и Ханс Йенсен, 1949) — предполагает заполнение нуклонами дискретных энергетических уровней; объясняет магические числа и спины ядер.
• Обобщённая модель — сочетает капельную и оболочечную модели, учитывает коллективные движения нуклонов.

¶Значение

Изучение атомного ядра имеет фундаментальное значение для физики и прикладных областей. На свойствах ядер основаны ядерная энергетика (деление урана и плутония), термоядерный синтез (включая энергию Солнца), ядерная медицина (позитронно-эмиссионная томография, лучевая терапия), радиоизотопная датировка (углерод-14), а также ядерное оружие. Ядерные реакции используются для получения новых элементов таблицы Менделеева.

¶Источники

• Мухин К. Н. «Экспериментальная ядерная физика», т. 1.
• Широков Ю. М., Юдин Н. П. «Ядерная физика».
• Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Юдин Н. П. «Частицы и атомные ядра».