Ядро — центральная часть атома¶

Ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса и весь положительный электрический заряд. Диаметр ядра составляет порядка 10⁻¹⁴—10⁻¹⁵ метров, что на 4—5 порядков меньше диаметра атома в целом, однако в его объём помещается более 99,9 % массы атома. Ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами, которые значительно превосходят по интенсивности кулоновское отталкивание одноимённо заряженных протонов.

¶Состав и структура

Ядро атома характеризуется двумя основными числами: атомным номером Z (число протонов, определяющее химический элемент) и массовым числом A (сумма протонов и нейтронов). Нуклоны в ядре не неподвижны — они совершают сложные коллективные движения, что описывается оболочечной и капельной моделями ядра.

¶Основные характеристики

Плотность ядерного вещества практически постоянна для всех стабильных ядер и составляет около 2,3·10¹⁷ кг/м³ — величина, сопоставимая с плотностью вещества нейтронных звёзд.

¶Ядерные силы

Удержание протонов и нейтронов в ядре обеспечивают ядерные (сильные) взаимодействия. Их основные свойства:

• Краткодействующесть — сила резко падает на расстояниях, превышающих ~2—3 фемтометра;
• Независимость от заряда — одинаково действуют между протон-протон, протон-нейтрон и нейтрон-нейтрон парами;
• Насыщенность — каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими соседями;
• Кулоновское отталкивание между протонами растёт с числом Z и ограничивает размеры стабильных ядер.

Баланс притяжения ядерными силами и отталкивания кулоновского взаимодействия определяет существование области устойчивых ядер — «острова стабильности» на карте нуклидов.

¶Модели ядра

¶Капельная модель

Предложена Георгием Гамовым (1928) и развита Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером. Ядро рассматривается как капля однородной жидкости постоянной плотности. Модель успешно объясняет энергию связи по формуле Вайцзеккера, включающей объёмный, поверхностный, кулоновский, симметрии и парности члены, а также деление тяжёлых ядер.

¶Оболочечная модель

Развита Мария Гёпперт-Майер и Йенсом Хансеном Д. (Нобелевская премия 1963). Нуклоны движутся в среднесрочном поле остальных нуклонов и заполняют энергетические уровни, аналогичные электронным оболочкам атома. Магические числа 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 соответствуют заполненным оболочкам и обеспечивают особую устойчивость соответствующих ядер.

¶Ядерные процессы

¶Радиоактивный распад

Неустойчивые (радиоактивные) ядра могут распадаться с испусканием:

• α-частиц (ядер гелия-4) — типичен для тяжёлых элементов;
• β-частиц (электронов или позитронов) — сопровождается превращением нейтрона в протон или наоборот;
• γ-квантов — при переходе ядра из возбуждённого состояния в основное.

¶Деление

Тяжёлые ядра (уран-235, плутоний-239) под действием медленных нейтронов могут делиться на два более лёгких ядра с выделением энергии ~200 МэВ на акт и дополнительных нейтронов, способных вызвать цепную реакцию. Этот процесс лежит в основе работы ядерных реакторов и ядерного оружия.

¶Ядерный синтез

Объединение лёгких ядер в более тяжёлые сопровождается выделением энергии при синтезе элементов до железа-56 (максимум удельной энергии связи). Процессы синтеза происходят в недрах звёзд и при термоядерном взрыве. В России исследования управляемого термоядерного синтеза ведутся в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) и на установке «Глобус-2М» в Курчатовском институте.

¶Открытие ядра

Ядро было открыто Эрнестом Резерфордом в 1911 году по результатам эксперимента Гейгера — Марсдена: бомбардировка золотой фольги α-частицами показала, что значительная их часть проходит сквозь фольгу, но небольшая доля отражается под большими углами, что объяснялось наличием компактного положительно заряженного центра. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, завершив представление о нуклонной структуре ядра.

¶Применение знаний о ядре

• Энергетика — атомные электростанции, в России работает более 10 энергоблоков с реакторами ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 (АЭС «Ленинградская-2», «Нововоронежская-2», «Академик Ломоносов»);
• Медицина — радиоизотопная диагностика, лучевая терапия, производство медицинских изотопов;
• Наука — ядерная физика остаётся одним из ключевых направлений фундаментальных исследований, включая работы в Объединённом институте ядерных исследований (Дубна).

Источники:

• Б.Л. Иоффе, «Физика ядра», Издательство «Наука»
• А.И. Ахиезер, И.Я. Померанчук, «Ядерная теория»
• Г. Франц, «Введение в ядерную физику», издательство «Мир»
• Д. Холлиндей, «Ядерная физика», издательство «Мир»
• М.А. Пресняков, «Курс общей физики», издательство «Просвещение»