Атомное ядро и его строение¶

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и положительный электрический заряд. Ядро состоит из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны), удерживаемых сильным взаимодействием. Размеры ядра составляют порядка 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м, что в десятки тысяч раз меньше размеров самого атома (около 10⁻¹⁰ м). Именно заряд ядра определяет место химического элемента в периодической таблице и число электронов в нейтральном атоме.

¶Состав и характеристики

Основные характеристики ядра:

• Зарядовое число (Z) — число протонов; равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и определяет заряд ядра, равный +Ze, где e — элементарный заряд.
• Массовое число (A) — суммарное число протонов и нейтронов. Число нейтронов N = A − Z.
• Изотопы — ядра одного элемента с одинаковым Z, но разным числом нейтронов. Например, у водорода известны протий (¹H), дейтерий (²H) и тритий (³H).
• Изобары — ядра с одинаковым массовым числом, но разными Z.

Масса ядра всегда меньше суммы масс отдельных нуклонов; разность называется дефектом массы и соответствует энергии связи (E = Δmc²). Удельная энергия связи максимальна у ядер средней массы (железо, никель) и падает как для лёгких, так и для тяжёлых ядер — это лежит в основе энергетики термоядерного синтеза и деления тяжёлых ядер.

¶История открытия

В 1904 году Джозеф Джон Томсон предложил модель атома, в которой положительный заряд распределён по всему объёму. В 1911 году Эрнест Резерфорд по результатам опытов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге установил, что положительный заряд сосредоточен в очень малой области — так появилась планетарная модель с ядром. В 1913 году Нильс Бор дополнил её квантовыми постулатами об орбитах электронов.

В 1919 году Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, а Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг независимо предложили протонно-нейтронную модель ядра, заменившую прежние представления о ядре из протонов и электронов. В том же году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри наблюдали искусственную радиоактивность.

¶Модели строения ядра

Единой исчерпывающей теории ядра не существует; применяются несколько моделей, каждая из которых описывает свой круг явлений.

¶Капельная модель

Предложена Нильсом Бором и Фрицем Калькаром (1936). Ядро рассматривается как капля заряженной жидкости: нуклоны удерживаются короткодействующими силами, аналогичными поверхностному натяжению. Модель хорошо описывает энергию связи, деление тяжёлых ядер и лежит в основе формулы Вайцзеккера.

¶Оболочечная модель

Развита Марией Гёпперт-Майер и Хансом Йенсеном (1949). Нуклоны заполняют дискретные энергетические уровни-оболочки, аналогично электронам в атоме. Заполненные оболочки соответствуют «магическим числам» (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), при которых ядра особенно устойчивы. Модель объясняет спины и магнитные моменты ядер.

¶Обобщённая и коллективные модели

Обобщённая модель объединяет капельный и оболочечный подходы, учитывая деформацию ядра. Коллективные модели описывают вращательные и колебательные состояния ядер.

¶Ядерные силы и устойчивость

Нуклоны удерживаются сильным взаимодействием — одним из четырёх фундаментальных. Его особенности: короткодействие (радиус порядка 10⁻¹⁵ м), насыщение (нуклон взаимодействует лишь с ближайшими соседями), заря́довая независимость (силы между p–p, n–n и p–n примерно равны). На больших расстояниях действует кулоновское отталкивание протонов, поэтому тяжёлые ядра с большим Z становятся неустойчивыми.

Стабильность ядер зависит от соотношения числа нейтронов и протонов. У лёгких элементов оно близко к 1, у тяжёлых достигает 1,5. Отклонение от «дорожки стабильности» ведёт к радиоактивному распаду.

¶Радиоактивность и превращения

Основные виды радиоактивного распада:

Кроме распада, возможны ядерные реакции: синтез лёгких ядер (термоядерные реакции в звёздах), деление тяжёлых ядер под действием нейтронов (основа ядерной энергетики), а также цепные реакции, лежащие в основе работы ядерных реакторов и ядерного оружия.

¶Энергия связи и ядерная энергетика

При делении ядра урана-235 выделяется около 200 МэВ на акт деления. Управляемая цепная реакция реализована в ядерных реакторах, где замедлители и поглотители нейтронов регулируют ход процесса. Первый в мире реактор запущен в 1942 году в Чикаго (Энрико Ферми); первая в СССР атомная электростанция — Обнинская — введена в 1954 году. Термоядерный синтез, идущий в недрах Солнца, пока не освоен в промышленных масштабах, хотя исследования ведутся в установках типа токамак.

¶Значение и применение

Знания о строении ядра лежат в основе:

• ядерной энергетики и ядерной медицины (диагностика, лучевая терапия, радиофармпрепараты);
• радиоуглеродного анализа и других методов датировки;
• ядерной физики элементарных частиц и астрофизики (нуклеосинтез во Вселенной);
• создания изотопов для науки, промышленности и сельского хозяйства.

Ядро остаётся объектом активных исследований: изучаются экзотические ядра, сверхтяжёлые элементы, кварк-глюонная плазма.

Источники: учебники по общей и ядерной физике, материалы по истории атомной физики, справочные данные о свойствах нуклидов.