строение ядра

1. Протонно-нейтронная модель ядра

1.1 Открытие нейтрона

1.1.1 Трудности электронно-протонной модели ядра

После опытов Резерфорда, теории Бора атома водорода и, наконец, создания квантовой теории атома водорода Шредингером и Гайзенбергом возникла ясная качественная картина устройства атомов. Атом состоит из ядра и движущихся около него электронов. Экспериментальные методы исследования атомных спектров давали богатый материал для изучения электронного строения атома. Темным пятном было устройство ядра.

Первая модель ядра основывалась на знании только двух элементарных частиц  электрона и протона (до 1932 г.). Протоны впервые были получены Резерфордом в реакции (1) Эта реакция состояла в том, что -частица (ядро атома гелия) налетала на ядро атома азота. В результате чего рождался изотоп кислорода и еще одна частица. Наблюдение треков в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, позволило отождествить эту частицу с ядром атома водорода  простейшим из всех ядер.

В соответствии с этими знаниями предполагалось, что ядра атомов состоят из протонов и электронов. Согласно этой модели атом азота, например, состоял из 7 электронов в электронной оболочке, 14 протонов в ядре и 7 ядерных электронов. Такое представление подкреплялось открытием -распада ряда ядер. В результате -распада из ядра вылетал электрон. Но модель стала неприемлемой после открытия существования двух типов тождественных частиц  фермионов и бозонов  и открытия их свойств. По электронно-протонной модели выходило, что атом азота должен быть бозоном, а опытные данные говорили, что он является фермионом. Также не удавалось объяснить значения магнитных моментов атомов и ядер. Кроме того, появилось много опытных данных об излучении ядрами рентгеновских фотонов. Оказалось, что аналогично спектрам излучения атомов, спектры излучения ядер являются линейчатыми, то есть составляющие ядра частицы находятся в состояниях с определенными значениями энергии. Но вот изучение энергетических спектров электронов, возникающих в результате -распада, показало, что эти спектры непрерывны, и объяснить происхождение этих электронных спектров не удавалось. Ядерный электрон, как и другие частицы ядра, должен был находиться на энергетическом уровне. Вылетающие в результате -распада электроны также должны были бы иметь определенную энергию, чего не происходило.

1.1.2 Опыты Чедвика. Открытие нейтрона

В 1920 г. Резерфорд высказывал догадку о существовании нейтральной элементарной частицы, образованной в результате слияния электрона и протона. Для проведения экспериментов по обнаружению этой частицы в тридцатых годах в Кавендишскую лабораторию был приглашен Дж.Чедвик. Опыты проходили в течение многих лет. С помощью электрического разряда через водород получались свободные протоны, которыми бомбардировали ядра различных элементов. Расчет был на то, что удастся выбить из ядра искомую частицу и разрушить ее, и по трекам распадных протона и электрона косвенным образом зафиксировать акты выбивания.

В 1930 году Боте и Бекер при облучении -частицами бериллия обнаружили излучение огромной проникающей способности. Неизвестные лучи проходили через свинец, бетон, песок и т.д. Вначале предполагалось, что это жесткое рентгеновское излучение. Но такое предположение не выдерживало критики. При наблюдении редких актов столкновения с ядрами последние получали такую большую отдачу, для объяснения которой надо было предполагать необыкновенно высокую энергию рентгеновских фотонов.

Чедвик решил, что в опытах Боте и Бекера из бериллия вылетали те нейтральные частицы, которые он пытался обнаружить. Он повторил опыты, надеясь обнаружить теки нейтральных частиц, но безрезультатно. Треки не обнаруживались. Он отложил свои опыты.

Р ешающим толчком к возобновлению его экспериментов была опубликованная Ирен и Фредериком Жолио-Кюри статья о способности бе­риллиевого излучения выбивать протоны из парафина (январь 1932 г.). Учитывая результаты Жолио-Кюри, он модифицировал опыты Боте и Бекера. Схема его новой установки показана на рисунке 30. Бериллиевое излучение получалось при рассеянии -частиц на бериллиевой пластинке. На пути излучения помещался парафиновый блок. Было обнаружено, что излучение выбивает из парафина протоны.

Сейчас нам известно, что излучение из бериллия представляет собой поток нейтронов. Их масса практически равна массе протона, поэтому большую часть энергии нейтроны передают вылетающим вперед протонам. Выбиваемые из парафина и летящие вперед протоны имели энергию около 5,3 МэВ. Чедвик сразу отбросил возможность объяснения выбивания протонов эффектом Комптона, так как в этом случае приходилось предполагать, что рассеиваемые на протонах фотоны имеют огромную по тем временам энергию около 50 МэВ (в то время не были известны источники таких высокоэнергичных фотонов). Поэтому он сделал вывод, что наблюдавшееся взаимодействие происходит по схеме реакция Жолио-Кюри (2)

В этом опыте не только впервые наблюдались свободные нейтроны, это также первое ядерное превращение  получение углерода при слиянии гелия и бериллия.

1.1.3 Протонно-нейтронная модель ядра

С разу после открытия нейтрона независимо друг от друга Гайзенберг, Иваненко и Майорана предложили модель устройства ядра, согласно которой, ядро любого атома состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы в ядре притягиваются друг к другу силами неэлектрического происхождения (взаимо­действие называют адронным). Если бы электрического взаимодействия не было, то, как показывают эксперименты, протоны и нейтроны невозможно было бы отличить друг от друга. Это заставило физиков считать, что протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы – нуклона. В современных обозначениях ядер фигурирует информация о числе протонов Z и о полном числе нуклонов A. Например, ядро бериллия содержит всего 9 нуклонов. Из них  4 протона и 5 нейтронов. Полное число нуклонов в ядре A называют массовым числом. Число протонов в ядре Z равно порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе Менделеева. Число нейтронов N=AZ.

Протон-нейтронная модель ядра не сразу завоевала свое место под солнцем. В 1932  1933 годах считали, что она годится только для легких ядер, а, начиная с калия, в ядре имеются и электроны. Это считалось необходимым для объяснения -распада. Только после открытия рождения электрон-позитронных пар из фотонов космических лучей стало понятно, что -частицы (электроны) могут рождаться точно так же, как фотоны в момент распада возбужденного состояния атома.

Элементы, ядра которых отличаются только числами нейтронов, называются изотопами.

Упражнение. Определите составы изотопов лития и , и урана и .