5.7. Строение атомного ядра

Ко времени открытия Э. Резерфордом атомного ядра были известны только две элементарные частицы микромира – протон и электрон. Предполагалось, что именно из них и состоит атом, причем его ядро составляют протоны. Однако протонно-электронная гипотеза столкнулась с серьезными трудностями, поскольку привела к несоответствию с экспериментальными данными относительно величины спина ядра азота (так называемая «азотная катастрофа»). После открытия английским физиком Джеймсом Чедвикомнейтронав 1932 г. сразу же была выдвинута идея о том, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов (Д. И. Иваненко), которая была развита В. Гейзенбергом. Вскоре гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра получило экспериментальное подтверждение. Начало бурно развиваться новое направление –ядерная физика.

В современной ядерной физике протон (p) и нейтрон (n) объединены одним названием –нуклон(N). Общее количество нуклонов в ядре называется массовым числом (А), число протонов равноположительному заряду ядра(Z) в единицах абсолютной величины заряда электрона, соответственно число нейтроновN =A –Z. Уядер-изотоповодинаковыеZ, но разныеАиN, уядер-изобародинаковыеА, но разныеZиN.

Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, которые являются проявлением самого интенсивного из известных видов взаимодействия. В частности, ядерные силы, действующие между протонами ядра, на два порядка интенсивнее, чем силы электростатического взаимодействия (отталкивания) между ними.

Размеры ядер определяются количеством содержащихся в них нуклонов. Для многонуклонных ядер (А>10) средняя плотность (количество в единице объема) нуклонов практически одинакова. Следовательно, объем ядра пропорционален числу нуклоновА, а линейный размер соответственно пропорционаленА^1/3. Отсюда эффективный радиус ядра определяется формулой:

R = aA^1/3,

где постоянная аимеет порядок радиуса действия ядерных сил (~10 ^{– 13} см).

Атомное ядро характеризуется чрезвычайно высокой плотностью вещества – около 10¹⁴г/см³ (для сравнения, плотность металлов не превышает 10³ г/см³). При этом плотность практически постоянна в центральной части ядра и экспоненциально убывает к его периферии. Предельный размер ядра (количество нуклонов) лимитируется радиусом действия сильного взаимодействия (ядерных сил), далее электростатическое отталкивание, которое спадает медленнее, приводит к распаду ядер. Размер ядер имеет порядок 10^–13см, что на пять порядков меньше размера атома.

Ядро атома, как типичная квантовая система, может находиться лишь в определенных дискретных квантовых состояниях, различающихся значениями энергии и другими постоянными физическими величинами. Наиболее важные квантовые характеристики ядерного состояния – спин ичетность.Спинядра (в единицах постоянной Планка) равен сумме спинов составляющих его нуклонов, поэтому он является целым числом для ядер с четнымчислом нуклоновА и полуцелым – для ядер с нечетнымА.Четностьсостояния определяет изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отражении (инверсии) пространства. Квантовое состояние системы имеет определеннуючетностьР = ±1, если эта система зеркально симметрична. В ядрах зеркальная симметрия незначительно, но нарушена из-заслабого взаимодействиямежду нуклонами, для которого характернонесохранение четности (см. ниже). Однако интенсивность слабого взаимодействия по порядку величины на ~10¹⁰ меньше основных ядерных сил. Поэтому смешивание состояний с разной четностью, обусловленное слабым взаимодействием, весьма мало и на структуре ядер практически не сказывается.