О

Гипотеза протонно-электронного строения ядер

ткрытие протона позволило построить сравнительно удобную модель ядра с массовым числом A и зарядовым числом Z. Предположение о том, что атомное ядро состоит из простейших ядер водорода и электронов, выдвинул А. Ван ден Брук еще в 1913 году сразу после того, как он установил, что заряд атомного ядра численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. В 1921 году Л. Мейтнер предложила модель строения атомных ядер из частиц, протонов и электронов. Но наибольшую популярность снискала высказанная М. Склодовской-Кюри и явившаяся развитием идеи Ван ден Брука гипотеза о том, что ядра атомов состоят из A протонов и (A – Z) электронов. В этой модели получил естественное объяснение факт пропорциональности атомных весов элементов массовому числу A и зарядов ядер – порядковому номеру Z. Казалось бы, протонно-электронную гипотезу строения ядер подтверждало и явление – распада, когда атомное ядро испускает электрон.

В июне 1920 года в одной из своих лекций Резерфорд, обсуждая природу продуктов ядерных реакций и исходя из гипотезы М. Склодовской-Кюри, предположил существование ядер с массами 2 и 3, а также ядра с массой 1, но с нулевым зарядом. «Кажется весьма правдоподобным, – писал Резерфорд, – что один электрон может связать два H – ядра и, возможно, даже одно H – ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и зарядом ядра, равным нулю. … Его внешнее поле практически должно быть равно нулю, за исключением областей, близко прилегающих к ядру; вследствие этого он должен обладать способностью свободно проходить через материю». Таким образом, Резерфордом была сформулирована гипотеза о существовании нейтрона.

Несостоятельность протонно-электронной модели строения ядер стала очевидной после открытия спина. Еще в 1924 году, до открытия спина, Паули предположил, что атомное ядро обладает магнитным моментом, взаимодействие которого с магнитным моментом электронной оболочки обусловливает сверхтонкую структуру оптических спектров. При этом чрезвычайная малость сверхтонкого расщепления свидетельствовала о том, что магнитный момент ядра примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона.

После открытия спина и последующих экспериментов, показавших, что протон, как и электрон, обладает спином ½, стало ясно, что ядра, состоящие из четного числа частиц, должны обладать целым спином, то есть подчиняться статистике Бозе-Эйнштейна, а ядра с нечетным числом частиц должны характеризоваться полуцелым спином и, соответственно, подчиняться статистике Ферми-Дирака.

В 1929 году В. Гайтлер и Г. Герцберг установили, что ядра азота подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Согласно же протонно-электронной теории строения ядра, ядро азота, состоящее из 21 частицы (14 протонов и 7 электронов) должно было обладать полуцелым спином, т.е. подчиняться статистике Ферми-Дирака. Это противоречие осталось в истории физики под названием «азотной катастрофы».