Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

личия УИЯ и УИд лежат в сотых, а для тяжелых атомов — в тысяч­ ных долях процента.

Относительные атомные веса изотопов близки к массовым чис­

Изучая внимательно таблицы масс изотопов, можно прийти к следующему важному выводу: масса ядер меньше суммы масс эле­ ментарных частиц, образующих ядро. Например, масса нейтрона 1,00888, масса протона 1,00807; масса двух нейтронов и двух про­ тонов равна 4,0339. В то же время масса атома гелия, который со­ стоит из двух нейтронов и двух протонов, не равна этой цифре, а равна 4,0038. Таким образом, масса ядра гелия меньше суммы масс, составляющих ядро частиц на величину 0,0301 атомной единицы, в тысячи раз превосходящую точность измерений.

Разность масс элементарных частиц, составляющих ядро, и массы ядра является важнейшим примером дефекта массы. Каж­ дому ядру соответствует определенный дефект массы.

Одним из важнейших выводов теории относительности является принцип эквивалентности массы и энергии (стр. 385). Этот принцип гласит: если система приобретает или теряет количество энергии Л<£\ то масса этой системы соответственно возрастает или умень­ шается на величину Л т = Д<£/са. Дефект массы ядра (с точки зрения этого принципа) получает естественное истолкование: он является мерой энергии связи ядерных частиц.

Поясним, что означает это утверждение. Под энергией связи в химии и физике понимают ту работу, которую надо затратить для того, чтобы эту связь полностью нарушить. Если бы удалось разде­ лить ядро на элементарные частицы, то, как сказано выше, масса системы возросла бы на величину дефекта массы Am; это значит с точки зрения закона Эйнштейна, что ядру была подведена энергия Д<£=с2 Д/п, которая и есть не что иное как энергия связи. Отсюда находим, что изменение массы на одну атомную единицу массы эк­ вивалентно изменению энергии на 1,6604-10~24• 9-102 0 э р г = 1,496 X X 10"3 эрг=931,8МэВ(1эВ = 1,602-10-1 2 эрг, I МэВ = 10е эВ). Поль­ зуясь этими цифрами и зная величины дефекта массы, можно без

к числу частиц ядра, т. е. величина c2kmlM. По оси абсцисс отло­ жено массовое число. Кривая показывает, что энергия связи на одну ядерную частицу сначала быстро, но не вполне закономерно воз­ растает, далее останавливается примерно на 8 МэВ и, наконец,

*)Эта цифра получится делением массы электрона в граммах на 1,6604- Ю -2 1 г;

ядер, мы обнаружим ряд интересных закономерностей. Прежде всего, у ядер, содержащих четное число протонов и четное число нейтронов, спин ядра равен нулю (Не, С1 2 , О1 0 ). Число нуклонов, кратное четырем, вообще играет, видимо, большую роль. Во многих случаях (но далеко не во всех) спин атомного ядра может быть полу­ чен следующим образом: отбрасываем ближайшее к М число, крат­

тельство: у ядер с четным М спин — целый или равен нулю, у ядер с нечетным М — кратен 1 / 2 .

Спины атомных ядер определяются по сверхтонкой структуре оптических спектров. Расщепление энергетических уровней, хотя и крайне незначительное, измеряется вполне уверенно. Расщепление происходит по той причине, что разным взаимным ориентациям

о применимости принципа Паули к протонам и нейтронам в ядре. Две тождественные частицы могут расположиться на одном уровне энергии лишь при условии антипараллельности спинов. Так как протон и нейтрон — разные частицы, то на одном уровне могут быть два протона и два нейтрона. В этой компактной группе со спином, равным нулю, мы узнаем ядро атома гелия (а-частицу).

Наличие спина означает наличие магнитного момента. Между вращательным импульсом L и магнитным моментом М должна су­ ществовать прямая пропорциональность. При этом магнитный момент может быть либо параллелен, либо антипараллелен спину.

Если спин частицы (сложной или простой) равен s, то магнитный

обобщением обсужденного на стр. 464 соотношения для электрона.

разные значения g. Так, например, ^-фактор нейтрона равен 3,8206, протона — 5,5791.

В элементарный магнетон входит масса частицы. Однако при­ нято пользоваться лишь двумя значениями магнетонов: магнето-

ном Бора для легких частиц и ядерным магнетоном (магнетоном, подсчитанным для протона) ц я д = ( 1/1836) Цв Для тяжелых. При­ веденные выше значения ^-фактора вычислены для (хя д .

Теории ^--факторов и магнитных моментов, связывающей эти свойства ядра с его структурой, не существует.

§ 211. Силы взаимодействия нуклонов

Основные сведения о ядерных силах можно получить, изучая рассеяние частиц. Уже из первых опытов Резерфорда по рассеянию а-частиц можно было сделать вывод о весьма малом радиусе дей­ ствия ядерных сил. Опыты Резерфорда объяснились количественно в предположении, что отклонение а-частиц является электрическим отталкиванием одноименно заряженных частиц. При этом теория совпадала с опытом и тогда, когда а-частица проходила почти вплот­ ную около рассеивающего ядра. Значит, достаточно двум ядерным частицам быть на самом небольшом расстоянии друг от друга, чтобы между ними действовали лишь электрические силы, а ядер­ ные уже не чувствовались бы.

Более непосредственный результат дают опыты по рассеянию нейтронов протонами. Для этого пучок нейтронов пропускают через водород, находящийся в газообразном состоянии. Опыт пока­ зывает, что лишь небольшая часть нейтронов встречается с ядрами атомов водорода. Что же касается рассеянных нейтронов, то они распределены равномерно по углам. Этот результат коренным обра­ зом отличается от картины рассеяния а-частиц, т. е. от рассеяния, происходящего благодаря электрическим взаимодействиям, где отклонение есть всегда, но малое, когда а-частица проходит далеко от ядра, и большое, когда путь ее лежит вблизи рассеивающего ядра. Картина, наблюдающаяся при рассеянии нейтронов прото­ нами, приводит нас к признанию весьма малого радиуса действия ядерных сил. Значение порядка 2 - Ю - 1 3 см уверенно выводится из этого опыта.

Изучение рассеяния протонов протонами приводит к такому же значению радиуса действия. Опыты и расчеты здесь несколько затруднительны, так как надо «вычесть» из рассеяния то, что обус­ ловлено чисто электрическим взаимодействием. Однако наблю­ дения при высоких энергиях и под большими углами позволяют произвести это вычитание. К сожалению, нельзя поставить прямые опыты по рассеянию нейтронов нейтронами. Однако ряд косвенных обстоятельств не позволяет нам сомневаться, что и в этом случае свойства ядерных сил остаются теми же. Вот пример такого рассуж­ дения: можно сравнить энергию связи и поведение при соударениях трития (изотопа водорода с массой 3) и изотопа гелия той же массы. В первом случае ядро состоит из двух нейтронов и одного протона, во втором— наоборот. Энергия связи гелия больше ровно на такую величину, которую дает электрическое взаимодействие между двумя протонами. Все эти опыты и рассуждения приводят к заключению

о независимости ядерных сил, действующих между нуклонами, от электрических зарядов взаимодействующих частиц.

Опыты по рассеянию нуклонов приводят также к заключению об обменном характере взаимодействия. Этот термин применяется в том случае, когда встретившиеся частицы меняются своими свой­

от расположения спинов ядер. Ядерные силы теряют из-за этого свой центральный характер (т. е. сила не действует вдоль линии, соединяющей центры частиц).

Тем не менее, усредняя эту зависимость, можно охарактеризо­ вать ядерные силы потенциалом взаимодействия такого же типа, который обсуждался для молекул. На рис. 240 показана такая кри­ вая для двух нуклонов (общее название протона и нейтрона). Энер­ гия взаимодействия отложена в МэВ, а расстояние — в ферми (1 ф е р м и = 1 0 - 1 3 см). На расстоянии 4 ферми ядерные силы уже не действуют. Для сравнения с электростатическим взаимодействием на рисунке проведена пунктирная кривая. Это электростатический потенциал двух разноименных зарядов величины 3,3 заряда элект­ рона. На расстоянии 2 ферми энергии взаимодействия одинаковы. Аналогии между кривыми, конечно, нет.

Кривые подобного типа построены на основании опыта для раз­ ных ядер. Ординаты и абсциссы потенциальных ям колеблются в небольших пределах (5—20 эВ, единицы ферми).

§ 212. Нуклоны в ядре

Нет сомнения в том, что нуклоны расположены весьма плотно внутри атомного ядра. В разумном согласии с рядом эксперимен­ тальных данных находится следующая формула «радиуса»