Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

Р а з д е л V ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

Г Л А В А 1 Q

Ю СТРОЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР

\

§ 1. ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальными фактами, давшими толчок исследованиям атомных ядер, явились: а) открытие в 1896 г. французским ученым Анри Беккерелей естественной радиоактивности, б) открытие в 1910 г. английским ученым Содди изотопии химических элементов, в) ядерная модель атома, предложенная в 1911 г. великим англий­ ским физиком Эрнестом Резерфордом.

Исследования радиоактивности Резерфордом привели его в 1908 г. к выводу, что в результате радиоактивного распада проис­ ходит превращение атомов одних элементов в атомы других хими­ ческих элементов. После открытой им же несколько позже ядерной модели атома стало ясно, что имеет место превращение ядер одних элементов в ядра других элементов. Таким образом, пре­ вращения радиоактивных элементов явились первыми естествен­ ными ядернымн реакциями, которые физики могли наблюдать и исследовать. Ядерные реакции, осуществляемые в настоящее время искусственно, являются мощным средством изучения строения и свойств атомных ядер. К своему открытию Резерфорд пришел на основе следующих опытов.

В ампулу помещалось небольшое количество только что от­ крытого супругами Кюри (Марией и Пьером) сильно радиоактив­ ного элемента, названного ими радием, после чего ампула запаи­ валась. Спустя некоторое время продукты а-радиоактивностн ра­ дия были подвергнуты спектроскопическому исследованию. В спектрах веществ, находившихся в колбе, были обнаружены спект­ ральные линии, принадлежащие инертным газам — гелию и ра­ дону. Поскольку колба была запаяна, то это значило, что радон и гелий явились результатом радиоактивности радия. Это обстоя­ тельство II привело Резерфорда к выводу о превращениях радио­ активных атомов.

Открытие изотопии сыграло следующую роль. Атомные веса, т. е. массы атомов, химически чистых элементов, как правило, вы­ ражаются в атомных единицах массы числами, не очень близкими к целым. Так, атомный вес бора — 10,82, неона — 20,183, маг­ ния — 24,32, хлора — 35,457, железа — 56,85, кобальта — 58,93, никеля — 58,71, меди — 63,54, цинка — 65,38, германия — 70,60,

427

криптона — 83,80 и т. д. С открытием изотопии утвердилось пред­ ставление, согласно которому химически чистый элемент представ­ ляет собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомными весами. Когда же были измерены атомные веса изотопов, то об­ наружилось, что их атомные веса ближе к целым числам, чем атомные веса элементов, причем тем ближе, чем легче изотоп, т. е. чем меньше его атомный вес. Это навело ученых на мысль о том, что ядро построено из частиц, атомные веса которых очень близки к единице. Поскольку этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода — протон (его атомный вес равен единице, с точ­ ностью до третьего знака — 1,008) и, кроме того, его заряд поло­ жителен, то напрашивается вывод о том, что в состав атомных ядер непременно входят протоны. Сравнительно долго пришлось выяснять, что же еще входит в состав ядра. Явление естественной ß-радноактивности, казалось бы, свидетельствовало о том, что в со­ став ядер входят еще и электроны, поскольку они испускаются при ß-распаде. Так появилась первая протонно-электронная модель ядра. Она, кроме явления ß-радиоактивности, объясняла и бли­ зость атомных весов изотопов к целым числам. Согласно этой мо­ дели масса ядра равна практически массе протонов, входящих в него, поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Число электронов в ядре таково, что суммарный заряд положительно заряженных протонов и отрицательно заря­ женных электронов в сумме дает действительный положительный заряд ядра. Протонно-электронная модель ядра, несмотря на ее простоту, в процессе изучения атомных ядер была оставлена ввиду ее полной несостоятельности.

Если бы в состав атомных ядер входили электроны, то магнит­ ные моменты ядер имели бы величины порядка электронного маг­ нетона Бора (см. гл. 10), тогда как измерения показали, что маг­ нитные моменты ядер по порядку величины равны ядерному маг­ нетону, который, как говорилось ранее, примерно в 2000 раз мень­ ше электронного.

Против протонно-электронной гипотезы свидетельствовали так­ же данные о спинах ядер. Например, ядро бериллия 4Ве9 согласно этой гипотезе должно состоять из 9 протонов и 5 электронов, с тем чтобы суммарный заряд ядра был равен четырем элементарным зарядам. Протоны и электроны являются фермионами, т. е. их спин полуцелый; он равен Суммарный спин ядра как спин 14 частиц (9-протонов и 5 электронов) должен быть целым (в еди­ ницах Щ. В действительности же спин ядра 4Ве9 полуцелый (он равен 3/з^0 ■Подобных примеров можно привести много.

Наконец, протонно-электронная гипотеза несовместима с прин­ ципом неопределенностей Гейзенберга. Если электрон входит в состав ядра, то неопределенность его координаты имеет порядок линейного размера ядра, т. е. ІО-14— 10-15 м. Возьмем наибольшую неопределенность: Д х = 1 0 -14 м. Из соотношения неопределенно­ стей Гейзенберга найдем неопределенность импульса электрона:

428

Очевидно, величина самого импульса электрона должна быть боль­

Такая большая величина энергии противоречит эксперимен­ тальным данным об энергии связи ядерных частиц, которая состав­ ляет 7—8 Мэв на одну частицу. Кроме того, энергия 200 Мэв во много раз превосходит энергию электронов, испускаемых при ра­ диоактивном ß-распаде.

Выход из затруднений был найден после того, как в 1932 г. со­ трудник Резерфорда, Чадвик, открыл новую элементарную части­ цу — нейтрон. Анализируя треки частиц, возникающих при неко­ торых ядерных реакциях, и применяя к реакциям законы сохра­ нения импульса и энергии, Чадвик нашел, что в некоторых реак­ циях определенные треки принадлежат новой частице. Ее масса почти равна массе протона, чуть превышая ее, а электрический заряд ее равен нулю. Новая частица была названа нейтроном, и вскоре после ее открытия, в 1934 г., Д. Д. Иваненко высказал гипо­ тезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтро­ нов; эта же гипотеза была высказана также независимо В. Гей­ зенбергом и подробно им разработана количественно. В настоящее время протонно-нейтронная структура ядра является общепризнан­ ной и лежит в основе современных представлений о ядре и всей ядерной физики.

По современным данным, масса покоя протона и нейтрона имеет следующие значения:

т Ро±= (1,(3075957+0,000001) а. е.м .= (1836,09+0,01) тва, тщ= (1,008982+0,000003) а. е. .и. = (1838,63+0,0\)т е<1,

где т е„ = 9,106,ІО-31 кг есть масса покоя электрона.

В современной физике принимается, что протон и нейтрон — это два так называемых зарядовых состояния одной и той же ча­ стицы, которая называется нуклоном, т. е. ядерной частицей (от латинского nucleus — ядро). Так «то протон — это протонное со­ стояние нуклона, нейтрон — его нейтронное состояние.

429