Строение ядра

Строение ядра

Хотя вопрос об излучении ?-частицы казался окончательно выясненным, поскольку закон сохранения электрического заряда выполнялся, физики продолжали свои исследования. Для них оставалось загадкой, как положительно заряженное ядро способно испускать отрицательно заряженную частицу.

Тот простой факт, что атомное ядро испускает ?- и ?-частицы, сам по себе свидетельствует о том, что ядро состоит из еще более мелких частей и, по крайней мере, одна из них должна нести положительный электрический заряд.

Почти десять лет после открытия электрона физики подстерегали некую положительно заряженную частицу, аналогичную отрицательно заряженному электрону. Но поиски не увенчались успехом. Самая маленькая положительно заряженная частица, которую удалось обнаружить, оказалась ядром водорода-1, и ее обозначили ₁H¹. Электрический заряд ее был минимальным, т. е. в точности равнялся заряду электрона, но имел противоположный знак. Однако масса этой частицы была в 1836,11 раз больше массы электрона.

К 1914 году Резерфорд убедился, что ядро водорода является самой легкой положительно заряженной частицей, присутствующей во всех атомных ядрах. Но почему она гораздо тяжелее отрицательно заряженного электрона (хотя обе частицы имеют одинаковые заряды противоположного знака), — он не мог объяснить. И никто не смог, ни тогда, ни теперь. Это остается одной из нерешенных проблем ядерной физики по сей день.

В 1920 году Резерфорд предложил назвать эту положительно заряженную частицу протоном от греческого слова protos — первый, так как из-за своей большой массы он казался первой, т. е. самой важной, среди субатомных частиц. Масса протона по атомной шкале равна 1,00797, и в большинстве случаев без большой погрешности ее принимают за единицу.

Ядро водорода-1 состоит из одного протона. Казалось, все другие ядра должны содержать два или более протонов, но вскоре выяснилось, что атомные ядра (не водорода-1, а другие) не могут состоять только из протонов. Протон имеет электрический заряд +1 и массовое число, примерно равное единице, и если бы ядра состояли только из протонов, их атомный номер должен был равняться атомному числу. Но это верно только для водорода-1. Массовые числа других ядер больше их атомных номеров.

Рассмотрим, например, ядро азота с массовым числом 14. Если бы оно состояло только из протона, его электрический заряд был бы равен +14 и, следовательно, атомный номер был бы тоже 14. В действительности же электрический заряд ядра азота +7 и ядро можно обозначить как ₇N¹⁴. Что же происходит с остальными семью единицами заряда?

Сначала физики думали, что ответ заключается в наличии в ядре электронов. Если бы ядро азота содержало 14 протонов и 7 электронов, суммарная масса семи электронов была бы достаточно маленькой, чтобы ею пренебречь, зато электроны компенсировали бы половину положительных зарядов. В качестве побочного эффекта наличие ядерных электронов сказалось бы также на способности ядра излучать электроны в виде ?-частиц. Эта модель строения ядра потерпела крах в вопросе о спине частицы.

Известно, что при движении заряженных частиц создается магнитное поле. В 1928 году английский физик Поль Дирак пришел к выводу, что заряженные частицы движутся даже тогда, когда кажется, что они находятся в покое. Лучше всего предположить, что такие частицы вращаются вокруг своей оси, т. е. имеют определенный момент количества движения. Если частица вращается, она должна обладать энергией, которая поглощается определенными порциями, или квантами. Это справедливо для всех вращающихся тел (даже для планет вроде Земли). Величина кванта, однако, так мала по сравнению с полной энергией вращения Земли, что если бы Земля получила квант или даже триллион квантов энергии вращения, никто ничего не заметил бы. Но если бы такой квант энергии получила субатомная частица, ее вращение заметно изменилось бы, так как для субатомной частицы квант очень велик. Вращение частицы нельзя обнаружить никакими измерениями, но можно показать, что значения спина частицы соответствуют только целому числу квантов энергии. Величина момента количества движения вращающейся частицы чрезвычайно мала. Поэтому была придумана специальная шкала, по которой спин фотона был принят равным единице, по этой шкале протон и электрон имеют спин 1/2 каждый. Момент количества движения бывает направлен по и против часовой стрелки. Протон или электрон могут вращаться в том или ином направлении и, следовательно, их спин равен либо +1/2, либо -1/2.

Рассмотрим систему, содержащую несколько таких частиц. Если справедлив закон сохранения момента количества движения, суммарный спин системы должен быть равен сумме спинов отдельных частиц. Пусть система состоит из четырех частиц — протонов или электронов, или тех и других вместе. Если каждая частица имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин равен нулю или целой величине. Суммарный спин любой системы, содержащей четное число частиц, каждая из которых имеет спин + 1/2 или -1/2, всегда равен нулю или целому числу.

Если же система состоит из нечетного числа частиц каждая из которых имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин никогда не будет равен целому числу или нулю, а будет принимать только полуцелые значения.

Следовательно, если атомное ядро состоит из протонов и электронов, суммарный спин ядра (ядерный спин) зависит от полного числа всех частиц. Тогда, если ядро азота ₇N¹⁴ в самом деле состоит из 14 протонов и 7 электронов, общее число частиц 21, т. е. нечетное, и ядерный спин азота-14 должен быть равен 1/2.

Эксперименты, проведенные в 1929 году, показали, однако, что он равен целому числу.

Такое несоответствие было обнаружено и для некоторых других ядер. Стало совершенно ясно, что, если ядра содержат и протоны, и электроны, некоторые из них нарушают закон сохранения момента количества движения. Физики страшно не любят отказываться от закона, если есть возможность избежать этого, поэтому они бросились на поиски какого-либо другого объяснения строения ядра.

Предположим, что вместо пары протон — электрон в ядре присутствует одна незаряженная частица. Ее существование не влияет на закон сохранения электрического заряда, так как суммарный электрический заряд пары протон — электрон равен нулю, заряд заменяющей их частицы также равен нулю.

Разница заключается в моменте количества движения. Если протон и электрон имеют спины +1/2 или -1/2 каждый, суммарный спин будет равен +1, 0 или -1. Незаряженная же частица может обладать спином +1/2 или -1/2. Ядро азота-14 должно тогда состоять из протонов и незаряженных частиц.

Если масса нейтральной частицы равна массе протона, массовое число должно быть равно 14, а атомный номер (обусловленный одними протонами, так как только они обладают положительным зарядом) — семи, т. е. это был бы изотоп ₇N¹⁴. Только общее число частиц в ядре было бы 14, т. е. четным, вместо нечетного 21. Но при четном числе частиц, каждая из которых имеет спин 1/2, спин ядра азота должен быть целым числом. Таким образом, закон сохранения момента количества движения был бы спасен.

Трудность заключалась в самом отыскании этой незаряженной частицы.

Методы обнаружения субатомных частиц были основаны на их способности выбивать электроны из атомов, с которыми они сталкиваются, превращая их в ионы. Последние регистрируются разными приборами, используемыми физиками для изучения частиц.

Ионы образуются частицами, несущими любой тип заряда Отрицательно заряженная частица отталкивает отрицательно заряженные электроны и выбивает их из атома, вблизи которого она пролетает. Положительно заряженная частица притягивает электроны, вырывая их из ближайших к ней атомов. Незаряженная частица не взаимодействует с электронами, т. е. не образует ионов, а следовательно, ее нельзя обнаружить непосредственно. Тем не менее, существуют косвенные методы обнаружения невидимых обычно объектов. Если вы посмотрите в окно, вы увидите деревья, но не увидите воздуха. Однако если вы заметите, что листва на деревьях колышется, справедливо предположите, что она получает энергию за счет движения каких-то масс, которые вы не в состоянии видеть. Тщательно изучая поведение движущихся листьев, можно много узнать о свойствах воздуха, совсем не видя его.

Начиная с 1930 года ученые стали замечать, что при бомбардировке некоторых элементов ?-частицами возникает излучение, которое нельзя обнаружить обычными методами. Если на пути такого излучения помещался парафин, из него вылетали протоны. Что-то сообщало протонам импульс. Переданный импульс был значительным, следовательно, излучение должно было состоять из очень тяжелых или очень быстрых частиц, а возможно, из тяжелых и одновременно быстрых. Английский физик Джеймс Чедвик сумел правильно истолковать полученные данные и в 1932 году заявил об открытии давно подозреваемой нейтральной частицы. Она была названа нейтроном. Нейтрон имеет массу, которая чуть-чуть больше массы протона; в настоящее время она принята равной 1,008655. У нейтрона нулевой электрический заряд и спин +1/2 или -1/2, т. е. именно те свойства, которые были необходимы, чтобы спасти закон сохранения момента количества движения.

Немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг сразу же предположил, что ядро состоит из протонов и нейтронов, т. е. из двух разновидностей нуклонов, которые были упомянуты выше.

Поскольку массовые числа протонов и нейтронов равны примерно единице, массовое число любого ядра равно числу содержащихся в нем нуклонов. Атомный номер, представляющий собой электрический заряд ядра, равен числу протонов, так как только протоны несут электрический заряд. Ядро ₂Не⁴ состоит из 2 протонов и 2 нейтронов (т. е. из четырех нуклонов), ₈O¹⁶ состоит из восьми протонов и восьми нейтронов (т. е. из 16 нуклонов), ₉₀Th²³² состоит из 90 протонов и 142 нейтронов (т. е. из 232 нуклонов).

Все изотопы любого элемента имеют одинаковый атомный номер, следовательно, все они должны иметь одинаковое характерное число протонов в ядрах. Массовые числа у них разные, поэтому они должны иметь разное количество нуклонов. Разница эта возникает только из-за разницы числа нейтронов. Так, ядра двух изотопов углерода, ₆С¹² и ₆С¹³ содержат 6 протонов и 6 нейтронов в первом случае и 6 протонов и 7 нейтронов во втором.

Что касается урана, то ядро ₉₂U²³⁵ состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, т. е. всего из 235 нуклонов, ядро ₉₂U²³⁸ — из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. всего из 238 нуклонов.