yavor2 (553175), страница 80
Текст из файла (страница 80)
й 80.3. Состав ядра 1. После создания ядерной модели атома вопрос о составе атомного ядра являлся одним из основных в ядерной физике. Ответ на него физика ядра смогла дать по мере накопления сведений о различных свойствах ядер, в особенности сведений о заряде, массе и спине 666 ядра.
Заряд ядра определяется суммарным зарядом находящихся в нем положительных зарядов. Поскольку элементарным положительным зарядом обладают протоны, то нахождение в ядре протонов с самого начала развития ядернои физики не вызывало сомнений (з 80.1). Кроме того, обнаружились два сушественных факта: а) Массы изотопов всех атомов (кроме обычного водорода), выраженные в единицах массы, равных массе протона, превышают численно заряды их ядер, выраженные в элементарных зарядах.
По мере увеличения 2 это различие возрастает. Для элементов, расположенных в средней части периодической системы Менделеева, изотопные массы (в а.е.м.) примерно в дьа раза превышают заряды ядер. Для тяжелых ядер это соотношение становится еще большим. Из этого следует, что протоны не могут быть единственными частицами, составляющими ядро.
б) Массы ядер изотопов всех химических элементов указывали на две возможности: либо в ядре находятся частицы примерно одинаковых масс, либо в составе ядра имеются различные по массе частицы и масса одних из них весьма мала по сравнению с массой других; тогда масса легких частиц не вносит сколько-нибудь заметного вклада в изотоппую массу. 2. Последняя возмоэкность представлялась особенно заманчивой, ибо позволяла создать протонно-электронную модель ядра. Явление естественной (1-радиоактивности (1 81.12), казалось бы, свидетельствовало о том, что в состав ядер входят электроны, поскольку они испускаются при р-распаде. Протонно-электронная модель, кроме явления 1)-радиоактивности, обьясняла н близость атомных весов нзогопов к целым числам.
Согласно этой модели масса ядра равна практически массе протонов, входящих в него, поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Число электронов в ядре должно быть таково, чтобы суммарный заряд положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в сумме давал действительный положительный заряд ядра. Несмотря на ее простоту н естественность, протонно-электронная модель по мере развития ядерной физики была оставлена. Она оказалась в противоречии с важнейшими свойствами атомных ядер.
3. Если бы в состав атомных ядер входили электроны, то магнитные моменты ядер имели бы величины порядка электронного магнетона Бора (з 42.2). Как мы видели в 580.2, магнитные моменты ядер по порядку величины сравнимы с ядерным магнетоном, который примерно в 2000 раз меньше электронного. Против протонно-электронной модели ядра свидетельствовали также данные о спинах ядер.
Например, ядро бериллия,Ве'" согласно этой модели должно состоять из девяти протонов и пяти электронов, чтобы суммарный заряд был равен четырем элементарным положительным зарядам. Протоны и электроны имеют полуцелый спин, равный й/2. Суммарный спин ядра, состоящего из 14 частиц (9 протонов и 5 электронов), должен быть целым. В действительности же спин ядра,Ве' полуцслый и равен э(,Ь. Подобных примеров можно привести много.
Наконец, протонно-электронная модель ядра несовместима с соотношением неопределенностей Гейзенберга. Если электрон входит в состав ядра, то неопределенность Лх его координаты имеет пор ядок линейного размера ядра, т. е. 10 '4 — 1О '" м. Возьмем наибольшую неопределенность: Лх = 10с ы м. Из соотношения неопределенностей Гейзенберга найдем неопределенность импульса электрона: Лр ж й7Лх ж 10-"110-м = 1О " кг мыс.
Величина импульса р связана сего неопределенностью Лр: р ж Лр (~~ 16.7). Зная импульс электрона, можно найти его энергию. Поскольку в нашем случае р з»т„с=10 " кг 3 10' м!с, то следует использовать релятивистское соотношение между энергией и импульсом (см. 9 16.3): ~'= с'рь+т,'с'. Получим 8 = — с ) р'+ т,с' =- 3 10" $/ 10-" + (10-". 3 10')' ж ж 2 10' эВ =-200 МэВ.
Такая большая величина энергии противоречит экспериментальным данным об удельной энергии связи ядерных частиц, которая составляет 7 — 8 МэВ Ц 80.4). Энергия в 200 МэВ во много раз превышает энергию электронов, испускаемых при радиоактивном р-распаде. Если же считать, что электроны в ядре имеют энергию, соответствующую энергии выбрасываемых р-частиц (обычно порядка нескольких МэВ), то для размеров области, где электроны должны быть локализованы, т.
е. для размеров ядра, из соотношения неопределенностей получаются несоразмерно большие оценки, противоречащие опытн ым да иным. 4. Выход из затруднения был найден, когда Чадвик, сотрудник Резерфорда, в 1932 г. открыл новую элементарную частицу — нейтрал. Анализируя траектории частиц, возникающих при некоторых ядерных реакциях, и применяя к реакциям законы сохранения импульса и энергии, Чадвик нашел траектории, принадлежащие новой частице; ее масса почти равна массе протона, чуть превышая ее, электрический заряд ее равен нулю. Новая частица была названа иейтроном, и вскоре после ее открытия, в 1934 г., Д. Д.
Иваненко высказал гипотезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов. Эта же гипотеза была высказана Гейзенбергом. 5. Эти взгляды очень быстро получили всеобщее признание и явились основой для создания современной теории атомного ядра. Согласно современным представлениям, массовое число А ядра представляет собой общее число частиц — протонов и нейтронов, находящихся в ядре. Зар яд ядра 7 определяет число протонов в ядре, а следовательно, разность А — л = А( дает число нейтронов, содержащихся в ядре данного изотопа. Если проследить за распределением числа протонов с н нейтронов А — Я в ядрах различных элементов периодической системы Менделеева, то можно заметить, что для ядер элементов вплоть до середины менделеевской системы число нейтронов, входящих в ядро, примерно равно числу протонов, так что (А — 7)/с ж 1.
По мере утяжеления ядер, с ростом массового числа, количество нейтронов возрастает сравнительно с числом протонов в ядре. В конце периодической системы Менделеева отношение (А — 2)1Л ж 1,6. В ядерной физике принимается, что протон и нейтрон — два так называемых зарядовых состояния одной частицы, которая называется ядерной частицей — нуклоном (от латинского пцс!ецз— ядро). Протон является протонным состоянием нуклона с зарядом +е, нейтрон — его нейтронным состоянием с нулевым электрическим зарядом. По современным данным массы покоя протона и нейтрона равны соответственно: т, = 1,0075975 -~ 0,000001 а.е.м. = †(1836,09 ~ 0,0!)т„; т, =- 1,008982 -+ 0,000003 а.е.м. = (1838,63~- 0,01)т,.
Массовые числа протона и нейтрона одинаковы и равны единице. Нуктоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. Это связано с тем, что во всех ядрах, кроме ядра обычного водорода, имеются по крайней мере два нуклона, между которыми осуществляется особое ядерное взаимодействие, 6. Протонно-нейтронная модель ядра согласуется с данными об изотопных массах ядер н дает разумные значения для магнитных моментов ядер. В самом деле, магнитные моменты протона и нейтрона по порядку величины сравнимы с ядерным магнетоном (980.2). Поэтому ядра, построенные из нуклонов, должны иметь магнитные моменты такого же порядка величины.
Опыты подтверждают это. Применение соотношения неопределенностей к тяжелым (сравнительно с электронами) протонам и нейтронам дает вполне разумные оценки для возможных значений энергии этих частиц в ядре. Эти оценки согласуются со значениями энергий, приходящихся на одну частицу в ядре (9 80А). Была разрешена и трудность со спинами ядер, возникшая в протонно-электронной модели. Если ядро содержит четное число нуклонов (четное массовое число А), то его спин будет целым (в единицах 7г). При нечетном числе нуклонов в ядре (нечетном А) спин ядра будет полуцелым (в единицах Ь).
й 80.4. Энергия связи ядра. Дефект массы 1. Ядра, содержащие положительно заряженные протоны н нейтроны, лишенные заряда, представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами существует кулоновское отталкивание. Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах существует определенная связь. Для ее изучения, казалось бы, необходимо точно знать, как силы притяжения между нукло- нами зависят от расстояния между ними.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
