belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Резерфорд начал систематическое изучение фотографического действия о-частиц в 1906 г. Именно тогда он заметил, что когда пучок а-частиц проходит через щель., а затем, по пути к фотопластинке -- через газ, то изображение размывается. Затем Гейгер и Марсден уже целенаправленно ставили на пути пучка фольгу. В этих экспериментах было показано, что при прохождении через тонкую золотую фольгу практически все гт-частицы рассеиваются на углы порядка 1' (наиболее всроятший угол отклонения а-частиц составлял О, 87').
Однако Гейгер и Марсден обнаружили, что часть гг-частиц (хотя и небольшая) рассеивается на углы > 90'. Анализ экспериментов убедил Резерфорда в том, что наблюдавшиеся случаи отклонения о-частиц на болыпие углы могли быть результатом только однократного рассеяния, а не накопления большого числа рассеяний на малые углы.
Следовательно, в центре атома должно существовать массивное образование, несущее заряд и обладающее размерами, много меньшими размеров атома. Так состоялось открытие атомного ядра. В 1913 г. Г. Мозли, изучая характеристическое излучение атомов, показал, что порядковый номер атомов есть ни что иное, как заряд ядра. В те времена этот вывод был далеко не очевидным. Тогда химики считали, что выстраивать элементы надо по атомному весу. Именно после экспериментов Мозли в науке появилось новое число — атомный номер, а пе атомный вес.
Мозли сразу поменял местами неправильно стоявшие в таблице Менделеева 1ч1 и Со., оставил место для технеция. Следующим важшям шагом в понимании структуры ядра явилось открытие в 1932 г. Чадвиком нейтрона как одного из фундаментальных кирпичи- пз ГЛ. 10. АТОМНОЕ ЯДРО ков ядра. С тех пор стало ясно, что атомное ядро состоит из Я протонов, число которых определяет заряд ядра, и Х нейтронов нейтральных частиц, масса которых практически равна массе протона. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.
Число нуклонов в ядре А = Я + Ж. 10.1. Параметры атомных ядер Из опытов Гейгера и Мародона легко оцепить верхний предел размера ядра. В эксперименте использовались о-частицы с энергией Е = 5 МэВ. Это значит, что если считать поле чисто кулоновским, то минимальное расстояние, на которое подходили а-частицы к ядрам золота (Я = 79), равно (системе СИ) 2е. Яе 2. 79. (1,6 10 ш) т.
е. оно, по крайней мере, в 10 раз меньше атома. Отсюда сразу следует, что плотность ядерной материи громадна по сравнению с теми веществами, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни. Действительно, плотность ядра золота (А = 196) М Атх 196. 1,6. 10 вг ш И (4(3) Я.Н~ 4 (5 10 ы)з Возникает естественный вопрос; ядро — это классический обьект или квантовый? Для ответа надо сравнить длину волны де Бройля ядерных частиц с размером ядра. Будем считать, что вылетающие из ядра о-частицы, которые использовались в опытах по рассеянию, являются его структурными единицами.
Тогда й 6 10 з~ Лдв — 6 10 ' м, (10,3) А/2то„Е 2 4 1,6 10-зг 5 100 1,6 10 — ш Таким образом, длина волны де Бройля оьчастицы близка по порядку величины к размерам ядра. А это означает, что мы имеем дело с чисто квантовым объектом. Атомные ядра состоят из пуклонов: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, близких друг к другу по массе: тв = 1,67239 х х10 вг кг, гпв = 1,67460 10 ~~ кг. Ядра с одинаковым числом протонов Я называются изотоп,ами, а с одинаковым массовым числом — — изобарами. Спип как нейтрона, так и протона равен 1/2, т. е.
нуклоны являются фермионами и подчиняются статистике Ферми-Дирака. Может возникнуть вопрос, нет ли в составе ядра электронов? Оценим, какова должна бьггь энергия электрона, чтобы его де бройлевская длина волны была порядка размера ядра (имея в виду, что рЛ„5): Е = р~((2т) = 5~/(2тп~) 5. 10 Дж 3. 10" эВ, (10.4) а кулоновское притяжение составляет лишь „= Яе 7'Л, — 3. Гйь эВ (10.5) Это означает, что электрон пе может быть удержан кулоновскими силами в области, обладающей размерами порядка ядерных, иными словами, существование электронов в ядре невозможно. 1а1.
НАРАметРы Ат()мных ядеР Как и любая квантовая система, ядро характеризуется моментом импульса 1 (его часто называют просто моментом или спином ядра) выражаемым в единицах Ь, четностью состояния, зарядом, электрическим квадрупольным моментом, характеризующим распределение заряда, и магнитным моментом. Масса ядер может выражаться в атомных единицах (1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода ЫС = 1,6582. 10 ~~ кг), но обычно она выражается в электронвольтах (1 а.е.м. = 931,44 МэВ). Разность Ь между массой ядра в а.е.м. и его массовым числом А называется дефектом массы ядра: Мх л — я*л (1,112) ЛХ, (10.6) Нуль дефекта массы по определению у ядра С.
Дефект массы однозначно связан с аналогичной характеристикой ядра энергией связи. По определению Е,„это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на составляющие его У протонов и 1"11 нейтронов, т. е. это разность массы ядра и суммы масс составляющих его частиц: Е,„(Я, А) = (Ут„+ Д1тв — М „) с~. (10.7) Крайне интересна зависимость удельной энергии связи ядер Е„/А от числа пуклопов, приведенная на рис. 10.1. (Для наглядности шкала по оси абсцисс в области А < 30 увеличена в 3 раза).
Е„,/А, МзВ Что характерно для этой кривой? Во-первых, имеется максимум в области ядер железа (А 56), т. е. ядра железа — — наиболее устойчивая (наи- 7 более сильно связанная) ядерная система. Это означает, что энергия должна выделяться как при слиянии легких ядер, так и при делении тяжелых. Деление тяжелых ядер яв- 4 ляется основой современной ядерной энергетики, а с использованием синтеза легких ядер ученые связывают 2 энергетику будущего.
0 8 1624 30 60 90 120!50 186210 А Вторая особенность удельной энергии связи заключается в том, что она практически пе зависит от А и, за исключением легких ядер (А < 20), составляет около 8 МэВ. Это свидетельствует о насыщении ядерных сил, т. е. о взаимодействии пуклопа только с ближайшими соседями. Действительно, постоянство удельной энергии связи озцгп1ает, что энергия связи ядра Е„пропорциональна А. Но, если бы каждый нуклон взаимодействовал со всеми остальными нуклонами, то энергия связи была бы пропорциональна (1/2) А(А — 1), т.
е. практически А2, а не А. Отсюда следует, что у каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то наступает состояние насыщения, а связи с другими нуклонами оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях. Этим свойством ядро напоминает жидкость. ГЛ. 10.
АТОМНОЕ ЯДРО 120 (1 ) = г р(г)1110 (10.8) где р(г) радиальная плотность нуклонов, усредненная по углам и нормированная на единицу. Часто под радиусом ядра понимается радиус Л, эквивалентного шара с однородной плотностью. Сведения о распределении нуклонов извлекают из экспериментов по взаимодействию ядер с пробными телами. В зависимости от того, изучается ли распределение электрического заряда в ядре или ядерного вещества, все методы измерения можно разделить па две р„,(г], фм группы: электромагнитные и ядерные. В первой группе в качестве пробных частиц му ° используют электроны, позитроны, мюоны "- частицы, взаимодействие которых с кар~ юС ядрами имеет электромагнитную природу ' Са и которые не участвуют в ядерном взаимодействии (см. ниже).
При этом исследуаа8 ~~К ется либо характер рассеяния частиц на ядре, либо их состояние, связанное с ядром (сдвиги уровней мезоатомов, сверхтонкое расщепление и т. и.). С помощью ядерных методов исследуют упругое рассеяние и 0 1 2 3 4 5 6 7 О фм ядерные реакции, вызываемые ядерпоактивными частицами. Рис. 10.2 Эксперименты показали (рис. 10.2), что в атомном ядре отчетливо различаются внутренняя область почти постоянной плотности и поверхностный слой толщиной 1,2-2 фм, примерно одинаковый для всех ядер.
Такое распределение удобно аппроксимировать следующим образом: 0,15 000 0,06 г — Л'1 С1(г) =да 1+ехр ) . а (10.9) В этой формуле Л . радиус половинной плотности, т. е. радиус,па котором плотность равна половине плотности в центре ядра. В ядерной физике выражение (10.9) носит название распределения Вудса-Саксопа. И, наконец, при детальном рассмотрении рис. 10.1 можно заметить нерегулярности в уделыюй энергии связи (повьппенную устойчивость ядер) в областях с числом нуклонов (протонов или нейтронов) 8, 20, 50, 82, 126.
Последнее очень напоминает химическую инертность элементов. Эти числа называют магическими, а их выделенность является следствием оболочечной структуры ядра, точно так же, как в атомах аналогичное свойство является следствием характера заполненения электронных оболочек. Говоря о размерах ядра, надо, конечно, всегда иметь в виду, что это -.- довольно условная величина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
