ЯДРО АТОМНОЕ
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
ЯДРО АТОМНОЕ
. Ядерная теория строения атома предложена Резерфордом в 1911 г. Согласно этой теории атом представляет сложную систему, состоящую из центрального, положительно заряженного ядра и отрицательных электронов, вращающихся вокруг него по орбитам наподобие планет вокруг солнца. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, размер же его в сравнении с размером атома ничтожен. На расстоянии 3-Ю-12
см
от центра ядра оно может еще практически рассматриваться как геометрическая точка. Исследования последнего времени дают для величины радиуса ядра (в предположении, что оно имеет форму шара) значение порядка Ю-12—10~13еж. Появлению ядерной теории атома предшествовали тщательно выполненные Гейгером и Марсденом (1909—1910 гг.) опыты относительно рассеяния а-частиц, испускаемых радиоактивными элементами, при прохождении их через тонкие слои вещества. Полученные в этих опытах закономерности распределения рассеянных а-частиц под различными углами к тому направлению, в к-ром эти частицы двигались первоначально, свидетельствовали о громадных электрических полях, сосредоточенных в центре атома. Истолкование результатов этих опытов было невозможно с точки зрения принятой тогда модели атома Томсона, принимавшей положительный заряд атома «размазанным» по всему его объему. Поиски объяснения результатов опытов Гейгера-Марсдена и привели Резерфорда к созданию ядерной теории атома. Ядерная теория быстро получила всеобщее признание и стала к наст, времени одной из самых проверенных и плодотворных физ. теорий. Важнейшими величинами, определяющими, все свойства ядра (точно так же, как и атома в целом), являются его заряд и масса. Т. к. атом в целом электрически нейтрален, то заряд ядра, измеренный в единицах, равных элементарному заряду е (е=4,77-10~10 абсолютных электростатических единиц), определяет числом планетарных (внеядерных) электронов, а следовательно и порядковый номер элемента в период. системе Менделеева. Физ.-хим. свойства атома определяются т. о. зарядом его ядра. Еще до того, как Резерфорд создал ядерную модель атома, из изучения радиоактивных превращений было известно, что радиоактивный распад по сути дела представляет превращение одного элемента в другой. С другой стороны, открытие изотопов (атомов, имеющих различные атомные веса при одинаковом заряде
Z,
химически друг от друга неотделимых) показало, что при условии, если изотопы разделены, атомные веса элементов выражаются числами, очень близкими к целым. Кислород напр. оказался состоящим из трех изотопов: главного (О16) с ат. весом 16,00 (в единицах Астона) и небольших количеств двух других (О17 и О18) с ат. весами, близкими к 17 и 18. Изложенные факты делали весьма вероятным предположение, что ядра всех элементов построены из каких-то одинаковых частиц. Такими частицами могли быть ядра простейшего элемента—водорода. Это предположение превратилось в уверенность, когда Резерфорду в 1919 г. удалось показать, что при бомбардировке а-частицами, испускаемыми радием С’, атомов азота из последнего выбиваются частицы, оказавшиеся ядрами водорода—протонами. Это была первая удачная попытка искусственного расщепления атомного ядра. На протяжении следующих пяти лет Резерфорду совместно с Чедвиком удалось расщепить ядра еще 12 элементов. За исключением углерода и кислорода, неподдавшихся расщеплению, в число этих атомов вошли все легкие элементы, заключенные между 5 (бор) и 19 (калий) элементами периодической системы. Во всех случаях из ядра выбивался протон. Опыты Резерфорда-Чедвика вместе с тем фактом, что при радиоактивном распаде наблюдается испускание ядрами электронов, позволили рассматривать ядра элементов как построенные из одинаковых исходных частиц—протонов и электронов. Масса ядра при этом должна определяться в основном массой входящих в его состав протонов, т. к. у электрона масса значительно меньше, чем у протона. Если обозначить через
М
ближайшее к ат. в. целое число, то ядро, имеющее заряд
Z,
должно состоять из
М
протонов и
М
—
Z
ядерных электронов. Так, ядро следующего за водородом элемента периодической системы—гелия(£=2; М=4)—состоит из 4 протонов и 2 электронов. Ядро последнего элемента системы—урана (2=92; Jf=238)— содержит 238 протонов и 146 электронов. Вследствие того, что при радиоактивном распаде наблюдается выбрасывание тяжелой частицы одного и того же типа, именно а-частицы, необходимо допустить, что в ядрах, у к-рых
Z^sA,
каждые 4 протона и 2 электрона образуют болое тесную комбинацию— а-частицу. Слабый пункт и
зложенной модели состоит в допущении существования в ядре свободных электронов, что в нек-рых вопросах влечет к серьезному расхождению между теорией и опытом. Так напр. теория требует для ядер с нечетным числом электронов (ядра с четным
Z
и нечетным
М)
значительно большего магнитного момента, чем наблюдается на опыте. В виду этого Иваненко и Гейэенберг после открытия нейтрона (частица с зарядом 0 и массой, приблизительно равной массе протона) предложили (1932 г.) иную модель, в к-рой ядра предполагаются построенными из протонов и нейтронов. Следовательно ядро, характеризуемое зарядом
Z
и массой
М,
будет состоять из
Z
протонов и
М
—
Z
нейтронов, а-частица пред – ших радиуса
U(T)
и,
ставляет с точки зрения этой теории комбинацию 2 протонов и 2 нейтронов.
Являясь сложным образованием, ядра некоторых элементов вследствие причин, зависящих от их внутренней структуры, самопроизвольно распадаются с испусканием
а –
или /3-частиц. Для объяснения о-распада Гамовым в 1928 г. предложена теория, исходящая из предположения применимости к ядру кван-тово-механических представлений. По этой теории (применимой также и к случаю искусственного расщепления) ядро атома окружено потенциальным барьером, образованным наложением кулоновских сил отталкивания и неизвестных еще сил притяжения, действие к-рых сильно сказывается на расстояниях, мень-ядра г0, и быстро затухает на расстояниях, больших г0. Примерная схема барьера дана на рисунке. Здесь по оси абсцисс отложены расстояния от центра ядра, по оси ординат—значения потенциальной энергии. Внутри образованной потенциальным барьером ямы на квантованных энергетических уровнях находятся входящие в состав ядра частицы. Аппарат квантовой механики, примененный к подобной модели, дает нек-рую вероятность того, что частица, занимающая уровень
Е,
вылетит из ядра, хотя ее энергия и ниже высоты барьера. С точки зрения классической физики это было бы невозможным. При’столкновении а-ча-стицы с ядром (искусственное расщепление) могут быть следующие случаи: 1) при столкновении ядро возбуждается и вслед за тем переходит в состояние с меньшой энергией, испуская у-квант; 2) в результате столкновения выбрасывается одна из составных частей ядра, причем первоначальное ядро превращается в ядро другого элемента. Ударяющая частица при этом либо остается в ядре либо уходит, унося с собой нек-рый остаток энергии. По теории Гамо-ва вероятности этих процессов могут быть вычислены. Сравнение с опытом дает во всех случаях удовлетворительный результат. Вопрос о природе сил, под действием к-рых ядро, имея в своем составе частицы с зарядом одного знака, сохраняет свою цельность, до наст. времени не решен. Несомненно только, что эти силы весьма значительны и изменяются с расстоянием более быстро, чем по закону Кулона. О грандиозности этих сил можно судить по величине энергии связи ядра, т. е. энергии, выделенной при образовании ядра из его составных элементов. На основании того, что по специальной теории относительности масса эквивалентна энергии
(Е—те2,
где В—энергия, ж—масса, с—скорость света), энергия связи ядра может быть получена из дефекта массы (недостаток массы ядра в сравнении с массой тех частиц, из к-рых оно построено). Для большинства ядер дефект массы может быть легко вычислен. Так напр. масса гелиевого ядра (а-частиц) равна 6,598.10″»24
г,
а масса составляющих его 4 протонов и 2 электронов равна 4.1,6609.1& ГМ +2.9,035.КГ28=6,645.1& Г2*
г.
Дефект массы гелия равен т. о. 0,047.10
м г,
что эквивалентно энергии 4,23.Ю-5 эргов. Эта энергия громадна. Превращение в гелий только 1 г водорода освободило бы энергию, равную работе 900 тыс. лошадиных сил Днепрогэса в течение 16 минут. Отсюда ясна практическая ценность изучения атомного ядра и условий его превращения. Современные средства эксперимента (камера Вильсона, счетчики Гейгера-Мюллера и др.) позволяют получить довольно ясное представление о характере «реакций», происходящих при ядерных превращениях. При этом предполагается выполнение законов сохранения массы и энергии, заряда и количества движения. Расщепление ядер производится в наст. время разнообразными средствами. Этими средствами являются а-частицы, у-лучи, ускоренные в электрическом поле протоны и дейтоны (изотоп водорода, имеющий массу, равную 2) и нейтроны. Последние являются особенно подходящими для целей расщепления ядра, т. к., не имея заряда, они не испытывают отталкивающего действия ядерного заряда и потому могут легче проникать в ядро. Приведем некоторые из наиболее интересных ядерных реакций, условившись предварительно ядра обозначать хим. символами соответствующих элементов, заряды их—цифрами справа внизу и наконец ближайшие к ат. весу целые числа— цифрами, поставленными с правой стороны символа вверху. 1. Расщепление ядра азота а-частицей (опыт Резерфорда, 1919 г.): NJ4 + + Не4. -* 0|’ + Н|. Смысл этой реакции таков: ядро азота (NJ*) захватывает а-частицу (Не4) и испускает при этом протон (HJ). Т. к. сумма зарядов исходных членов составляет 9, а сумма. масс—19 единиц, то после вылета протона остаточное ядро должно иметь заряд 8 и массу 17, т. е. это будет изотоп кислорода О17. 2. Получение нейтронов действием а-лучей на ядра бериллия: Ве£ + Не4 -> С12 + nj, где nj — нейтрон. 3. Расщепление бора дейтонами: В|Ч~Щ -* -+ CJ2 + nj +
hv.
Кроме нейтрона при этой реакции испускает
ся у-квант
hv.
4. Расщепление лития быстрыми протонами: LiJ + Н}-* Не|+ + Не4. В этой реакции, осуществленной впервые Кокрофтом и Уолтоном, образуются две а-частицы, причем энергия этих частиц (=17,6 млн. электронвольт) значительно превосходит энергию протона, вызывающего расщепление. Однако вследствие того, что только незначительная часть протонов оказывается эффективной для этой реакции, общий баланс энергии остается отрицательным. В 1933 г. Кюри и Жолио обнаружили, что при нек-рых из ядерных реакций получаются неустойчивые ядра, распадающиеся с испусканием позитронов,—частиц, незадолго до того (1932 г.) открытых Андерсеном. Позитрон имеет массу электрона и один положительный элементарный заряд. Открытое явление получило название искусственной радиоактивности. Наблюдалось оно при бомбардировке а-частицами алюминия, магния и бора. Реакция записывается так: АЩ + Не4->Р«+п>. Получившееся неустойчивое ядро изотопа фосфора распадается по формуле: p»°-*Si?2 + (+2), где
(+2)
обозначает позитрон. Вслед за открытием Кюри-Жолио Ферми обнаружил другой вид искусственной радиоактивности, возбуждаемой нейтронами и сопровождающейся выбрасыванием из ядра обычных электронов. Открытие искусственной радиоактивности по – ставило теорию перед новой трудной задачей— объяснить, каким образом существуют в ядре электроны и позитроны. До открытия позитрон-ной радиоактивности местом пребывания электронов в ядре были нейтроны, признаваемые сложными частицами, состоящими из протона и электрона, ^-распаду предшествовало расщепление нейтрона на протон и электрон. Чтобы объяснить позитронный распад, надо сделать обратное предположение, что сложной части-ц и является протон, являясь комбинацией из нейтрона и позитрона. Противоречие устраняется невидимому решением вопроса в том смысле, что и протон и нейтрон являются частицами элементарными и что образование электронов (или позитронов) происходит уже в процессе ядерной реакции. Одним из доводов в пользу такого допущения может служить открытое в 1933 г. Кюри и Жолио и одновременно с ними Чедвиком, Блеккетом и Оккиалини явление превращения жесткого фотона
(hv
;> 1 млн. электронвольт) в т. н. «пару», состоящую из электрона и позитрона. Одной из трудных задач, стоящих перед физикой Я. а. до самого последнего времени, является создание теории,/?-распада. Объяснение непрерывного ^-спектра, наблюдающегося при радиоактивном распаде, давало повод нек-рым физикам считать, что при ядерных процессах не выполняется закон сохранения энергии. Однако в 1934 г. появилась работа Ферми, дающая теорию /?-рас-пада, в к-рой закон сохранения энергии признается выполняющимся. В теории Ферми фигурирует гипотетическая частица—нейтрино,— не имеющая заряда и имеющая массу, близкую к 0. Лит.: Ас тон Ф., Изотопы, М.—П., 1923 (2-е изд., печ.); Атомное ядро, сб. докладов 1-й Всесоюзной ядерной конференции, Л.—М., 1934; Бронштейн М., Строение вещества, Л.—М., 1935; он же, Электроны, атомы, ядра, Л.—М., 1935; Гамов Г., Строение атомного ядра и радиоактивность,
Ж,—
Л., 1934; К о р с у н – ский М., Нейтрон, Л.—М-, 1935; Курчатов И., Расщепление атомного ядра, Л.—М., 1935; Лукир-екий П., Нейтрон, Л.—М., 1935; Мотт Н., Волновая механика и физика ядра, Л,—М., 1936; Мысовский Л., Новые идеи в физике атомного ядра, Издание Академии Наук СССР, М.—Л., 1935.& П. Черенков.