Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 225. Строение атомного ядра
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 225. Строение атомного ядра. Из предыдущего (см. § 201)
мы знаем, что массы атомов, а значит, и массы атомных ядер очень близки всегда к ц е л о м у числу атомных единиц массы. Напрашивается вывод, что атомные ядра построены из частиц приблизительно единичной массы. Такими частицами являются п р о т о н и н е й т р о н. На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и прото- нов, ядра должны содержать также п о з и т р о н ы и э л е к- т р о н ы, ибо многие ядра (ядра радиоактивных изотопов) испус- кают эти частицы. Однако детальный анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как таковые и позитроны, и электроны. Так, некоторые искусственно-радиоактивные вещества (например, изотоп меди 64 29
троны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается в предыдущий элемент периодической системы с испусканием пози- трона, тогда как другая часть ядер того же вещества превращается в следующий элемент с испусканием электрона. Ядра такого вещества, казалось бы, должны содержать в своем составе как позитроны, так и электроны 1 ). Но одновременное существование позитронов и элек- тронов в объеме ядра противоречит свойству этих частиц объединять- ся, превращаясь в пару γ -квантов. Но если позитроны и электроны в готовом виде в ядре не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровож- дающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются з а- н о в о за счет превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превраща- ется в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном. Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается, как упоминалось в § 223, и в других процессах. Идея о строении атомных ядер из протонов и нейтронов вско- ре после открытия нейтрона была высказана советским физиком 1 ) Опыты обнаруживают полное совпадение всех свойств (заряд, масса и т. д.) в с е х атомных ядер данного изотопа. Такое полное совпадение свойств говорит о тождественности таких ядер. Нельзя поэтому допустить, что, напри- мер, одни ядра 64 Cu содержат электроны, а другие — позитроны. 560 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия Дмитрием Дмитриевичем Иваненко (р. 1904) и немецким физи- ком Вернером Гейзенбергом (1901–1976). Справедливость про- тонно-нейтронной модели ядра была доказана работами ряда ученых. Поскольку массовое число протона и нейтрона есть единица, м а с с о в о е ч и с л о я д р а равно п о л н о м у числу частиц (протонов и нейтронов) в составе ядра. Заряд же ядра, выра- женный в элементарных единицах, равен, очевидно, ч и с л у п р о т о н о в в ядре. Таким образом, согласно протонно-нейт- ронной модели, атомное я д р о с м а с с о в ы м ч и с л о м A и з а р я д о м Z с о д е р ж и т в с в о е м с о с т а в е A ч а- с т и ц, в том числе Z п р о т о н о в и A–Z н е й т р о н о в. Так, например, ядро кислорода 16 8
16 − 8 = 8 нейтронов. Ядро изотопа свинца 206 82
протона и 206 − 82 = 124 нейтрона и т. д. Простейшим атомным
ядром является
ядро водорода, т. е. протон. Присоединяя к протону нейтрон, получим самое простое из составных ядер — дейтрон, или ядро тяжелого водорода (обозначается 2 1 Н или D). Прибавляя еще один нейтрон, образуем ядро еще более тя- желого изотопа водорода, называемого тритием ( 3 1 Н, или T). Тритий относится к числу искусственно-радиоактивных веществ; он распадается с периодом полураспада около 12 лет, испуская электроны. В результате распада трития образуется ядро с массо- вым числом 3 и зарядом 2 — легкий изотоп гелия 3 2 He, состоящий из двух протонов и нейтрона. Этот изотоп устойчив и содержится в очень малой пропорции в природном гелии. Ядро основного изотопа гелия 4 2
ного нейтрона. α-частица содержит, таким образом, два протона и два нейтрона. Продолжая увеличивать число нейтронов и протонов в ядре, мы получим все существующие атомные ядра. Состав наиболее легких ядер (до кислорода включительно) указан на диаграмме рис. 401. Как видно из диаграммы, устойчивые (нерадиоактив- ные) л е г к и е я д р а с о д е р ж а т п р и м е р н о р а в н ы е к о л и ч е с т в а н е й т р о н о в и п р о т о н о в. В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе ней- тронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза больше, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным, придающим ядру наибольшую прочность. Отступле- ния от этого соотношения делают ядро н е у с т о й ч и в ы м. |