Строение ядер

Как мы видели, вещество состоит из электронов и атомных ядер. Каждый элемент имеет свое собственное атомное ядро, несущее определенное число единиц заряда. Этот заряд ответствен за свойства атома, так как он определяет число электронов в атоме и принимаемую ими конфигурацию. Здесь мы считаем ядро атома неделимым целым, заряд и масса которого характерны для данного типа атомов. Атомы каждого элемента имеют свое, типичное для них ядро. Вещество состоит из множества разных «элементарных частиц»; электронов и различных характерных для каждого элемента ядер.

Но такое положение дел неудовлетворительно. Удобнее было бы допустить, что различные типы атомных ядер построены из нескольких простых компонент. Тогда все атомные ядра являлись бы структурами, состоящими из таких компонент, и именно эти последние, а не ядра естественно было бы считать элементарными частицами.

До сих пор мы рассматривали атомные ядра как массивные частицы, наделенные только положительным зарядом, но, по-видимому, лишенные какой бы то ни было структуры. Может ли быть, что их бесструктурность только кажущаяся, так же как и у атомов, находящихся ниже порога возбуждения? Из нашего соотношения между размером и устойчивостью вытекает, что малый размер ядра должен означать очень высокий порог возбуждения, значительно превышающий порог возбуждения атома. Вероятно, следует ожидать, что внутренняя структура ядра несущественна для динамики атома, и ее удается наблюдать только при более высоких энергиях, чем те, с которыми мы имели дело в атомных и молекулярных проблемах.

Одним из важнейших успехов современной физики было экспериментальное открытие квантового мира внутри маленького ядра, мира, подобного тому, который существует в значительно большем атоме. Оказалось, что атомные ядра действительно обладают структурами и что они построены из частиц двух сортов — протонов и нейтронов. Протон идентичен наиболее легкому ядру, ядру водородного атома: он несет единичный положительный заряд, и его масса в 1840 раз больше массы электрона. Нейтрон имеет почти такую же массу, как протон, но не несет никакого заряда.

Таким образом, заряд ядра равен числу содержащихся в нем протонов, так как каждый протон несет единицу заряда. Поэтому число протонов в каждом ядре совпадает с атомным номером элемента Z. Маленькая таблица значений Z на стр. 81 дает число протонов, содержащихся в ядрах элементов. Нейтроны не имеют заряда, они дают вклад только в массу ядра. В общем случае в ядре несколько больше нейтронов, чем протонов.

Должна существовать сила, которая удерживает нейтроны и протоны в столь малом объеме, как атомное ядро. Ядерная сила, действующая между нейтронами и протонами, соединяет их внутри ядра. Это очень большая сила притяжения, она не только должна превосходить электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами, но и ограничивать движение частиц исключительно малой областью пространства.

Человеку не приходилось прямо сталкиваться с этой силой, как с другими двумя. Каждый из нас видел действие силы тяжести на тела, наблюдал результаты действия электрических или магнитных сил. Тяготение и электрические силы действуют на любом бесконечно большом расстоянии. Гравитационное и электрическое притяжение уменьшается с расстоянием в соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов, но эти силы заметны на любом расстоянии. Обнаружить ядерные силы гораздо труднее, главным образом из-за очень короткого радиуса их действия. Они полностью исчезают на очень малом расстоянии. Найдено, что они действуют только на отрезках длиною около 10^-13 см, что в 100 000 раз меньше размера атома. Поэтому, конечно, в обычном мире, мире человека, нельзя непосредственно заметить действие ядерных сил.

Однако косвенно роль ядерных сил огромна. Если бы их не было, нуклоны (ядерные частицы) разлетелись бы во все стороны. Без ядерных сил не могли бы существовать никакие атомные ядра, кроме ядра водорода (протон), следовательно, водород был бы единственным элементом. Кроме того, как мы увидим далее, солнечная энергия, дающая нам тепло, в конечном итоге возникает в результате действия ядерных сил; наконец, недавно человеку удалось воспользоваться (и даже злоупотребить) делением ядер, которое тоже происходит от действия ядерных сил.

Ядерная физика развивалась в тех же направлениях, что и атомная. В тридцатых годах, всего через 10 лет после открытия волновой природы атомных электронов, были найдены характерные квантовые состояния и у ядер.

Это легко понять на основе наших знаний о кванте. Ядерные силы заставляют протоны и нейтроны двигаться в малой области, в пределах объема ядра. Такое ограничение движения подобно ограничению движения электронов в пределах объема атома за счет притяжения атомного ядра. Ограничивающее действие ядерных сил должно создавать конфигурации протонных и нейтронных волн, подобные конфигурациям электронных волн в атоме. Известно, что волновые свойства зависят от массы движущейся частицы; чем она тяжелее, тем короче волна и тем труднее заметить волновые эффекты. Однако волновые эффекты приводят к характерным волновым картинам, как только движение частицы ограничивается.

Мы видим повторение в ядре волновых эффектов, наблюдавшихся в атоме. Квантовые состояния, пороги устойчивости, характерные конфигурации, тождество ядер одного сорта — все это наблюдается в мире значительно меньших размеров, или, учитывая соотношение между размером и энергией, в мире гораздо больших энергий.

Для того чтобы изучать строение ядер, необходимо преодолеть пороговые энергии для квантовых состояний ядра. Оказалось, что эти энергии лежат в области сотен тысяч и миллионов электроновольт. Такие энергии получить очень трудно. Первые опыты по расщеплению ядра были выполнены с альфа-частицами, которые испускаются с большими энергиями некоторыми радиоактивными веществами. Эти частицы тождественны ядрам гелия: они состоят из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой в единое целое. Это те же частицы, при помощи которых Резерфорд в 1911 г. открыл атомные ядра. Несколькими годами позднее, в 1919 г., Резерфорд, снова применив альфа-частицы, сделал другое фундаментальное открытие. Направляя пучок альфа-частицы в газообразный азот, Резерфорд нашел, что они могут разбить ядро азота на части. Ему удалось показать, что от ядра азота отщепляется протон; тем самым он установил, что в состав ядра входят протоны.

После этой памятной даты был накоплен огромный запас данных о строении атомных ядер. После 1930 г. были изобретены и построены машины для ускорения протонов и альфа-частиц до весьма больших энергий, и больше не надо было применять радиоактивные вещества для исследования атомных ядер. Эти машины называют по-разному: циклотроны, синхротроны, электростатические ускорители и т. д.; их популярное название (в США) — «атомодробители», хотя их следовало бы назвать «дробителями ядер». Атом легко разрушается нагреванием или электрическим разрядом. При зажигании спички многие атомы вещества, покрывающего спичечную головку, теряют во время этого миниатюрного взрыва по одному из своих электронов. Именно ядро, а не атом противостоит разрушению структуры, пока не достигаются энергии порядка миллионов электроновольт.

Однако в некотором смысле название «атомодробитель» правильно. Атомное ядро — это не только центр атома, но и его основная часть. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Масса окружающих его электронов меньше 1/2000 всей массы атома. Больше того, электроны можно удалить и заменить. Именно заряд ядра определяет электронную волновую картину вокруг него и тем самым свойства атома. Ядро наделяет атом его специфическими свойствами. Когда Резерфорд и его сотрудники впервые превратили одно атомное ядро в другое (они бомбардировали азот альфа-частицами), альфа-частицы проникали в ядра азота и отрывали от них протоны; полный заряд ядра увеличивался на единицу, в результате чего ядро азота превращалось в ядро кислорода. Так они осуществили великую мечту алхимиков — преобразование одного элемента в другой (рис. 43).

Рис. 43. Старинный рисунок, изображающий алхимиков за работой.

Открытие ядерной силы было важным шагом в познании природы. Ранее мы узнали только о двух силах природы — силе тяжести и электромагнитной силе. Сила тяжести управляет движением очень больших единиц вещества, движением небесных тел и падением тел на Земле. По атомной шкале эта сила чрезвычайно мала и поэтому не играет никакой роли внутри атомов и молекул. Большое достижение квантовой механики заключалось в доказательстве того, что свойства вещества, строение атомов и молекул можно целиком объяснить электрическими силами между электронами и ядрами и электронными конфигурациями, обусловленными этими силами.

Теперь, изучая атомные ядра, мы натолкнулись на новую силу природы — ядерную силу, силу, которая действует между составляющими ядра и соединяет их между собой.

После этого ядерная физика приняла вид, во многом напоминающий атомную физику. Было показано, что и ядра имеют свои волновые картины, в ядрах были найдены характеристические квантовые состояния. Было установлено, что излучение, испускаемое и поглощаемое ядрами, имеет характеристические частоты, точно отвечающие разностям энергий между двумя квантовыми состояниями ядер (рис. 44).

Рис. 44. Квантовые состояния натрия (а) и ядра натрия (б). Состояния а те же, как и на рис. 23 гл. V. Отметим, что на рис. б цена деления в 100 000 раз больше.

Переходя из более высокого энергетического состояния в более низкое, ядро, так же как и атом, освобождает разность энергий в форме кванта излучения, частота которого отвечает разности энергий Е согласно формуле Планка E = h. Различие с атомом — в величине освобождаемой энергии. Переходя из одного квантового состояния в другое, атом обычно испускает видимый свет; атомные ядра испускают «свет» гораздо более высокой частоты, потому что разность ядерных энергий в сотни тысяч раз больше атомных. Эти лучи подобны очень сильно проникающим рентгеновским лучам и называются «гамма-лучами».

Есть еще одно различие между квантовой механикой атома и квантовой механикой атомного ядра. В случае атома мы точно знаем природу силы, привязывающей электрон к ядру, это. сила электростатического притяжения. Можно точно рассчитать волновые картины и предсказать энергию и конфигурацию квантовых состояний. В случае атомного ядра притягивающая сила нова по природе и нам неизвестна. Мы не можем достаточно хорошо рассчитать волновые картины. Все, что мы можем в настоящее время, — это определять свойства этой новой силы, изучая наблюдаемые волновые картины. Трудность подобной задачи становится понятной, если учесть, что атомные ядра в 10 тысяч раз меньше атомов. Однако удалось накопить достаточно важные сведения о новой силе. В настоящее время мы знаем радиус ее действия, величину, а также некоторые ее более тонкие особенности; кроме того, нам известен следующий замечательный факт: почти всюду (в пределах радиуса ее действия) эта сила является притягивающей, но при слишком сильном сближении нуклонов она становится отталкивающей.

Ядерная физика преподала нам урок исключительной важности. Вся материя состоит из элементарных частиц трех типов: протонов, нейтронов и электронов. Все в природе есть комбинация этих трех единиц. Протоны и нейтроны соединяются, образуя атомные ядра, электроны в соответствии со своими волновыми картинами движутся вокруг ядер, и получаются атомы; атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, которые мы видим вокруг себя. Это было большое достижение — свести все многообразие веществ к трем элементарным единицам, которые образуют различные комбинации под влиянием ядерных и электромагнитных сил и создают все вещества во Вселенной.