Сторінка
2

Будова й властивості атомного ядра

«Основним результатом ретельного аналізу видимої серії лінійчатих спектрів і їхніх відношень, — писав Бор, — було встановлення того факту, що частота v кожної лінії спектра цього елемента може бути представлена з незвичайною точністю формулою v = Тr — Тrr, де Тr і Тrr — якісь два члени з безлічі спектральних елементів T, що характеризують елемент».

Бору вдалося знайти пояснення цього основного закону спектроскопії. Але для цього йому довелося ввести поняття стаціонарних орбіт або станів атомів, у яких електрон рухається по орбіті, не випромінюючи при цьому енергії.

Ця ідея зараз широко відома під назвою першого постулату Бора. Він суперечить і класичній механіці, і електродинаміці Максвелла. По-перше, він чітко визначає енергію електронів у кожному стаціонарному стані, а по-друге, допускає можливість прискореного руху без випромінювання електромагнітних хвиль.

Другий постулат Бора .також суперечить електродинаміці Максвелла, пов'язуючи частоту випромінювання винятково зі зміною енергії атома, а не з частотою обертання електрона по орбіті. Однак ці постулати підтверджуються квантово-механічними розрахунками. Тому на сьогоднішній день модель атома Бора t головною відправною точкою для розробки єдиної послідовної теорії атомного ядра.

Розщеплення ядра. Протон

У 1919 році Резерфорд зробив чергове сенсаційне відкриття. Йому вдалося розщепити ядро.

Вивчаючи зіткнення а-частинок із легкими атомами, Резерфорд встановив, що при ударі а-частинки об ядро Гідрогену воно збільшує свою швидкість у 1,6 разу й відбирає 64 % енергії а-частинки. У результаті зіткнень атомів Нітрогену з а-частинками виходять частинки з максимальним пробігом, що відповідає пробігу атомів Гідрогену.

«З отриманих досі результатів, — писав Резерфорд, — важко уникнути висновку, що атоми з великим пробігом, які виникають при зіткненні а-частинок з Нітрогеном, є не атомами Нітрогену, але, цілком ймовірно, атомами Гідрогену або атомами з масою 2. Якщо це так, то ми повинні визнати, що атом Нітрогену розпадається унаслідок величезних сил, які розвиваються при зіткненні зі швидкою α-частинкою, і що атом Гідрогену, який звільняється, утворює складову частину атома».

Так була уперше висловлена думка про те, що ядра Гідрогену є основною частиною ядер атомів. Пізніше для позначення ядер Гідрогену був запропонований термін «протон».

Великим кроком до встановлення будови атома стала гіпотеза М. Склодовської-Кюрі про те, що до складу ядра входять електрони. Спираючись на неї, Резерфорд припустив, що в природі існують ядра з масою одного, двох і трьох ядер Гідрогену, але з нульовим зарядом.

Резерфорд писав, що йому «здається досить правдоподібним, що один електрон може зв'язати два Н-ядра і, можливо, навіть і одне Н-ядро. Якщо справедливим є перше припущення, то воно вказує на можливість існування атома з масою близько 2 і з одним зарядом. Таку речовину потрібно розглядати як ізотоп Гідрогену. Друге припущення містить у собі думка про можливості існування атома з масою 1 і нуклеарним зарядом, що дорівнює нулю. Подібні утворення видаються цілком можливими». Так була висловлена гіпотеза про існування нейтрона і важкого ізотопу Гідрогену.

Сучасні теорії будови атомного ядра

Протонно-нейтронна модель ядра

Сьогодні фізики усього світу користуються теорією про те, що ядро складається з елементарних частинок — протонів і нейтронів. Уперше таке припущення висловив у 1932 році радянський фізик Д. Д. Іваненко. Однак протонно-нейтронна модель ядра не відразу була прийнята ученими. Навіть Резерфорд стверджував, що нейтрон — лише складне утворення протона й електрона. У 1933 році Іваненко виголосив доповідь про моделі ядра, відстоюючи протонно-нейтронну теорію. Він спирався на те, що в ядрі є тільки важкі частинки.

Іваненко відкинув ідеї про складну структуру нейтрона й протона. На його думку, обидві частинки повинні мати однаковий ступінь елементарності, тобто і нейтрон, і протон можуть переходити один в одного. Надалі протон і нейтрон почали розглядатися як два стани однієї частинки — нуклона, й ідея Іваненко стала загальноприйнятою, а незабаром у складі космічних променів була відкрита ще одна елементарна частинка — позитрон.

Зараз протонно-нейтронна модель ядра вже не викликає сумнівів. Крім того, протягом довгого часу існувала гіпотеза про те, що в ядрі можуть знаходитися також і електрони. Однак вона мала дуже багато протиріч і не була підтверджена експериментально. Так, відповідно до цієї гіпотези, масове число повинно відповідати загальній кількості протонів у ядрі, а різниця масового числа й кількості електронів повинна дорівнювати зарядові ядра. Ця модель не суперечила значенням ізотопних мас і зарядів, однак не погоджувалася зі значеннями магнітних моментів ядер, спінів й енергій зв'язку ядра. Крім того, вона спростовувала співвідношення невизначеностей Гейзенберга, відповідно до якого неможливо одночасно встановити певну координату (X, Y, Z) і певну відповідну проекцію імпульсу (рх, /у р;) мікрочастинки:

де h — константа Планка.

У результаті цього протонно-нейтронна модель ядра була відкинута.

Краплинна модель ядра

Краплинна модель ядра була запропонована в 1936 році Бором і Френкелем. Вона ґрунтувалася на аналогії між поведінкою нуклонів у ядрі та поведінкою молекул у краплі рідини. В обох випадках сили, що діють між складовими частинками рідини (молекулами) і ядра (нуклонами), є короткодіючими, і їм властиве насичення. Для краплі рідини при постійних зовнішніх умовах характерною є постійна густина речовини. Ядра ж характеризуються практично постійною питомою енергією зв'язку і постійною густиною, що не залежить від числа нуклонів у ядрі. Нарешті, розмір краплі, як і розмір ядра, пропорційний до числа частинок. Однак ця модель представляє ядро як краплю електрично зарядженої нестисливої рідини з густиною, що дорівнює ядерній. Ця рідина підпорядковується законам квантової механіки. Краплинна модель ядра дозволила одержати напівемпіричну формулу для енергій зв'язку нуклонів у ядрі, пояснила механізм ядерних реакцій і особливо добре описала реакції розподілу ядра. Однак вона не пояснює підвищену стійкість ядер, що містять магічні числа протонів і нейтронів.

Оболонкова модель ядра

У 50-х роках двадцятого століття американець М. Гепперт-Майер і німець X. Йенсен виступили з оболонковою моделлю ядра. Відповідно до неї розподіл нуклонів у ядрі відбувається за дискретними енергетичними рівнями (оболонками), що заповнюються нуклонами відповідно до принципу Паулі. До того ж вона пов'язала заповнення цих рівнів зі стійкістю ядер. Вважається, що ядра з повністю заповненими оболонками є найбільш стійкими. Такі особливо стійкі (магічні) ядра справді існують. Це ядра, в яких число протонів або число нейтронів дорівнює одному з магічних чисел (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).