Академик А. Ф. ИОФФЕ. "Наука и жизнь" № 1, 1934 г.

Статьей "Ядро атома" академика Абрама Федоровича Иоффе открывался первый номер журнала "Наука и жизнь", вновь созданного в 1934 году.

Э. Резерфорд.

Ф. У. Астон.

ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА МАТЕРИИ

В начале XX века атомистическое строение материи перестало быть гипотезой, и атом сделался такой же реальностью, как реальны обычные для нac факты и явления.

Выяснилось, что атом есть очень сложное образование, в состав которого, несомненно, входят электрические заряды, а может быть, и только одни электрические заряды. Отсюда, естественно, возник вопрос о структуре атома.

Первая модель атома была построена по образцу Солнечной системы. Однако такое представление о структуре атома вскоре оказалось несостоятельным. И это естественно. Представление об атоме как о Солнечной системе было чисто механическим перенесением картины, связанной с астрономическими масштабами, в область атома, где масштабы - только стомиллионные доли сантиметра. Столь резкое количественное изменение не могло не повлечь за собой и очень существенного изменения качественных свойств тех же явлений. Это различие прежде всего сказалось в том, что атом, в отличие от Солнечной системы, должен быть построен по гораздо более жестким правилам, чем те законы, которые определяют орбиты планет Солнечной системы.

Возникло два затруднения. Во-первых, все атомы данного рода, данного элемента по своим физическим свойствам совершенно одинаковы, а следовательно, совершенно одинаковы должны быть орбиты электронов в этих атомах. Между тем законы механики, управляющие движением небесных тел, для этого не дают решительно никаких оснований. В зависимости от начальной скорости орбита планеты может быть, по этим законам, совершенно произвольна, планета может вращаться каждый раз с соответственной скоростью по любой орбите, на любых расстояниях от Солнца. Если бы такие же произвольные орбиты существовали в атомах, то атомы одинакового вещества не могли бы быть настолько совпадающими по своим свойствам, например, давать строго одинаковый спектр свечения. Это одно противоречие.

Другое - заключалось в том, что движение электрона вокруг атомного ядра, если к нему применить законы, хорошо нами изученные в большом масштабе лабораторных опытов или даже астрономических явлений, должно было бы сопровождаться непрерывным излучением энергии. Следовательно, энергия атома должна была бы непрерывно истощаться, и опять-таки атом не мог бы сохранить одинаковыми и неизменными свои свойства на протяжении столетий и тысячелетий, а весь мир и все атомы должны были бы испытывать непрерывное затухание, непрерывную потерю заключающейся в них энергии. Это тоже никак несовместимо с основными свойствами атомов.

Последнее затруднение ощущалось особенно остро. Казалось, оно завело всю науку в неразрешимый тупик.

Крупнейший физик Лоренц закончил нашу беседу по этому поводу так: "Я жалею, что не умер пять лет назад, когда этого противоречия еще не было. Тогда я умер бы в убеждении, что я раскрыл часть истины в явлениях природы".

В это же время, весной 1924 года, де-Бройль, молодой ученик Ланжевена, в своей диссертации выразил мысль, которая в дальнейшем своем развитии привела к новому синтезу.

Идея де-Бройля, потом довольно существенно измененная, но до сих пор в основном сохранившаяся, заключалась в том, что движение электрона, вращающегося вокруг ядра в атоме, не есть просто движение некоего шарика, как это представляли себе раньше, что это движение сопровождается некоторой волной, идущей вместе с движущимся электроном. Электрон - не шарик, а некоторая размытая в пространстве электрическая субстанция, движение которой представляет собой в то же время распространение волны.

Это представление, затем распространенное не только на электроны, но и на движение всякого тела - и электрона, и атома, и целой совокупности атомов, - утверждает, что всякое движение тела заключает в себе две стороны, из которых мы в отдельных случаях можем видеть особенно отчетливо одну сторону, тогда как другая заметно не проявляется. В одном случае мы видим как бы распространяющиеся волны и не замечаем движения частиц, в другом случае, наоборот, на первый план выступают сами движущиеся частицы, а волна ускользает от нашего наблюдения.

Но на самом деле всегда обе эти стороны имеются, и, в частности, в движении электронов имеется не только перемещение самих зарядов, но и распространение волны.

Нельзя сказать, что движения электронов по орбитам нет, а есть только пульсация, только волны, т. е. нечто другое. Нет, правильнее было бы сказать так: того движения электродов, которое мы уподобляли движению планет вокруг Солнца, мы вовсе не отрицаем, но самое это движение имеет характер пульсации , а не характер движения земного шара вокруг Солнца.

Я не стану здесь излагать строение атома, строение той электронной его оболочки, которая определяет все основные физические свойства - сцепление, упругость, капиллярность, химические свойства и т. п. Все это - результат движения электронной оболочки, или, как мы теперь скажем, пульсации атома.

ПРОБЛЕМА АТОМНОГО ЯДРА

Ядро играет в атоме самую существенную роль. Это - тот центр, вокруг которого вращаются все электроны и свойствами которого в конечном счете обусловливается все остальное.

Первое, что мы могли узнать о ядре, - это его заряд. Мы знаем, что в состав атома входит некоторое число отрицательно заряженных электронов, но атом в целом не обладает электрическим зарядом. Значит, где-то должны быть соответствующие положительные заряды. Эти положительные заряды сосредоточены в ядре. Ядро - положительно заряженная частица, вокруг которой пульсирует электронная атмосфера, окружающая ядро. Заряд ядра определяет собой и число электронов.

Электроны железа и меди, стекла и дерева совершенно одинаковы. Для атома никакой беды не составляет потерять несколько своих электронов или даже потерять все свои электроны. Пока остается положительно заряженное ядро, это ядро притянет к себе из других окружающих тел столько электронов, сколько ему нужно, и атом сохранится. Атом железа до тех пор останется железом, пока цело его ядро. Если он потеряет несколько электронов, то положительный заряд ядра окажется больше, чем совокупность оставшихся отрицательных зарядов, и весь атом в целом приобретет избыточный положительный заряд. Тогда мы его называем не атомом, а положительным ионом железа. В другом случае атом может, наоборот, привлечь к себе больше отрицательных электронов, чем в нем имеется положительных зарядов, - тогда он будет заряжен отрицательно, и мы называем его отрицательным ионом; это будет отрицательный ион того же элемента. Следовательно, индивидуальность элемента, все его свойства существуют и определяются ядром, зарядом этого ядра прежде всего.

Далее, - масса атома в подавляющей своей части определяется именно ядром, а не электрона ми, - масса электронов составляет меньше одной тысячной массы всего атома; больше чем 0,999 всей массы - это масса ядра. Это имеет тем большее значение, что массу мы считаем мерой того запаса энергии, которым обладает данное вещество; масса - такая же мера энергии , как эрг, киловатт-час или калория .

Сложность ядра обнаружилась в явлении радиоактивности, открытом, вскоре за рентгеновыми лучами, на грани нашего столетия. Известно, что радиоактивные элементы непрерывно излучают энергию в виде альфа-, бета- и гамма-лучей. Но такое непрерывное излучение энергии должно иметь какой-то источник. В 1902 г. Резерфорд показал, что единственным источником этой энергии должен быть атом, иначе сказать, ядерная энергия. Другая сторона радиоактивности заключается в том, что испускание этих лучей переводит один элемент, находящийся в одном месте периодической системы, в другой элемент с другими химическими свойствами. Иными словами, радиоактивные процессы осуществляют превращение элементов. Если верно, что ядром атома определяется его индивидуальность и что, пока ядро цело, до тех пор и атом остается атомом данного элемента, а не какого-нибудь другого, то переход одного элемента в другой означает изменение самого ядра атома.

Выбрасываемые радиоактивными веществами лучи дают первый подход, позволяющий составить себе некоторое общее представление о том, что заключено в ядре.

Альфа-лучи представляют собой ядра гелия, а гелий - второй элемент периодической системы. Можно думать поэтому, что в состав ядра входят ядра гелия. Но измерение скоростей, с которыми вылетают альфа-лучи, приводит сразу же к очень серьезному затруднению.

ТЕОРИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ГАМОВА

Ядро заряжено положительно. При приближении к нему всякая заряженная частица испытывает силу притяжения или отталкивания. В больших масштабах лабораторий взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона: два заряда взаимодействуют друг с другом с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональной величине одного и другого зарядов. Изучая законы притяжения или отталкивания, которые испытывают частицы, приближаясь к ядру, Резерфорд установил, что вплоть до очень близких к ядру расстояний, порядка 10 -12 см, еще справедлив тот же закон Кулона. Если это так, то мы легко можем подсчитать, какую работу должно произвести ядро, отталкивая от себя положительный заряд, когда он выходит из ядра и выбрасывается наружу. Альфа-частицы и заряженные ядра гелия, вылетая из ядра, движутся под отталкивающим действием его заряда; и вот соответствующий подсчет дает, что под действием одного только отталкивания альфа-частицы должны были накопить кинетическую энергию, соответствующую, по крайней мере, 10 или 20 млн. электронвольт, т. е. энергию, которая получается при прохождении зарядом, равным заряду электрона, разности потенциалов в 20 млн. вольт . А на самом деле, вылетая из атома, они выходят с энергией, гораздо меньшей, всего в 1-5 млн. электронвольт. А ведь, кроме того,

естественно было ожидать, что и ядро, выбрасывая альфа-частицу, еще что-то дает ей в придачу. В момент выбрасывания в ядре происходит что-то вроде взрыва, и самый этот взрыв сообщает какую-то энергию; к этому прибавляется работа сил отталкивания, а оказывается, что сумма этих энергий меньше того, что должно дать одно отталкивание. Это противоречие снимается, как только мы откажемся от механического перенесения в эту область взглядов, выработанных на опыте изучения больших тел, где мы не принимаем во внимание волнового характера движения. Г. А. Гамов первый дал правильное толкование этому противоречию и создал волновую теорию ядра и радиоактивных процессов.

Известно, что на достаточно больших расстояниях (больше 10 -12 см) ядро отталкивает от себя положительный заряд. С другой стороны, несомненно, что внутри самого ядра, в котором находится много положительных зарядов, они почему-то не отталкиваются. Самое существование ядра показывает, что положительные заряды внутри ядра взаимно притягивают друг друга, а вне ядра - от него отталкиваются.

Как же можно описать энергетические условия в самом ядре и вокруг него? Гамов создал следующее представление. Будем изображать на диаграмме (рис. 5) величину энергии положительного заряда в данном месте расстоянием от горизонтальной прямой А .

По мере приближения к ядру энергия заряда будет возрастать, потому что будет совершаться работа против силы отталкивания. Внутри ядра, наоборот, энергия должна снова уменьшиться, потому что здесь существует не взаимное отталкивание, а взаимное притяжение. На границах ядра происходит резкое спадание величины энергии. Наш рисунок изображен на плоскости; на самом деле нужно, конечно, представить себе его в пространстве с таким же распределением энергии и по всем другим направлениям. Тогда мы получаем, что вокруг ядра имеется шарообразный слой с высокой энергией, как бы некоторый энергетический барьер, защищающий ядро от проникновения положительных зарядов, так называемый "барьер Гамова".

Если стоять на точке зрения привычных взглядов на движение тела и забыть о волновой его природе, то нужно ожидать, что в ядро может пробраться только такой положительный заряд, энергия которого не меньше высоты барьера. Наоборот, для того, чтобы выйти из ядра, заряду нужно сначала достигнуть вершины барьера, после чего его кинетическая энергия начнет возрастать по мере удаления от ядра. Если на вершине барьера энергия была равна нулю, то при удалении из атома она и получит те самые 20 млн. электронвольт, которые на самом деле никогда не наблюдаются. Новое понимание ядра, которое внес Гамов, заключается в следующем. Движение частицы нужно рассматривать как волновое. Следовательно, на этом движении сказывается энергия не только в занимаемой частицей точке, но и во всей размытой волне частицы, охватывающей довольно значительное пространство. Исходя из представлений волновой механики, мы можем утверждать, что, если даже энергия в данной точке не достигла того предела, который соответствует вершине барьера, частица может оказаться по другую его сторону, где ее уже не втягивают в ядро действующие там силы притяжения.

Нечто аналогичное представляет следующий опыт. Представьте себе, что за стеной комнаты находится бочка с водой. От этой бочки проведена труба, которая проходит высоко наверху через отверстие, в стене и подает воду; внизу вода выливается. Это - хорошо известное устройство, называемое сифоном. Если бочка с той стороны поставлена выше, чем конец трубы, то через нее будет непрерывно вытекать вода со скоростью, определяемой разностью уровня воды в бочке и конца трубы. Ничего удивительного здесь нет. Но если бы вы не знали о существовании бочки по ту сторону стены и видели только трубу, по которой течет вода с большой высоты, то для вас этот факт казался бы непримиримым противоречием. Вода течет с большой высоты и в то же время не накапливает той энергии, которая соответствует высоте трубы. Однако объяснение в данном случае очевидно.

Аналогичное явление мы имеем в ядре. Заряд из своего нормального положения А поднимается в состояние большей энергии В , но вовсе не достигает вершины барьера С (рис. 6).

Из состояния В альфа-частица, проходя сквозь барьер, начинает отталкиваться от ядра не с самой вершины С , а с меньшей высоты энергии B 1 . Поэтому при выходе наружу накопленная частицей энергия будет зависеть не от высоты С , а от меньшей высоты, равной B 1 (рис. 7).

Это качественное рассуждение можно облечь и в количественную форму и дать закон, определяю щий вероятность прохождения барьера альфа-частицей в зависимости от той энергии В , которой она обладает в ядре, а следовательно, и от той энергии, которую она получит при выходе из атома.

При помощи ряда опытов был установлен очень простой закон, связывавший числа выбрасываемых радиоактивными веществами альфа-частиц с их энергией или скоростью. Но смысл этого закона был совершенно непонятен.

Первый успех Гамова заключался в том, что из его теории совершенно точно и непринужденно вытекал этот количественный закон испускания альфа-частиц. Сейчас "энергетический барьер Гамова" и волновое его толкование являются основой всех наших представлений о ядре.

Свойства альфа-лучей качественно и количественно хорошо объясняются теорией Гамова, но известно, что радиоактивные вещества испускают и бета-лучи - потоки быстрых электронов. Испускания электронов модель не в состоянии объяснить. Это - одно из самых серьезных противоречий теории атомного ядра, которое до самого последнего времени осталось неразрешенным, но решение которого теперь, по-видимому, намечается .

СТРОЕНИЕ ЯДРА

Перейдем теперь к рассмотрению того, что мы знаем о строении ядра.

Больше 100 лет назад Проутом была высказана мысль, что, может быть, элементы периодической системы вовсе не являются отдельными, ничем между собой не связанными формами материи, а представляют собой только разные комбинации атома водорода. Если бы это было так, то можно было бы ожидать, что не только заряды всех ядер будут представлять собою целые кратные заряда водорода, но и массы всех ядер будут выражаться целыми кратными массы ядра водорода, т. е. все атомные веса должны были бы выражаться целыми числами. И действительно, если посмотреть на таблицу атомных весов, то можно увидеть большое число целых чисел . Например, углерод - ровно 12, азот ровно 14, кислород - ровно 16, фтор - ровно 19. Это, конечно, не случайность. Но есть все-таки атомные веса, далекие от целых чисел. Например, неон имеет атомный вес 20,2, хлор - 35,46. Поэтому гипотеза Проута осталась частичной догадкой и не могла сделаться теорией строения атома. Изучая поведение заряженных ионов, особенно легко можно изучать свойства ядра атома, воздействуя на них, например, электрическим и магнитным полем.

Основанный на этом метод, доведенный до чрезвычайно большой точности Астоном, позволил установить, что все элементы, атомные веса которых не выражались целыми числами, на самом деле представляют собой не однородное вещество, а смесь двух или нескольких - 3, 4, 9 - разных видов атомов. Так, например, атомный вес хлора, равный 35,46, объясняется тем, что на самом деле имеется несколько сортов хлорных атомов. Существуют атомы хлора с атомным весом 35 и 37, и эти два вида хлора смешаны между собой в такой пропорции, что их средний атомный вес получается 35,46. Оказалось, что не только в одном этом частном случае, но и во всех без исключения случаях, где атомные веса не выражаются целыми числами, мы имеем смесь изотопов, т. е. атомов с одинаковым зарядом, следовательно, представляющих собой один и тот же элемент, но с различными массами. Каждый же отдельный сорт атомов всегда имеет целый атомный вес.

Таким образом, гипотеза Проута получила сразу значительное подкрепление, и вопрос можно было бы считать решенным, если бы не одно исключение, а именно, сам водород. Дело в том, что наша система атомных весов построена не на водороде, принятом за единицу, а на атомном весе кислорода, который условно принят равным 16. По отношению к этому весу атомные веса выражаются почти точными целыми числами. Но сам водород в этой системе имеет атомный вес не единицу, а несколько больше, именно 1,0078. Это число отличается от единицы довольно значительно- на 3 / 4 %, что далеко превосходит все возможные ошибки в определении атомного веса.

Оказалось, что и у кислорода имеется 3 изотопа: кроме преобладающего, с атомным весом 16, другой - с атомным весом 17 и третий - с атомным весом 18 . Если относить все атомные веса к изотопу 16, то атомный вес водорода все-таки окажется немного больше единицы. Далее был найден второй изотоп водорода - водород с атомным весом 2 - дейтерий, как его назвали открывшие его американцы, или диплоген, как его называют англичане. Этого дейтерия примешано всего примерно 1/6000 часть, и поэтому на атомном весе водорода присутствие этой примеси сказывается очень мало.

Следующий за водородом гелий имеет атомный вес 4,002. Если бы он был составлен из 4 водородов, то атомный вес его должен был бы быть, очевидно, 4,031. Следовательно, в этом случае мы имеем некоторую потерю в атомном весе, а именно: 4,031 - 4,002 = 0,029. Возможно ли это? Пока мы не считали массу некоторой мерой материи, конечно, это было невозможно: это значило бы, что часть материи исчезла.

Но теория относительности установила с несомненностью, что масса не есть мера количества материи , а мера той энергии, которой эта материя обладает. Материя измеряется не массой, а количеством зарядов, составляющих эту материю. Эти заряды могут иметь большую или меньшую энергию. Когда одинаковые заряды сближаются - энергия увеличивается, когда они удаляются - энергия уменьшается. Но это, конечно, не значит, что изменилась материя.

Когда мы говорим, что при образовании гелия из 4 водородов исчезло 0,029 атомного веса, то это значит, что исчезла соответствующая этой величине энергия. Мы знаем, что каждый грамм вещества обладает энергией, равной 9 . 10 20 эрг. При образовании 4 г гелия теряется энергия, равная 0,029 . 9 . 10 20 эргам. За счет этого уменьшения энергии 4 ядра водорода соединятся в новое ядро. Лишняя энергия выделится в окружающее пространство, и останется соединение с несколько меньшей энергией и массой. Таким образом, если атомные веса измеряются не точно, целыми числами 4 или 1, а 4,002 и 1,0078, то именно эти тысячные доли приобретают особенное значение, потому что они определяют энергию, выделяющуюся при образовании ядра.

Чем больше выделяется энергии при образовании ядра, т. е. чем больше при этом потеря в атомном весе, тем прочнее ядро. В частности, ядро гелия очень прочно, потому что при его образовании выделяется энергия, соответствующая потере в атомном весе - 0,029. Это очень большая энергия. Чтобы судить о ней, лучше всего запомнить такое простое соотношение: одна тысячная атомного веса соответствует примерно 1 млн электронвольт. Так что 0,029 это примерно 29 млн. электронвольт. Для того чтобы разрушить ядро гелия, чтобы разложить его обратно на 4 водорода, нужна колоссальная энергия. Ядро такой энергии не получает, поэтому ядро гелия чрезвычайно устойчиво, и поэтому-то именно из радиоактивных ядер выделяются не ядра водорода, а целые ядра гелия, альфа-частицы. Эти соображения приводят нас к новой оценке атомной энергии. Мы уже знаем, что в ядре сосредоточена почти вся энергия атома, и притом энергия громадная. 1 г вещества имеет, если перевести на более наглядный язык, столько энергии, сколько можно получить от сжигания 10 поездов по 100 вагонов нефти. Следовательно, ядро - совершенно исключительный источник энергии. Сравните 1 г с 10 поездами - таково соотношение концентрации энергии в ядре по сравнению с энергией, которой мы пользуемся в нашей технике.

Однако, если вдуматься в те факты, которые мы сейчас рассматриваем, то можно, наоборот, придти к совершенно противоположному взгляду на ядро. Ядро с этой точки зрения является не источником энергии, а ее кладбищем: ядро - это остаток после выделения громадного количества энергии, и в нем мы имеем самое низкое состояние энергия.

Следовательно, если мы можем говорить о возможности использования энергии ядра, то только в том смысле, что, может быть, не все ядра дошли до предельно низкой энергии: ведь и водород и гелий - оба существуют в природе, и, следовательно, не весь водород соединился в гелий, хотя гелий и обладает меньшей энергией. Если бы мы могли имеющийся водород сплотить в гелий, то получили бы известное количество энергии. Это не 10 поездов с нефтью, но все-таки это будет примерно 10 вагонов с нефтью. И это не так уж плохо, если бы можно было из 1 г вещества получить столько энергии, сколько от сжигания 10 вагонов нефти.

Таковы возможные запасы энергии при перестройке ядер. Но возможность, конечно, еще далеко не реальность .

Каким же образом можно реализовать эти возможности? Для того, чтобы оценить их, перейдем к рассмотрению состава атомного ядра.

Мы можем теперь сказать, что во всех ядрах имеются положительные ядра водорода, которые называются протонами, обладают единицей атомного веса (точнее 1,0078) и единичным положительным зарядом. Но ядро не может состоять из одних протонов. Возьмем, например, самый тяжелый элемент, занимающий 92-е место в периодической таблице, - уран с атомным весом 238. Если предположить, что все эти 238 единиц составлены из протонов, то уран имел бы 238 зарядов, между тем он имеет всего 92. Следовательно, либо там не все частицы заряжены, либо там кроме 238 протонов имеются 146 отрицательных электронов. Тогда все благополучно: атомный вес был бы 238, положительных зарядов 238 и отрицательных 146, следовательно, суммарный заряд 92. Но мы уже установили, что предположение о наличии в ядре электронов несовместимо с нашими представлениями: ни по размерам, ни по магнитным свойствам электронов в ядро поместить нельзя. Оставалось какое-то противоречие.

ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА

Это противоречие было уничтожено новым опытным фактом, который примерно два года тому назад был открыт Иреной Кюри и мужем ее Жолио (Ирена Кюри - дочь Марии Кюри, открывшей радий) . Ирена Кюри и Жолио открыли, что при бомбардировке бериллия (четвертого элемента периодической системы) альфа-частицами бериллий испускает какие-то странные лучи, проникающие через громадные толщи вещества. Казалось бы, paз они так легко проникают сквозь вещества, они не должны вызывать там сколько-нибудь значительных действий, иначе их энергия истощилась бы и они не проникали бы сквозь вещество. С другой стороны, оказывается, что эти лучи, столкнувшись с ядром какого- нибудь атома, отбрасывают его с громадной силой, как бы ударом тяжелой частицы. Так что, с одной стороны, нужно думать, что эти лучи - тяжелые ядра, а с другой стороны, они способны проходить громадные толщи, не оказывая никакого влияния.

Разрешение этого противоречия найдено было в том, что эта частица не заряжена. Если у частицы нет электрического заряда, то тогда на нее ничто не будет действовать, и сама она ни на что не будет действовать. Только тогда, когда она при своем движении наскочит где-нибудь на ядро, она его отбрасывает.

Таким образом, появились новые незаряженные частицы - нейтроны. Оказалось, что масса этой частицы примерно такая же, как масса частицы водорода - 1,0065 (на одну тысячную меньше протона, стало быть, энергия ее примерно на 1 млн электронвольт меньше). Эта частица похожа на протон, но только лишена положительного заряда, она нейтральна, ее назвали нейтроном.

Как только выяснилось существование нейтронов, было предложено совершенно иное представление о строении ядра. Оно было впервые высказано Д. Д. Иваненко, а затем развито, в особенности Гайзенбергом, получившим Нобелевскую премию прошлого года. В ядре могут находиться протоны и нейтроны. Можно было предположить, что ядро и составлено только из протонов и нейтронов. Тогда совсем по-другому, но совсем просто представляется все построение периодической системы. Как, например, надо себе представить уран? Его атомный вес 238, т. е. там 238 частичек. Но часть из них протоны, часть нейтроны. Каждый протон имеет положительный заряд, нейтроны совсем не имеют заряда. Если заряд урана - 92, то это значит, что 92 - протона, а все остальное - нейтроны. Это представление уже сейчас привело к ряду весьма замечательных успехов, сразу разъяснило целый ряд свойств периодической системы, которые раньше представлялись совершенно загадочными. Когда протонов и нейтронов немного, то, по современным представлениям волновой механики, нужно ожидать, что число протонов и нейтронов в ядре одинаково. Зарядом обладает только протон, и число протонов дает атомный номер. А атомный вес элемента - это сумма весов протонов и нейтронов, потому что и те и другие имеют по единице атомного веса. На этом основании можно сказать, что атомный номер - это половина атомного веса.

Теперь остается все-таки одно затруднение, одно противоречие. Это - противоречие, создаваемое бета-частицами.

ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА

Мы пришли к заключению, что в ядре нет ничего кроме положительно заряженного протона. А как же тогда выбрасываются из ядра отрицательные электроны, если там вообще никаких отрицательных зарядов нет? Как видите, мы попали в трудное положение.

Из него нас выводит опять-таки новый экспериментальный факт, новое открытие. Это открытие было сделано, пожалуй впервые, Д. В. Скобельцыным, который, давно уже изучая космические лучи, нашел, что среди зарядов, которые выбрасывают космические лучи, есть и положительные легкие частицы. Но это открытие настолько противоречило всему тому, что твердо было установлено, что Скобельцын сначала не придал своим наблюдениям такого толкования.

Следующим, кто открыл это явление, был американский физик Андерсен в Пасадене (Калифорния), а после него в Англии, в лаборатории Резерфорда, - Блэккет. Это - положительные электроны или, как их не очень удачно назвали, - позитроны. Что действительно это положительные электроны - можно проще всего видеть по их поведению в магнитном поле. В магнитном поле электроны отклоняются в одну сторону, а позитроны - в другую, и направление их отклонения определяет собою их знак.

Вначале позитроны наблюдались только при прохождении космических лучей. Совсем недавно те же Ирена Кюри и Жолио открыли новое замечательное явление. Оказалось, что существует новый тип радиоактивности, что ядра алюминия, бора, магния, сами по себе не радиоактивные, будучи бомбардированы альфа-лучами, становятся радиоактивными. В течение от 2 до 14 минут они продолжают сами собой испускать частицы, и эти частицы уже не альфа- и бета-лучи, а позитроны.

Теория позитронов была создана гораздо раньше, чем был найден сам позитрон. Дирак поставил себе задачу придать уравнениям волновой механики такую форму, чтобы они удовлетворяли и теории относительности.

Эти уравнения Дирака, однако, привели к очень странному следствию. Масса в них входит симметрично, т. е. при изменении знака массы на противоположный уравнения не изменяются. Эта симметрия уравнений относительно массы позволила Дираку предсказать возможность существования положительных электронов.

В то время никто положительных электронов не наблюдал, и существовала твердая уверенность, что положительных электронов нет (можно судить об этом по той осторожности, с которой подошли к данному вопросу и Скобельцын и Андерсен), поэтому теория Дирака была отвергнута. Спустя два года положительные электроны были на самом деле найдены, и, естественно, вспомнили о теории Дирака, предсказавшей их появление.

"МАТЕРИАЛИЗАЦИЯ" И "АННИГИЛЯЦИЯ"

Эта теория связана с целым рядом неосновательных толкований, которые обрастают ее со всех сторон. Мне хотелось бы здесь разобрать названный так по инициативе мадам Кюри процесс материализации - появление при прохождении гамма-лучей сквозь материю одновременно пары из положительного и отрицательного электрона . Этот опытный факт толкуют как превращение электромагнитной энергии в две частицы материи, которых раньше не существовало. Этот факт, следовательно, истолковывается как создание и исчезновение материи под влиянием тех иных лучей.

Но если ближе присмотреться к тому, что мы в действительности наблюдаем, то легко видеть, что такое толкование появления пар не имеет никаких оснований. В частности, в работе Скобельцына прекрасно видно, что появление пары зарядов под воздействием гамма-лучей происходит вовсе не в пустом пространстве, появление пар наблюдается всегда только в атомах. Следовательно, здесь мы имеем дело не с материализацией энергии, не с появлением какой-то новой материи, а только с разделением зарядов внутри той материи, которая уже существует в атоме. Где она находилась? Надо думать, что процесс расщепления положительного и отрицательного заряда происходит недалеко от ядра, внутри атома, но не внутри ядра (на сравнительно не очень большом расстоянии 10 -10 -10 -11 см, тогда как радиус ядра 10 -12 -10 -13 см).

Совершенно то же можно сказать и об обратном процессе "аннигиляции материи" - соединения отрицательного и положительного электрона с выделением одного миллиона электронвольт энергии в виде двух квантов электромагнитных гамма-лучей. И этот процесс происходит всегда в атоме, по-видимому вблизи его ядра.

Здесь мы подходим к возможности разрешения отмеченного уже нами противоречия, к которому приводит испускание бета-лучей отрицательных электронов ядром, которое, как мы думаем, электронов не содержит.

Очевидно, бета-частицы вылетают не из ядра, а благодаря ядру; благодаря выделению энергии внутри ядра около него происходит процесс расщепления на положительный и отрицательный заряды, причем отрицательный заряд выбрасывается, а положительный втягивается в ядро и связывается с нейтроном, образуя положительный протон. Таково предположение, которое высказывалось в последнее время.

Вот что мы знаем о составе атомного ядра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение скажем несколько слов о дальнейших перспективах.

Если при изучении атомов мы дошли до некоторых границ, за которыми количественные изменения перешли в новые качественные свойства, то на границах атомного ядра перестают действовать и те законы волновой механики, которые мы обнаружили в атомной оболочке; в ядре начинают нащупываться очень еще неясные контуры новой, еще более обобщающей теории, по отношению к которой волновая механика представляет собой только одну сторону явления, другая сторона которого начинает сейчас открываться - и начинает, как всегда, с противоречий.

Работы над атомным ядром имеют и другую очень любопытную сторону, тесно переплетающу юся с развитием техники. Ядро очень хорошо защищено барьером Гамова от внешних воздействий. Если, не ограничиваясь только наблюдением распада ядер в радиоактивных процессах, мы захотели бы извне прорваться в ядро, перестроить его, то для этого потребовалось бы чрезвычай но мощное воздействие.

Задача о ядре самым настойчивым образом требует дальнейшего развития техники, перехода от тех напряжений, которые уже освоены высоковольтной техникой, от напряжений в несколько сотен тысяч вольт, к миллионам вольт. Создается новый этап и в технике. Это работа над созданием новых источников напряжения, в миллионы вольт, ведется сейчас во всех странах - и за границей и у нас, в частности в Харьковской лаборатории, которая первая начала эту работу, и в Ленинградском физико-техническом институте, и в других местах.

Проблема ядра - одна из самых актуальных проблем нашего времени в физике; над ней нужно с чрезвычайной интенсивностью и настойчивостью работать, и в этой работе необходимо обладать большой смелостью мысли. В своем изложении я указал несколько случаев, когда, переходя к новым масштабам, мы убеждались, что наши логические привычки, все наши представления, построенные на ограниченном опыте, не годятся для новых явлений и новых масштабов. Нужно преодолеть этот свойственный каждому из нас консерватизм здравого смысла. Здравый смысл - это концентрированный опыт прошлого; нельзя ожидать, что этот опыт полностью охватит и будущее. В области ядра больше, чем в какой-нибудь другой, приходится все время иметь в виду возможность новых качественных свойств и не бояться их. Мне кажется, что именно здесь должна сказаться мощь диалектического метода, лишенного этого консерватизма метода, предсказавшего и весь ход развития современной физики. Я, конечно, понимаю здесь под диалектическим методом не совокупность фраз, взятых из Энгельса. Не его слова, а их смысл нужно перенести в нашу работу; только один диалектический метод может нас продвинуть вперед в такой совершенно новой и передовой области, как проблема ядра.

Рис.18.4

2. Спонтанное(самопроизвольное) излучение возбужденных атомов при переходе с верхнего энергетического уровня с энергией Е 2 на нижний уровень с энергией Е 1 . Частота испущенного кванта n такая же, как частота поглощенного при возбуждении кванта, но направление распространения и фаза колебаний излучения произвольны.

3. Вынужденное излучение атомов при переходе возбужденных атомов в исходное состояние под действием падающего электромагнитного излучения. С квантовой точки зрения новый квант вынужденного излучения ничем не отличается от кванта, стимулировавшего его появление. Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшим его излучением, интенсивность результирующей электромагнитной волны увеличивается. Следует отметить, что вероятность переходов 1 и 3 одинакова, поэтому преобладание поглощения или вынужденного излучения определяется соотношением числа атомов среды N 1 и N 2 в состояниях с энергией Е 1 и Е 2 .

В условиях термодинамического равновесия, которое чаще всего и реализуется в веществе, населенность N 1 нижнего уровня всегда больше населенности N 2 верхнего уровня. Поэтому электромагнитная волна теряет больше энергии, чем приобретает, интенсивность излучения уменьшается.

Однако в некоторых случаях можно создать такие условия, когда возникает, так называемая, инверсная населенность уровней (N 2 > N 1), среда с такой населенностью называется активной . В такой среде вынужденные переходы (Е 2 ® Е 1) происходят чаще, чем возбуждение атомов, интенсивность излучения возрастает. Для того чтобы обеспечить инверсную населенность в активной среде, необходимо устройство для возбуждения среды, устройство, которое поставляет энергию для возбуждения атомов среды.

Двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. В условиях равновесия N 1 > N 2 .

Обычно в лазерах используется так называемая трехуровневая система создания активной среды (рис.18.5). Атомы среды возбуждаются каким либо воздействием и переходят из основного состояния с энергией Е 1 в возбужденное состояние с энергией Е 3 . На уровне 3 атом живет очень мало, порядка 10 -8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света (энергия при этом передается другим атомам среды). Время жизни в состоянии 2 гораздо больше, порядка 10 -3 с, и в этом возбужденном состоянии накапливается большое количество атомов среды. Создается среда с инверсной населенностью уровней 2 и 1. Каждый фотон, случайно родившийся при переходе 2®1, движется в активной среде и может порождать множество вынужденных переходов 2®1, в результате чего возникает лавина вторичных фотонов, являющихся копиями первичного фотона.

Первым лазером (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,69мкм) был рубиновый лазер (Т. Мейман, 1960г). Рубин – это красный кристалл оксида алюминия Al 2 O 3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно ионы хрома в кристалле рубина имеют три уровня энергии, обладающие необходимыми свойствами для создания инверсной населенност

Особенностью радиоактивного загрязнения в отличие от загрязнения другими поллютантами является то, что вредное воздействие на человека и объекты окружающей среды оказывает не сам радионуклид (поллютант), а излучение, источником которого он является.

Однако бывают случаи, когда радионуклид - токсичный элемент. Например, после аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду с частицами ядерного топлива были выброшены плутоний 239, 242 Рu. Кроме того, что плутоний - альфа-излучатель и при попадании внутрь организма представляет значительную опасность, плутоний сам по себе - токсичный элемент.

По этой причине используют две группы количественных показателей: 1) для оценки содержания радионуклидов и 2) для оценки воздействия излучения на объект.
Активность - количественная мера содержания радионуклидов в анализируемом объекте. Активность определяется числом радиоактивных распадов атомов в единицу времени. Единицей измерения активности в системе СИ является Беккерель (Бк) равный одному распаду в секунду (1Бк = 1 расп/с). Иногда используется внесистемная единица измерения активности - Кюри (Ки); 1Ки = 3,7 ×1010 Бк.

Доза излучения - количественная мера воздействия излучения на объект.
В связи с тем, что воздействие излучения на объект можно оценивать на разных уровнях: физическом, химическом, биологическом; на уровне отдельных молекул, клеток, тканей или организмов и т. д., используют несколько видов доз: поглощенную, эффективную эквивалентную, экспозиционную.

Для оценки изменения дозы излучения во времени используют показатель «мощность дозы». Мощность дозы - это отношение дозы ко времени. Например, мощность дозы внешнего облучения от естественных источников радиации составляет на территории России 4-20 мкР/ч.

Основной норматив для человека - основной дозовый предел (1 мЗв/год) - вводится в единицах, эффективной эквивалентной дозы. Существуют нормативы и в единицах активности, уровни загрязнения земель, ВДУ, ПГП, СанПиН и др.

Строение атомного ядра.

Атом - это мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малого размера (10 -13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом в целом оказывается электрически нейтральным.

Атомные ядра состоят из нуклонов - ядерных протонов (Z - число протонов) и ядерных нейтронов (N - число нейтронов). « Ядерные» протоны и нейтроны отличаются от частиц в свободном состоянии. Например, свободный нейтрон, в отличие от связанного в ядре, нестабилен и превращается в протон и электрон.

Число нуклонов Ам (массовое число) представляет собой сумму чисел протонов и нейтронов: Ам = Z+ N .

Протон - элементарная частица любого атома, он имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Число электронов в оболочке атома определяется числом протонов в ядре.

Нейтрон - другой вид ядерных частиц всех элементов. Его нет лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. Он не имеет заряда, электрически нейтрален. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, а в свободном состоянии они неустойчивы. Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же элемента может колебаться, поэтому число нейтронов в ядре не характеризует элемент.

Нуклоны (протоны + нейтроны) удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения. Ядерные силы в 100 раз сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживает внутри ядра одноименно заряженные протоны. Ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях (10 -13 см), они составляют потенциальную энергию связи ядра, которая при некоторых превращениях частично освобождается, переходит в кинетическую энергию.

Для атомов отличающихся составом ядра, употребляется название «нуклиды», а для радиоактивных атомов - «радионуклиды».

Нуклидами называют атомы или ядра с данным числом нуклонов и данным зарядом ядра (обозначение нуклида А Х).

Нуклиды, имеющие одинаковое число нуклонов (Ам = соnst), называются изобарами. Например, нуклиды 96 Sr, 96 Y, 96 Zr принадлежат к ряду изобаров с числом нуклонов Ам = 96.

Нуклиды, имеющие одинаковое число протонов (Z = соnst), называются изотопами. Они различаются только числом нейтронов, поэтому принадлежат одному и тому же элементу: 234 U, 235 U, 236 U, 238 U.

Изотопы - нуклиды с одинаковым числом нейтронов (N = Ам -Z = const). Нуклиды: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca принадлежат к ряду изотопов с 20 нейтронами.

Изотопы принято обозначать в виде Z Х М, где X - символ химического элемента; М - массовое число, равное сумме числа протонов и нейтронов в ядре; Z - атомный номер или заряд ядра, равный числу протонов в ядре. Поскольку каждый химический элемент имеет свой постоянный атомный номер, то его обычно опускают и ограничиваются написанием только массового числа, например: 3 Н, 14 С, 137 Сs, 90 Sr и т. д.

Атомы ядра, которые имеют одинаковые массовые числа, но разные заряды и, следственно, различные свойства называют «изобарами», так например один из изотопов фосфора имеет массовое число 32 - 15 Р 32 , такое же массовое число имеет и один из изотопов серы - 16 S 32 .

Нуклиды могут быть стабильными (если их ядра устойчивы и не распадаются) и нестабильными (если их ядра неустойчивы и подвергаются изменениям, приводящим в конечном итоге к увеличению стабильности ядра). Неустойчивые атомные ядра, способные самопроизвольно распадаться, называют радионуклидами. Явление самопроизвольного распада ядра атома, сопровождающееся излучением частиц и (или) электромагнитного излучения, называется радиоактивностью.

В результате радиоактивного распада может образоваться как стабильный, так и радиоактивный изотоп, в свою очередь, самопроизвольно распадающийся. Такие цепочки радиоактивных элементов, связанные серией ядерных превращений, называются радиоактивными семействами.

В настоящее время IUРАС (Международный союз теоретической и прикладной химии) официально дал название 109 химическим элементам. Из них только 81 имеет стабильные изотопы, наиболее тяжелым из которых является висмут (Z = 83). Для остальных 28 элементов известны только радиоактивные изотопы, причем уран (U ~ 92) является самым тяжелым элементом, встречающимся в природе. Самый большой из природных нуклидов имеет 238 нуклонов. В общей сложности в настоящее время доказано существование порядка 1700 нуклидов этих 109 элементов, причем число изотопов, известных для отдельных элементов, колеблется от 3 (для водорода) до 29 (для платины).

Содержание статьи

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. Ядро представляет собой центральную часть атома . В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10 –15 –10 –14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических фольгах. Частицы глубоко проникали сквозь электронные оболочки и отклонялись, приближаясь к заряженному ядру. Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10 –14 м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.

На основе таких предположений Бор построил свою квантовую теорию атома, успешно объяснившую дискретные спектральные линии, фотоэффект, рентгеновское излучение и периодическую систему элементов. Однако в теории Бора ядро рассматривалось как положительный точечный заряд.

Ядра большинства атомов оказались не только очень малы – на них никак не действовали такие средства возбуждения оптических явлений, как дуговой искровой разряд, пламя и т.п. Указанием на наличие некой внутренней структуры ядра явилось открытие в 1896 А.Беккерелем радиоактивности. Оказалось, что уран, а затем и радий, полоний, радон и т.п. испускают не только коротковолновое электромагнитное излучение, рентгеновское излучение и электроны (бета-лучи), но и более тяжелые частицы (альфа-лучи), а они могли исходить лишь из массивной части атома. Резерфорд использовал альфа-частицы радия в своих опытах по рассеянию, которые послужили основой формирования представлений о ядерном атоме. (В то время было известно, что альфа-частицы – это атомы гелия, лишенные своих электронов; но на вопрос – почему некоторые тяжелые атомы спонтанно испускают их, ответа еще не было, как не было и точного представления о размерах ядра.)

Открытие изотопов.

Измерения масс «каналовых лучей», проведенные Дж.Томсоном, Ф.Астоном и другими исследователями с помощью более совершенных масс-спектрометров и с большей точностью, дали ключ к строению ядра, а также атома в целом. Например, измерение отношения заряда к массе показало, что заряд ядра водорода, по-видимому, представляет собой единичный положительный заряд, численно равный заряду электрона, а масса m p = 1837m e , где m e – масса электрона. Гелий мог давать ионы с двойным зарядом, но его масса в 4 раза превышала массу водорода. Таким образом, высказанная ранее В.Праутом гипотеза о том, что все атомы построены из атомов водорода, была серьезно поколеблена.

Сравнивая на своем масс-спектрографе массу атома неона с известными массами других элементов, Томсон в 1912 неожиданно обнаружил, что неону вместо одной соответствуют две параболы. Расчеты масс частиц показали, что одна из парабол отвечает частицам с массой 20, а другая – с массой 22. Это явилось первым свидетельством того, что атомы определенного химического элемента могут иметь различные массовые числа. Поскольку измеренное (среднее) массовое число оказалось равным 20,2, Томсон высказал предположение, что неон состоит из атомов двух типов, на 90% с массой 20 и на 10% с массой 22. Поскольку оба типа атомов в природе существуют в виде смеси и их нельзя разделить химическим путем, массовое число неона оказывается равным 20,2.

Наличие двух типов атомов неона наводило на мысль о том, что и другие элементы могут представлять собой смеси атомов. Последующие масс-спектрометрические измерения показали, что большинство природных элементов представляют собой смеси от двух до десяти различных сортов атомов. Атомы одного и того же элемента с различной массой называют изотопами. У некоторых элементов существует только один изотоп, что требовало теоретического объяснения, как и факт разной распространенности элементов, а также существование радиоактивности лишь у определенных веществ.

В связи с открытием изотопов возникла проблема стандартизации, поскольку химики ранее выбрали в качестве стандарта «кислород» (16,000000 атомных единиц массы), оказавшийся смесью четырех изотопов. В итоге было решено установить «физическую» шкалу масс, в которой наиболее распространенному изотопу кислорода приписывалось значение 16,000000 а.е.м. Однако в 1961 между химиками и физиками было достигнуто соглашение, согласно которому наиболее распространенному изотопу углерод-12 были приписаны 12,00000 а.е.м. Поскольку число атомов в 1 моле изотопа равно числу Авогадро N 0 , получаем

Отметим, что в атомную единицу массы входит масса одного электрона, а масса самого легкого изотопа водорода почти на 1% больше 1 а.е.м.

Открытие нейтрона.

Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А- Z электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером Z .

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда. «Естественный радиус» электрона r 0 = e 2 /mc 2 (который получается, если приравнять электростатическую энергию e 2 /r 0 заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc 2) составляет r 0 = 2,82Ч 10 –15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10 –14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие ученые рассматривали возможность существования устойчивой комбинации из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 4 2 He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рис. 2 схематически показана структура нескольких легких ядер.

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

Ядерная связь.

Первоначальное предположение Праута о том, что все атомные массы должны быть целыми кратными массы атома водорода, очень близко к истине, в частности, применительно к изотопам. Отклонения крайне малы, всегда не более 1%, а в большинстве случаев не более 0,1%. Детальное изучение масс изотопов доведено до высочайшей степени совершенства: погрешность измерения в настоящее время, как правило, не превышает нескольких миллионных.

Установлено, что число нейтронов примерно совпадает с числом протонов в атоме, т.е.

В действительности в более тяжелых ядрах имеется некоторый избыток нейтронов. Поскольку нейтрон не заряжен, силы, удерживающие нейтроны и протоны в ядре, по своей природе не являются электростатическими; кроме того, одноименные заряды отталкиваются. То обстоятельство, что ядра очень трудно расщепить, указывает на существование больших сил ядерного притяжения. Несмотря на малость расстояний, гравитационное притяжение между нуклонами все же слишком слабо, чтобы обеспечить стабильность ядра.

Согласно Эйнштейну, полная энергия изолированной системы сохраняется, а масса является одной из форм энергии: E = mc 2 . Чтобы расщепить такую связанную систему, как ядро стабильного атома, на составляющие ее нейтроны и протоны, ей необходимо сообщить энергию. Это означает, что масса нейтронов и протонов превышает массу ядра на величину

D M = ZM p + NM n – M A,Z ,

где M p и M n – массы свободного протона и нейтрона, а M A ,Z – масса ядра с зарядом Z и массовым числом А . Эта разница масс, выраженная в единицах энергии, называется энергией связи. Коэффициент для пересчета таков:

1 а.е.м. = 931,14 МэВ,

где 1 МэВ = 10 6 эВ. Таким образом, энергия связи E B = D Mc 2 есть энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нейтроны и протоны.

Средняя энергия связи, приходящаяся на один нуклон, E B /A , довольно регулярно изменяется с увеличением числа нуклонов в ядре (рис. 3). Самым легким ядром после протона является дейтрон 2 1 H, расщепление которого требует энергии 2,2 МэВ, т.е. 1,1 МэВ на нуклон. Альфа-частица 4 2 He связана гораздо сильнее, чем ее соседи: ее энергия связи составляет 28 МэВ. У ядер с массовым числом, превышающим 20, средняя энергия связи, приходящаяся на нуклон, остается почти постоянной, равной примерно 8 МэВ.

Энергия связи ядер на много порядков величины превышает энергию связи валентных электронов в атоме и атомов в молекуле. Чтобы удалить из атома водорода его единственный электрон, достаточно энергии 13,5 эВ; для удаления же внутренних электронов в свинце, связанных наиболее прочно, необходима энергия, равная 0,1 МэВ. Следовательно, все ядерные процессы связаны с энергиями, значительно превышающими те, с которыми мы имеем дело в обычных химических реакциях или при обычных температурах и давлениях.

Естественная радиоактивность.

С явления естественной радиоактивности началась ядерная физика. Альфа-, бета- и гамма-излучения, испускаемые ураном, имеют ядерное происхождение, тогда как оптические и рентгеновские спектры соответствуют электронной структуре атома. Альфа-частицы оказались ядрами гелия. Бета-частицы по своему заряду и массе идентичны электронам оболочки атома, однако их ядерное происхождение было четко продемонстрировано изменением заряда распадающегося ядра. Кроме того, энергия гамма-излучения значительно превышает энергию, которую могут излучать электроны из внешней оболочки атома, следовательно, это проникающее излучение имеет ядерное происхождение.

Некоторые встречающиеся в природе элементы с большим атомным номером (уран, торий, актиний) имеют радиоактивные изотопы, в результате распада которых образуются другие радиоактивные изотопы (такие, как радий), а в конечном итоге стабильный свинец. Время жизни «родительского» изотопа в каждом случае сравнимо с возрастом Земли, который оценивается в 10 млрд. лет. Предполагается, что в период образования Земли существовало большое число радиоактивных веществ, однако короткоживущие элементы уже давно превратились в стабильные конечные продукты. Возможно, некоторые из изотопов, которые называют «стабильными», в действительности распадаются, однако их периоды распада («времена жизни») столь велики, что существующими методами их не удается измерить.

Важная роль радиоактивности в физике ядра связана с тем, что радиоактивное излучение несет информацию о типах частиц и энергетических уровней ядра. Например, испускание альфа-частиц из ядра и относительная устойчивость образования из двух протонов и двух нейтронов косвенно указывает на возможность существования альфа-частиц внутри ядра.

Различие между естественной и искусственно наведенной радиоактивностью не очень существенно для понимания строения ядра, однако изучение естественных радиоактивных рядов позволило сделать важные выводы относительно возраста Земли и использовать такие элементы в качестве источников бомбардирующих частиц задолго до того, как были изобретены ускорители частиц.

Искусственные превращения ядер.

Опыты с естественно радиоактивными элементами показали, что на скорость радиоактивного распада нельзя повлиять обычными физическими средствами: теплом, давлением и т.п. Таким образом, поначалу казалось, что нет какого-либо эффективного метода исследования структуры естественно стабильных изотопов. Однако в 1919 Резерфорд обнаружил, что ядра можно расщеплять, бомбардируя их альфа-частицами. Первым расщепленным элементом был азот, который в виде газа заполнял камеру Вильсона. Альфа-частицы, испускаемые ториевым источником, сталкивались с ядрами азота, поглощались ими, в результате чего испускались быстрые протоны. При этом происходила реакция

В результате такой реакции атом азота превращается в атом кислорода. В этом примере энергии связи ядер аналогичны теплу, которое выделяется при химической реакции, хотя и значительно превышают его. Впоследствии аналогичные результаты были получены и с многими другими элементами. Используя различные методы, можно измерить энергии и углы вылета испускаемых заряженных частиц, что обеспечивает проведение количественных экспериментов.

Следующим шагом явилось открытие, сделанное Дж.Кокрофтом и Э.Уолтоном в 1932. Они установили, что искусственно ускоренные пучки протонов с энергией 120 кэВ (т.е. значительно меньшей, чем у альфа-частиц в опытах Резерфорда) способны вызывать расщепление атомов лития в процессе

Два ядра гелия (альфа-частицы) одновременно вылетают в противоположные стороны. Причина, по которой эта реакция протекает при низкой энергии, заключается в прочной связи альфа-частиц; при добавлении протона к массе ядра 7 Li сообщается энергия, которая почти равнозначна массам двух альфа-частиц. Остальная энергия, необходимая для протекания реакции, черпается из кинетической энергии бомбардирующих протонов.

Все известные элементы и встречающиеся в природе изотопы могут быть «искусственным» путем превращены в соседние элементы. Все эти новые изотопы оказываются радиоактивными, однако в результате последующего распада они превращаются в стабильные изотопы. Были получены новые элементы, вплоть до элемента с порядковым номером 103; все они оказались радиоактивными с относительно коротким периодом полураспада. В настоящее время известно свыше 1000 изотопов.

Энергетические уровни ядер и ядерные модели.

Изучение ядерных реакций убедительно продемонстрировало существование энергетических уровней ядер. Эти уровни представляют собой состояния ядра с определенной энергией, которым приписаны определенные квантовые числа, как и энергетическим уровням атома . По аналогии с оптической спектроскопией исследование излучений, испускаемых ядром при переходах между энергетическими уровнями, называется ядерной спектроскопией. Однако, как можно видеть из рис. 4, расстояние между энергетическими уровнями ядер значительно больше, чем между электронными уровнями атомов, а к ядерным излучениям, кроме электромагнитного, относятся также излучения электронов, протонов, альфа-частиц и частиц других типов.

О существовании у ядра дискретных энергетических уровней свидетельствует то, что возбуждение ядра, приводящее к испусканию излучения, происходит лишь при определенных энергиях бомбардирующих частиц, а также то, что энергии испускаемых частиц соответствуют переходам между определенными уровнями. Например, можно измерить число протонов, образующихся при бомбардировке бора-10 моноэнергетическими дейтронами в результате реакции

и определить их импульсы по отклонению в магнитном поле. Зарегистрированный спектр протонов из мишени, содержащей бор с примесями углерода, азота и кремния, и представлен на рис. 4. Острые, резкие пики ясно показывают, что энергия ядра квантуется подобно энергии атома.

На рис. 5 приведена схема энергетических уровней ядра бор-11 (11 В), причем энергии возбуждения выражены в МэВ. Неравномерность распределения ядерных энергетических уровней, не характерная для распределения атомных энергетических уровней, обусловлена более плотной упаковкой ядер и более сильным взаимодействием частиц внутри ядра. С возбужденных уровней, отвечающих ядру 10 В, бомбардируемому дейтронами с энергией 1,51 МэВ, могут происходить переходы на любой из уровней, расположенных ниже, сопровождаемые испусканием протонов. Если после испускания протона ядро 11 В остается в возбужденном состоянии, оно может затем распадаться, переходя в наинизшее, «основное» состояние с испусканием одного или нескольких гамма-квантов.

В настоящее время последовательное и единое объяснение причин возникновения энергетических уровней ядер отсутствует, но есть ряд теорий, позволяющих объяснить некоторые явления. Одна из них – «модель оболочек», которая, заимствовав из атомной физики представление об оболочечном строении атома, применила ее к анализу конфигураций нейтронов и протонов внутри ядра.

В 1932 Дж.Бартлетт заметил, что все стабильные ядра, расположенные между 4 He и 16 О, относятся к последовательности

4 He + n + p + n + p +...,

тогда как между 16 О и 36 Аr аналогичная последовательность приобретает вид

16 O + n + n + p + p + n + n +....

Он высказал предположение, что эти изменения в последовательности отражают порядок заполнения оболочек нейтронами и протонами. Принцип запрета Паули действует в случае ядерных частиц точно так же, как и в случае электронов, а в модели оболочек он приводит к тому, что на первой оболочке могут находиться только два протона и два нейтрона, на второй – по шести обеих частиц (заполнена у 16 О) и на третьей по десяти (заполнена у 36 Аr). Наличие периодичности в структуре ядер проявляется и дальше, хотя и с некоторыми отступлениями. Существование определенных «магических чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126) нейтронов и протонов в ядрах, которым соответствуют пики кривой энергии связи, можно объяснить на основе модифицированной модели оболочек (называемой моделью независимых частиц), которая позволяет правильно предсказывать спины и магнитные моменты ядер. Например, спины ядер с заполненными оболочками, как и предсказывает эта модель, равны нулю. Однако несмотря на многие достоинства, имеющиеся варианты модели оболочек все же не объясняют всех ядерных явлений, что неудивительно ввиду сложной структуры ядра.

Составное ядро и модель капли.

В более тяжелых ядрах число нуклонов настолько велико, что многие наблюдаемые закономерности поведения этих ядер лучше всего воспроизводятся моделью капли. Эту модель предложил в 1936 Н.Бор, чтобы объяснить большие времена жизни возбужденных ядер, образующихся при захвате медленных нейтронов. (В данном случае под временем жизни понимается время с момента возбуждения ядра до момента потери им энергии возбуждения в результате испускания излучения.) Времена жизни оказались в миллион раз больше времени, необходимого нейтрону, чтобы пересечь ядро (10 –22 с). Это свидетельствует о том, что возбужденное ядро представляет собой некую систему («составное ядро»), время существования которой намного больше времени ее образования.

Бор высказал предположение, что ядерная реакция протекает в две стадии. На первой падающая частица входит в ядро-мишень, образуя «составное ядро», где в многочисленных столкновениях теряет свою первоначальную энергию, распределяя ее среди других нуклонов ядра. В результате ни у одной из частиц не оказывается энергии, необходимой для вылета из ядра. Вторая стадия, распад составного ядра, происходит спустя некоторое время, когда энергия случайно сконцентрируется на одной из частиц или потеряется в виде гамма-излучения. Считается, что вторая стадия не зависит от деталей механизма образования составного ядра. Вид распада определяется лишь игрой возможных вариантов.

В качестве простой аналогии этой картине ядерной реакции Бор предложил рассмотреть поведение капли. Между молекулами такой капли действуют силы, связывающие их друг с другом и препятствующие испарению, пока не будет подведено тепло извне. Появление еще одной молекулы, обладающей дополнительной кинетической энергией, приводит в результате ее статистического перераспределения к увеличению температуры капли как целого. Спустя некоторое время случайная концентрация энергии на какой-либо молекуле может привести к ее испарению. Теория Бора была детально разработана и позволила построить последовательную картину разнообразных ядерных реакций, в том числе реакций под действием нейтронов и заряженных частиц промежуточных энергий (вплоть до 100 МэВ). Полезными оказались введенные по аналогии понятия ядерной температуры, удельной теплоемкости и испарения частиц. Например, угловое распределение «испарившихся» частиц оказалось не зависящим от направления падающей частицы, т.е. изотропным, поскольку вся информация о первоначальном направлении теряется на стадии существования составного ядра.

Капельная модель оказалась особенно ценной при объяснении явления деления ядер, когда для развала ядра урана на две примерно равные части с большим выделением энергии достаточно поглощения одного медленного нейтрона. Электростатическое отталкивание протонов вызывает некоторую нестабильность ядра, которая обычно перекрывается за счет ядерных сил, обеспечивающих энергию связи. Но при повышении ядерной температуры сферической «капли» в ней могут возникнуть колебания, в результате которых капля деформируется в эллипсоид. Если деформация ядра будет продолжаться, то электростатическое отталкивание двух его положительно заряженных половин может возобладать, и тогда произойдет его деление.

Размеры и форма ядра.

Впервые размеры ядра правильно оценил Резерфорд, использовав для этой цели рассеяние альфа-частиц. Его первые эксперименты показали, что размеры заряженной части ядра – порядка 10 –14 м. Более поздние и более точные эксперименты позволили установить, что радиус ядра приблизительно пропорционален А 1/3 и, следовательно, плотность ядерного вещества почти постоянна. (Она колоссальна: 100 000 т/мм 3 .)

С открытием нейтрона стало ясно, что он представляет собой идеальное средство исследования ядра, поскольку нейтральные частицы, проходя на значительном удалении от ядра, не испытывают отклонения под действием заряда ядра. Другими словами, нейтрон сталкивается с ядром, если расстояние между их центрами оказывается меньше суммы их радиусов, а в противном случае не отклоняется. Опыты по рассеянию пучка нейтронов показали, что радиус ядра (в предположении сферической формы) равен:

R = r 0 A 1/3 ,

r 0 » 1,4Ч 10 –15 м.

Таким образом, радиус ядра урана-238 равен 8,5Ч 10 –15 м. Полученное значение соответствует радиусу действия ядерных сил; оно характеризует расстояние от центра ядра, на котором внешний нейтральный нуклон начинает впервые «ощущать» его воздействие. Такая величина радиуса ядра сравнима с расстоянием от центра ядер, на котором происходит рассеяние альфа-частиц и протонов.

Рассеяние альфа-частиц, протонов и нейтронов на ядрах обусловлено действием ядерных сил; следовательно, такие измерения радиусов ядер дают оценку радиуса действия ядерных сил. Взаимодействие же электронов с ядрами почти полностью определяется электрическими силами. Поэтому рассеяние электронов можно использовать для изучения формы распределения заряда в ядре. Эксперименты с электронами очень высоких энергий, проведенные Р.Хофстедтером в Станфордском университете, дали детальную информацию о распределении положительного заряда по радиусу ядра. На рис. 6 представлено угловое распределение рассеянных ядрами золота электронов с энергией 154 МэВ. Верхняя кривая характеризует угловое распределение, рассчитанное в предположении, что положительный заряд сконцентрирован в точке; очевидно, что экспериментальные данные этому предположению не соответствуют. Гораздо лучшее согласие достигается в предположении о равномерном распределении протонов по объему ядра (нижняя кривая). Однако «радиус заряда» оказывается примерно на 20% меньше радиуса «ядерных сил», полученного на основе данных по рассеянию нейтронов. Это может означать, что распределение протонов в ядре отличается от распределения нейтронов.

Ядерные силы и мезоны.

Малый радиус действия ядерных сил впервые отчетливо обнаружился уже в опытах по рассеянию Резерфорда. Альфа-частицы, приближавшиеся к центру ядра до 10 –14 м, испытывали действие сил, знак и величина которых отличались от обычного электростатического отталкивания. Более поздние эксперименты с применением нейтронов показали, что между всеми нуклонами существуют большие короткодействующие силы. Эти силы отличны от хорошо известных электростатических и гравитационных сил, не исчезающих даже на очень больших расстояниях. Ядерные силы являются силами притяжения, что прямо следует из факта существования устойчивых ядер, вопреки электростатическому отталкиванию находящихся в них протонов. Ядерные силы между любой парой нуклонов (нейтронов и протонов) – одни и те же; это показывает сравнение энергетических уровней «зеркальных ядер», отличающихся друг от друга тем, что в них протоны заменены нейтронами и наоборот. В пределах своего радиуса действия ядерные силы достигают очень большой величины. Электростатическая потенциальная энергия двух протонов, находящихся на расстоянии 1,5Ч 10 –15 м друг от друга, составляет всего лишь 1 МэВ, что в 40 раз меньше ядерной потенциальной энергии. Ядерные силы также обнаруживают насыщение, поскольку данный нуклон в состоянии взаимодействовать лишь с ограниченным числом других нуклонов. Отсюда быстрый первоначальный рост (с увеличением А ) средней энергии связи, приходящейся на один нуклон (рис. 3), и относительное постоянство этой энергии в дальнейшем. (Если бы каждый нуклон взаимодействовал со всеми нуклонами в ядре, то энергия связи, приходящаяся на один нуклон, все время росла бы пропорционально А. )

Пока что нет удовлетворительной теории ядерных сил, и проблема интенсивно изучается экспериментально и теоретически. Однако многие идеи, лежащие в основе «мезонной теории ядерных сил», опубликованной в 1935 Х.Юкавой, оказались в согласии с экспериментальными фактами. Юкава выдвинул гипотезу, что притяжение, удерживающее нуклоны внутри ядра, возникает благодаря наличию «квантов» некоего поля, аналогичных фотонам (световым квантам) электромагнитного поля и обеспечивающих взаимодействие электрических зарядов. Из квантовой теории поля следует, что радиус действия силы обратно пропорционален массе соответствующего кванта; в случае электромагнитного поля масса квантов – фотонов – равна нулю, и радиус действия сил бесконечен. Масса квантов ядерного поля (названных «мезонами»), вычисленная по экспериментально измеренному радиусу действия ядерных сил, оказалась примерно в 200 раз больше массы электрона.

Положение теории Юкавы упрочилось после того, как К.Андерсон и С.Неддермейер открыли в 1936 новую частицу с массой примерно 200 электронных масс (ныне именуемую мюоном), которую они обнаружили с помощью камеры Вильсона в космических лучах. (В 1932 Андерсон открыл «позитрон», положительный электрон.) Вначале казалось, что кванты ядерных сил найдены, однако проведенные затем эксперименты обнаружили обескураживающее обстоятельство: «ключ к ядерным силам» не взаимодействует с ядрами! Эта запутанная ситуация прояснилась лишь после того, как в 1947 С.Пауэлл обнаружил частицу с подходящей массой, которая взаимодействует с ядрами. Эта частица (названная пи-мезоном, или пионом) оказалась нестабильной и самопроизвольно распадалась, превращаясь в мюон. Пи-мезон подходил на роль частицы Юкавы, и его свойства были во всех деталях изучены физиками, использовавшими для этих целей космические лучи и современные ускорители.

Хотя существование пи-мезонов и ободрило сторонников теории Юкавы, на ее основе оказалось весьма трудно правильно предсказать такие детальные свойства ядерных сил, как их насыщение, энергии связи и энергии ядерных уровней. Трудности математического характера не позволили точно установить, что именно предсказывает эта теория. Ситуация еще более усложнилась после открытия новых типов мезонов, которые, как считается, имеют отношение к ядерным силам.

Добавить сайт в закладки

Понятие атом. Строение атома и атомного ядра

Атом является наименьшей частицей элемента, сохраняющей его характеристики.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 различных видов атомов.

Рис 1-2. Части атома.

Каждый атом имеет ядро, расположенное в центре атома. Оно содержит положительно заряженные частицы – протоны и незаряженные частицы – нейтроны.

Электроны, отрицательно заряженные частицы, вращаются вокруг ядер (см. Рис. 1-2).

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента.

Рис. 1-3. Электроны, расположенные на оболочках вокруг ядра.

Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого. Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес - это масса атома, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

Электроны вращаются по концентрическим орбитам вокруг ядра. Каждая орбита называется оболочкой. Эти оболочки заполняются в следующей последовательности: сначала заполняется оболочка К, затем L, М, N и т.д. (см. Рис. 1-3). Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке, показано на Рис. 1-4.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью. Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Рис. 1-4 и 1-5. Состав атома.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещающимися от атома к атому. Материалы, содержащие большое количество свободных электронов, называются проводниками.

Рис. 1-6. Валентность меди.

На Рис. 1-5 сравниваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность, равную единице (см. Рис. 1-6). Однако серебро является лучшим проводником, поскольку его валентные электроны слабее связаны.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препятствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию свободных электронов.

Рис. 1-7. Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в качестве изоляторов.

Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на Рис. 1-7. Слюда является наилучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее число свободных электронов на своих валентных оболочках.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники.Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они важны, потому что их проводимость можно изменять от проводника до изолятора. Кремний и германий являются полупроводниковыми материалами.

Об атоме, который имеет одинаковое число электронов и протонов, говорят, что он электрически нейтрален. Атом, получающий один или более электронов, не является электрически нейтральным. Он становится отрицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.