§ 225. Строение атомного ядра

Из предыдущего (см. § 201) мы знаем, что массы атомов, а значит, и массы атомных ядер очень близки всегда к целому числу атомных единиц массы. Напрашивается вывод, что атомные ядра построены из частиц приблизительно единичной массы. Такими частицами являются протон и нейтрон.

На первый взгляд, кажется, что, помимо нейтронов и протонов, ядра должны содержать также позитроны и электроны, ибо многие ядра (ядра радиоактивных изотопов) испускают эти частицы.  Однако детальный анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как таковые и позитроны, и электроны.

Так, некоторые искусственно-радиоактивные вещества, например, изотоп меди  излучают два рода частиц — позитроны и электроны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается в предыдущий элемент периодической системы с испусканием позитрона, тогда как другая часть ядер того же вещества превращается в следующий элемент с испусканием электрона. Ядра такого вещества, казалось бы, должны содержать в своем составе как позитроны, тан и электрону. Но одновременное существование позитронов и электронов в объеме ядра противоречит свойству этих частиц объединяться, превращаясь в пару -квантов.

Но если позитроны и электроны в готовом виде в ядре не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются заново за счет превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном. Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается, как упоминалось в § 223, и в других процессах.

Идея о строении атомных ядер из протонов и нейтронов вскоре после открытия нейтрона была высказана советским физиком Дмитрием Дмитриевичем Иваненко (р. 1904) и немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901 —1976). Справедливость протонно-нейтронной модели ядра была доказана работами ряда ученых.

Поскольку массовое число протона и нейтрона есть единица, массовое число ядра равно полному числу частиц (протонов и нейтронов) в составе ядра. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, равен, очевидно, числу протонов в ядре. Таким образом, согласно протонно-нейтронной модели, атомное ядро с массовым числом  и зарядом  содержит в своем составе  частиц, в том числе  протонов и  нейтронов. Так, например, ядро кислорода  состоит из  протонов и  нейтронов. Ядро изотопа свинца  содержит  протона и  нейтрона и т. д.

Простейшим атомным ядром является ядро водорода, т. е. протон. Присоединяя к протону нейтрон, получим самое простое из составных ядер — дейтрон, или ядро тяжелого водорода (обозначается   или ).

Прибавляя еще один нейтрон, образуем ядро еще более тяжелого изотопа водорода, называемого тритием ( или ). Тритий относится к числу искусственно-радиоактивных веществ; он распадается с периодом полураспада около 12 лет, испуская электроны. В результате распада трития образуется ядро с массовым числом 3 и зарядом 2 — легкий изотоп гелия , состоящий из двух протонов и нейтрона. Этот изотоп устойчив и содержится в очень малой пропорции в природном гелии. Ядро основного изотопа гелия  (-частица) образуется добавлением еще одного нейтрона, -частица содержит, таким образом, два протона и два нейтрона.

Продолжая увеличивать число нейтронов и протонов в ядре, мы получим все существующие атомные ядра. Состав наиболее легких ядер (до кислорода включительно) указан на диаграмме рис. 401. Как видно из диаграммы, устойчивые (нерадиоактивные) легкие ядра содержат примерно равные количества нейтронов и протонов.

В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза больше, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным, придающим ядру наибольшую прочность. Отступления от этого соотношения делают ядро неустойчивым. Если в ядре слишком много нейтронов, то один из нейтронов превращается в протон, г. е. ядро распадается с испусканием электрона (пример: ). Напротив, если в ядре избыток протонов, то один из протонов превращается в нейтрон, испуская позитрон (пример: ).

Поскольку ядерные частицы — протоны и нейтроны — прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать силы притяжения. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра (). Особые силы, возникающие при сближении ядерных частиц (протонов, нейтронов) на малые расстояния и связывающие эти частицы в ядра, получили название ядерных сил.

С действием ядерных сил мы встречались уже при изучении захвата медленных нейтронов ядрами (§221). Ядерные силы проявляются и во всех других ядерных процессах — при ядерных реакциях и в явлениях радиоактивности. Хотя в настоящее время многие свойства ядерных сил подробно изучены, точные законы их действия все еще не выяснены. Установление этих законов является одной из центральных задач современной атомной физики.

Рис. 401. Диаграмма атомных ядер (до кислорода включительно). Жирными линиями очерчены устойчивые изотопы. В клетках указаны для устойчивых изотопов процентное содержание; для радиоактивных изотопов период полураспада. Стрелки указывают, в какое ядро превращается радиоактивный изотоп