Атомное ядро

А́томное ядро́, центральная, компактная часть атома, в которой сосредоточен весь его положительный заряд и более 99,94 % массы. Размер атомного ядра 10^–15–10^–14 м, что примерно в 10⁵ раз меньше размера атома. Атомное ядро состоит из ZZ протонов (p)(p) и NN нейтронов (n),(n), имеет положительный заряд Q=Z⋅∣e∣,Q = Z \cdot |e|, где ee – элементарный электрический заряд. Число ZZ равно числу электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Атомное ядро было обнаружено в 1911 г. Э. Резерфордом в опытах по рассеянию альфа-частиц атомами тяжёлых химических элементов. Состав атомного ядра был установлен в 1932 г. после открытия нейтрона Дж. Чедвиком. Протон и нейтрон объединяют термином «нуклон».

Важнейшими характеристиками ядра являются его энергетическое состояние, а также спин, чётность, изотопический спин. Кроме того, атомные ядра могут иметь различные электрические и магнитные моменты (например, квадрупольный момент ядра) и разную форму – как сферическую, так и отличную от неё.

Соотношение нуклонов в ядре и карта атомных ядер

Атомное ядро обозначают символом химического элемента (ZAX),(^A_Z\text{X}), в состав атома которого оно входит. Верхний и нижний левые индексы указывают соответственно полное число AA нуклонов в нём (массовое число A=Z+N{A = Z + N}) и число протонов ZZ (равное заряду ядра в единицах заряда электрона). Так, например, ядро алюминия (Al),(\text{Al}), имеющее 13 протонов и 14 нейтронов, обозначают 1327Al.^{27}_{13}\text{Al}. Ядра с одинаковыми Z,Z, но разными AA называют изотопами, с одинаковыми A,A, но разными ZZ – изобарами. Известно около 3 тыс. нуклидов – ядер, отличающихся друг от друга либо значением AA, либо ZZ, либо тем и другим. Более 90 % из них получены искусственным путём и обладают свойством радиоактивности. В природных образцах найдено 262 стабильных и 25 радиоактивных долгоживущих нуклидов (их период полураспада больше 0,5 млрд лет). Все они представлены на рис. 1 в виде т. н. NZ{NZ}-диаграммы, которую можно рассматривать как своеобразную карту атомных ядер. Каждому нуклиду отвечает отдельная точка на плоскости с осями чисел нейтронов (N)(N) и протонов (Z).(Z). Совокупность этих точек образует линию стабильности атомных ядер.

Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25).Лёгкие стабильные ядра (A≤20A ≤ 20) располагаются вдоль линии N≈Z. N \approx Z. С ростом AA в ядрах, лежащих на линии стабильности, относительное число нейтронов увеличивается. У самых тяжёлых устойчивых нуклидов число нейтронов в ядре примерно в 1,5 раза превышает число протонов. Это объясняется возрастанием сил кулоновского отталкивания протонов с ростом Z.Z. Эти силы стремятся разрушить атомное ядро. Поэтому восстановление устойчивости тяжёлых ядер достигается увеличением в них доли электрически нейтральных нейтронов.

Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ.К самым тяжёлым стабильным ядрам относятся четыре изотопа свинца 82204Pb,^{204}_{82}\text{Pb}, 82206Pb,^{206}_{82}\text{Pb}, 82207Pb,^{207}_{82}\text{Pb}, 82208Pb^{208}_{82}\text{Pb} и изотоп висмута 83209Bi.^{209}_{83}\text {Bi}. Самые тяжёлые природные изотопы – это радиоактивные долгоживущие ядра тория (90232Th)(^{232}_{90}\text{Th}) и три изотопа урана 92234U,^{234}_{92}\text{U}, 92235U,^{235}_{92}\text{U}, 92238U.^{238}_{92}\text{U}. Они показаны четырьмя красными точками в правом верхнем углу диаграммы рис. 1. Искусственным путём получено множество радиоактивных ядер, отсутствующих в природе. Их число примерно в 10 раз превышает число стабильных и долгоживущих ядер, представленных на рис. 1. Благодаря экспериментам по получению искусственных нуклидов известны ядра со значением ZZ до 118 и AA до 294. Таким образом, количество известных химических элементов увеличилось примерно на 30 %. Эти элементы получили название трансурановых (ZZ = 93–100) и трансфермиевых (Z>100).(Z > 100). Трансфермиевые элементы венчают современный существенно расширенный вариант таблицы Менделеева. Они перечислены на рис. 2. Четыре трансфермиевых элемента (Db,(\text{Db}, Fl,\text{Fl}, Mc\text{Mc} и Og)\text{Og}) синтезированы в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и получили соответствующие названия. Элементы Flerovium и Oganesson названы в честь академиков Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна, которые руководили экспериментами по синтезу новых элементов.

Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных).Вся совокупность известных атомных ядер представлена на NZ{NZ}-диаграмме (рис. 3). Области вне линии стабильности занимают искусственно полученные нестабильные радионуклиды, испытывающие радиоактивный распад. Цветом отмечены разные типы этого распада ( β+ \beta ^+, β− \beta ^- – бета-распад; α \alpha  – альфа-распад; деление атомного ядра; испускание протона или нейтрона). Реализация этих распадов возвращает вновь образованные ядра на линию стабильности.

Структура ядра

Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ.Расстояния в ядерной физике принято измерять в ферми (Фм; 1 Фм = 10^–15 м, т. е. совпадает по величине с фемтометром). Атомное ядро представляет собой систему плотно упакованных нуклонов, среднее расстояние между которыми (1,5–2,0 Фм) сравнимо с размером нуклона. Нуклоны в ядре удерживаются мощными и короткодействующими ядерными силами притяжения, возникающими вследствие сильного взаимодействия между кварками и глюонами, из которых состоят нуклоны. Нуклон-нуклонное взаимодействие внутри атомного ядра реализуется путём обмена мезонами, прежде всего π-мезонами (рис. 4), которые, как и нуклоны, являются адронами, т. е. состоят из кварков и глюонов. Последовательное описание такого взаимодействия возможно лишь в рамках квантовой хромодинамики. Решение этой важнейшей проблемы ядерной физики до сих пор актуально.

Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ.Форма атомных ядер может быть различной. Но в любом случае это системы с центром симметрии. Есть ядра, имеющие сферическую форму. Большинство же ядер имеют форму, слегка отличающуюся от сферической. Несферические ядра (их также называют деформированными ядрами) имеют форму, близкую к аксиально симметричному эллипсоиду, сплюснутому или вытянутому (рис. 5).

Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ.Для ядер с A≥20A ≥ 20 средняя плотность нуклонов меняется мало, т. е. объём ядра пропорционален A,A, а его радиус RR пропорционален A⅓,\text A^{⅓}, т. е. R=r0A.R = r_0A. Константа r0r_0 лежит в пределах 1,0–1,2 Фм. Плотность заряда и вещества максимальна в центре ядра и спадает к его границе (рис. 6), причём толщина поверхностного слоя, характеризующая этот спад, практически одинакова у различных ядер и составляет около 2,4 Фм. Средняя плотность ядерного вещества – около 10¹⁷ кг/м³.

Энергия связи ядра

Энергетической характеристикой атомного ядра является его энергия связи – минимальная энергия, которая необходима для расщепления ядра на свободные нуклоны:

Eсв=(Zmp+Nmn)c2–Mc2,E_{св} = (Zm_p + Nm_n)c^2 – Mc^2,где M,M, mp,m_p, mnm_n – масса ядра, протона и нейтрона соответственно, cc – скорость света. EсвE_{св} ядра тем больше, чем больше A,A, а удельная энергия связи (энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон) для большинства ядер лежит в интервале энергий 7–9 МэВ (рис. 7). Такая особенность удельной энергии связи атомного ядра объясняется короткодействием ядерных сил: нуклон в ядре, как правило, взаимодействует лишь со своим ближайшим окружением.

Постоянство плотности и удельной энергии связи позволяет рассматривать атомное ядро как каплю заряженной жидкости, что привело к разработке капельной модели ядра. На основе этой модели немецкий физик К. Ф. фон Вайцзеккер в 1935 г. предложил полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра, названную формулой Вайцзеккера:

Eсв=a1A–a2A2/3–a3Z(Z–1)A–1/3–a4(N–Z)2A–1+a5A–3/4,E_{св} = a_1A – a_2A^{2/3} – a_3Z(Z–1)A^{–1/3} – a_4(N–Z)^2A^{–1} + a_5A^{–3/4},где a1,a_1, a2,a_2, a3,a_3, a4,a_4, a5a_5 – эмпирические коэффициенты, имеющие размерность энергии.

В дальнейшем были обнаружены ядра, у которых наблюдались значительные отклонения от формулы Вайцзеккера. Это магические ядра, проявляющие наибольшую устойчивость, т. е. имеющие аномально большую энергию связи по сравнению с близкими по составу нуклидами и повышенную распространённость в природе. Их форма близка к сферической, а число нейтронов и/или протонов в них равно 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Обнаружение и исследование магических ядер привело к созданию оболочечной модели ядра.

Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ.Атомное ядро – потенциальный источник огромной энергии. Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов (рис. 7) имеет максимум при A≈ A\approx 50–60, где располагаются наиболее устойчивые ядра. Поэтому существуют два возможных процесса, позволяющих извлечь ядерную энергию: деление тяжёлых ядер и синтез (слияние) лёгких ядер. В обоих процессах удельная энергия связи конечных ядер возрастает и возникающий при этом избыток энергии освобождается. Первый процесс, проходящий при возникновении неуправляемой цепной ядерной реакции деления, может привести к ядерному взрыву, а идущий в контролируемом режиме используется в ядерных реакторах. Второй процесс (термоядерные реакции) имеет место в звёздах и был реализован человечеством в термоядерном оружии (водородной бомбе). Предпринимаются попытки создания термоядерного реактора для использования этой самой большой (при расчёте на единицу массы топлива) энергии в мирных целях.

Энергетические состояния ядра

Атомные ядра могут находиться в различных энергетических состояниях: невозбуждённом (с наименьшей энергией) и возбуждённых состояниях. Возбуждённые состояния образуют спектр ядерных уровней, который дискретен до энергии возбуждения около 10 МэВ. При бóльших энергиях этот спектр становится непрерывным за счёт возрастающей плотности уровней и их ширины. Область ядерных возбуждений лежит в интервале 0–100 МэВ. Выше этой энергии в ядре начинают проявляться возбуждённые состояния отдельных нуклонов. Сведения о различных ядерных состояниях собраны в базах данных международных ядерных центров.

Методы описания атомного ядра

Несмотря на то что атомное ядро открыто более 100 лет назад, его изучение ещё далеко от завершения. Это связано с необычайной сложностью ядра, включающего до 300 нуклонов, которые также имеют сложную внутреннюю структуру. Причём нуклоны размером около 10^–15 м плотно сжаты в пространстве размером не более 10^–14 м, где они движутся со скоростями, достигающими 20 % скорости света, и испытывают самые сильные из известных взаимодействий. При теоретическом описании атомного ядра используют приближённые методы решения задачи многих тел; широко распространён феноменологический подход, в основе которого лежат ядерные модели, отражающие различные свойства атомного ядра. Обусловлено это тем, что в разных процессах атомное ядро проявляет различные и, на первый взгляд, несовместимые друг с другом свойства. Оно похоже на газ (вырожденный ферми-газ), и в то же время большая плотность роднит его с ферми-жидкостью. В ряде случаев атомное ядро проявляет свойства, сближающие его и с плазмой, и с твёрдым телом. В нём присутствуют как одночастичные возбуждения, характерные для атомов, так и коллективные, присущие молекулам и макроскопическим объектам. Поэтому в физике атомного ядра часто используют идеи из других областей физики (атомной и молекулярной физики, гидродинамики, физики твёрдого тела и элементарных частиц). Теоретический аппарат ядерной физики также весьма разнообразен – от классической электродинамики и статистической физики до квантовой механики и квантовой теории поля.