ядро атомное

ЯДРО АТОМНОЕ

центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Масса Я. а. примерно в 4∙10³ раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размеры Я. а. составляют ~ 10⁻¹²–10⁻¹³ см. Электрич. заряд положителен и по абс. величине равен сумме зарядов электронов нейтрального атома.

Общие характеристики Я. а. Протон (р) и нейтрон (n) в ядре объединяются общим названием "нуклон". Число нуклонов в Я. а. наз. массовым числом А. Поскольку заряд ядра Z в единицах абс. заряда электрона е равен числу протонов, число нейтронов в Я. а. равно: N = A — Z. Ядра-изотопы имеют одно и то же Z, но разные N, а ядра-изобары — одно и то же А, но разные Z и N.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, наз. ядерными. Они определяются самым интенсивным из всех известных в физике взаимод. (сильное взаимод.); для двух протонов в ядре, напр., ядерные силы примерно в 100 раз превышают электростатич. отталкивание. Важным свойством ядерных сил является их независимость от заряда нуклона; взаимод. двух протонов, двух нейтронов или протона и нейтрона одинаковы, если одинаковы состояния относит. движения этих пар частиц, а также спиновые состояния (см. ниже). Ядерные силы характеризуются определенным радиусом действия. Наиб. радиус действия составляет примерно 1,41∙10⁻¹³ см; в то же время зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами пока не установлена.

Размеры Я. а. зависят от их массового числа. Ср. плотность распределения нуклонов для всех ядер с >А > 10 практически одинакова, так что объем ядра пропорционален А, а его линейный размер пропорционален А^1/3. Эффективный радиус R ядра определяется равенством: R = аА^1/3, где постоянная а составляет величину (1,1–1,4)∙10⁻¹³ см в зависимости от того, в каком физ. эксперименте измеряется R. Это равенство показывает, что R меняется от 10⁻¹³ до 10⁻¹² см. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет ок. 10¹⁴ г/см³. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии.

Для расщепления Я. а. на отдельные нуклоны необходимо затратить энергию, наз. энергией связи ядра Е_св, определяемую соотношением:

E_CB = (Zm_p + Nm_n-M)c²,

где m_p, т_пи М — массы протона, нейтрона и ядра соотв.; с -скорость света.

Величина= Zm_p + Nm_n — М = E_CB/c², показывающая насколько масса ядра отличается от массы составляющих его частиц, наз. дефектом массы. На практике дефект массы часто определяют как разницу между массой атома в а. е. м. и массовым числом А. Знание дефекта масс позволяет определить величину энергии, которая может выделиться в ядерных реакциях (см. также ядерная энергия).

Отношение E_CB /A слабо меняется при изменении А, составляя для большинства ядер приблизительно 78 МэВ. Эту особенность соотносят с насыщением ядерных сил, т. е. с тем, что каждый нуклон связывается в Я. а. лишь с ограниченным числом др. нуклонов. Более детальное рассмотрение показывает, что Е_св зависит от соотношения А и Z. Существует т. наз. полоса стабильности для этого соотношения, при выходе за пределы которой у ядер проявляется нестабильность, т. е. возможен радиоактивный распад (см. радиоактивность). Это соотношение важно и при установлении предельно возможного значения Z, выше которого тяжелые ядра оказываются нестабильными в отношении спонтанного деления. Теоретич. оценки вероятности спонтанного деления ядер не исключают существования "островов стабильности" сверхтяжелых ядер вблизи Z, равных 114 и 126.

Некоторые ядра существуют в метастабильных возбужденных энергетич. состояниях, что обнаруживается по различиям характеристик радиоактивного распада в основном и возбужденном состояниях (см. также изомерия атомных ядер).

Квантовые состояния ядер определяются дискретными уровнями энергии и рядом других сохраняющихся в этих состояниях физ. величин. Важнейшие характеристики квантового состояния Я. а. — его спин I и четность Р. Спиновое квантовое число I целое у ядер с четным А и полуцелое у ядер с нечетным А, поскольку соответствующие числа для протона и нейтрона равны ¹/₂, а спин составной частицы равен сумме спинов слагающих ее частиц либо отличается от нее на целое число. Четность состояния Р =1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при инверсии пространства. Основные состояния ядер с четными Z и А обычно четные (Р =±1) и спин I = 0. Легкие ядра (Z<20) характеризуются дополнит. квантовым числом, наз. изоспином. Изоспин ядра Т является целым числом при четном А и полуцелым — при нечетном (т. к. изоспин нуклона также равен ¹/₂). В разных квантовых состояниях изоспин м. б. различным, причем Т(А — 2Z)/2 (знак равенства справедлив для основного состояния ядра).

Я. а. в каждом квантовом состоянии характеризуется помимо энергии также электрич. и магн. моментами. Если квантовое состояние ядра имеет определенную четность, его электрич. дипольный момент равен нулю. В то же время электрич. квадрупольный момент может отличаться от нуля (хотя и здесь имеется ограничение: лишь при I > ¹/₂). Квадрупольный момент ядра м. б. записан в виде eQ, где Q — коэф.. имеющий размерность площади и меняющийся от 10⁻²⁷ см² (легкие ядра) до 10⁻²³ см² (тяжелые ядра). Наличие квадрупольного момента у ядер свидетельствует о том, что распределение заряда в них не обладает сферич. симметрией и м. б. представлено эллипсоидом вращения. Если ядро вытянуто вдоль оси вращения эллипсоида (оси симметрии), >Q > 0, если сплюснуто, то Q < 0. Как правило, большие квадрупольные моменты ядер положительны.

Магн. дипольные моменты ядер m имеют порядок величины ядерного магнетона 5,051∙10⁻²⁷ Дж/Тл-постоянная Планка) и связаны со спином ядра 7 коэф. пропорциональности носящим назв. гиромагнитного отношения: Значениеменяется в широких пределах — от 5,25 для ¹⁹F до −2,08 для ¹¹⁹Sn. Магн. дипольный и электрич. квадрупольный моменты ядер м. б. измерены радиоспектроскопич. методами (см. радиоспектроскопия).

Модели ядер. Квантовая система с сильным взаимод. многих составляющих ее частиц представляет собой сложный объект для совр. квантовой теории. К тому же теория Я. а. не располагает достаточно определенной информацией о ядерных силах. По этой причине структуру и свойства ядер описывают пока в рамках моделей, позволяющих получать удовлетворит. результаты лишь по определенным наборам свойств ядер.

Оболочечная модель похожа по структуре на модель электронных оболочек: каждый нуклон находится в ядре в определенном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, спином j, его проекцией на одну из осей, орбитальным моментом количества движения l =j±¹/₂ и четностью (-1^l). Заполнение уровней энергии проводится в соответствии с Паули принципом. Однако при больших А (> 150) квадрупольные моменты ядер отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в 10–100 раз. Поэтому была предложена ротационная модель для несферич. ядер, согласно которой ядро представляет собой эллипсоид вращения и уровни энергии зависят от момента инерции ядра. В обобщенной модели сохраняются осн. идеи оболочечной модели, но потенц. поле, в котором движутся нуклоны, предполагается имеющим симметрию эллипсоида вращения, а не сферич. симметрию. Активно развиваются кластерные модели, в которых используется представление об образовании взаимодействующих между собой кластеров из двух или большего числа нуклонов. Тем не менее ни одна из моделей не может претендовать на последоват. объяснение свойств ядер на основе общих физ. принципов, а также данных о структуре ядер и взаимод. нуклонов. Теория Я. а. остается пока одной из нерешенных фундам. проблем совр. физики.

Ядерные эффекты в химии. Превращения веществ, не стабильных относительно распада ядер, изучаются, начиная с открытия радиоактивности в 1896. Введенный в нач. 20 в. термин "радиохимия" в наст. время объединяет химию радиоактивных веществ и ядерных превращений и изучение сопутствующих им физ.-хим. процессов. Разработаны методы, позволяющие направленно получать, концентрировать и вьщелять атомы с определенными ядрами, в частности радионуклиды, а также молекулы, в состав которых входят такие атомы (см. ядерная химия).

Заметное влияние на ядерные процессы оказывает строение электронных оболочек атомов и молекул. Так, мёссбауэровская спектроскопия основана на регистрировании резонансного поглощения (рассеяния) квантов ядрами при совпадении энергий ядерных переходов поглотителя с частотой квантов. Изменение энергетич. состояния ядер в молекуле или кристалле по сравнению с состоянием тех же ядер в свободном атоме определяется, в частности, изменением электростатич. взаимод. объемного заряда ядра с электронами, что приводит к т. наз. хим. сдвигу резонансных линий в мёссбауэровском спектре и взаимод. квадрупольного момента ядра с градиентом электрич. поля на ядре, обусловленным несферич. окружением данного ядра в молекуле. В результате происходит расщепление энергетич. уровней мол. системы в зависимости от проекции спина ядра на направление градиента электрич. поля на ядре. Переходы между расщепленными уровнями наблюдаются с помощью метода ядерного квадрупольного резонанса. Взаимод. магн. момента ядра с магн. полем, создаваемым электронами, определяет сверхтонкую структуру спектров электронного парамагнитного резонанса. Расщепление уровней энергии под влиянием взаимод. магн. моментов ядер, связанных с их спином, обусловило создание разл. вариантов метода ядерного магнитного резонанса; тонкая структура спектров ЯМР вызвана спин-спиновым взаимодействием ядер. Все упомянутые методы, основанные на свойствах ядер и их зависимости от окружения ядер, используются для анализа того, что представляет собой окружение Я. а. в молекулах, а также для изучения разл. релаксац. процессов в веществе.

Характеристики ядер, входящих в состав молекулы, наряду с числом электронов полностью определяют данную молекулу, а следовательно, и весь набор ее квантовых состояний (разл. изомеры отвечают лишь разл. участкам на поверхности потенц. энергии молекулы). Во мн. задачах достаточно рассматривать ядра как точечные образования, несущие заряд Z и определяющие общую структуру волновых функций каждого из квантовых состояний молекулы. Однако более тонкие эффекты зависят от спина ядер, их квадрупольного момента, а также от их размеров и масс (при использовании релятивистских подходов), что приводит к необходимости активного изучения свойств и структуры ядер.

Различие масс ядер изотопов определяет прежде всего изотопные эффекты — различие физ. и хим. свойств вещества, содержащего изотопно-замещенные молекулы. В частности, различия масс ядер изотопов позволяют увеличить объем информации, извлекаемой из вращат. и колебат. спектров молекул. Предполагается, что у всех изотопно-замещенных молекул потенц. поверхность, рассматриваемая в адиабатич. приближении, одна и та же, следовательно, и мол. постоянные, определяющие потенц. поверхность (равновесная конфигурация, силовые постоянные, постоянные ангармоничности и др.), остаются без изменений. Однако положения вращат. и колебат. уровней энергии молекулы зависят от массы составляющих ее частиц, следовательно, меняются и переходы между этими уровнями при изотопном замещении.

Эти же различия в энергетич. спектре изотопов, наряду с различием поступат. энергии молекул с разными массами при одной и той же температуре, влекут за собой различие термодинамич. свойств вещества, в частности отличие от единицы констант равновесия изотопного обмена. Реакции с участием изотопно-замещенных молекул отличаются скоростями, температурной зависимостью и т. п.

^{Лит.: Бете Г., Моррисон Ф., Элементарная теория ядра, пер. с англ., 2 изд., М., 1958; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Драrо Р., Физические методы в химии, пер. с англ., т. 1–2, М., 1981; Флайгер У., Строение и динамика молекул, пер. с англ., т. 1–2, М., 1982; Мигдал А. Б., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, 2 изд., М., 1983.}

_{Н. Ф. Степанов}