Букмекерська контора Фонбет займає лідируючі позиції у сфері надання цих послуг. Вона має гарну репутацію і впізнавана, тому що перша почала приймати онлайн-ставки. Найбільший ігровий портал має інші офіційні ресурси. Користувачі зможуть робити спортивні ставки, навіть якщо сайт заблокований.
Перейти на дзеркало
Що таке дзеркало як зареєструватися на дзеркалі
БК Фонбет має ресурс у всіх відношеннях, що відповідає нормам законодавства. Для користувачів бажаючих, як і раніше, мати доступ до особистого кабінету в домені com, компанією створено все необхідні умовивідкритий доступ на майданчик. Це значно полегшує роботу за рахунок наявних в особистому кабінеті грошей на рахунку. Внаслідок блокування сайту вони не будуть втрачені.
Якщо користувач стикається зі складностями доступу на сайт, потрібно зайти на дзеркало. Цей варіант потрібний, як показує практика. Робоче дзеркало Fonbet є найпоширенішим запитом в Інтернет-локаціях, присвячених беттингу в Росії.
Чому заблокували основний сайт
Це відбувається внаслідок проблем із законодавством в інфо-просторі. У зв'язку з цим Роскомнагляд блокує ресурс контори. З цих причин домен періодично пропадає, але завдяки дзеркалу з'являється знову. За рахунок цього портал порівняно з іншими виглядає пристойно.
Користувач без проблем зможе знайти альтернативну адресу. Це можна зробити, якщо зайти на будь-який форум, що висвітлює діяльність букмекерської контори та визначитися з актуальним варіантом доступу на дзеркало. При зверненні до технічної служби підтримки клієнт оперативно отримує необхідні варіації, щоб зайти на портал. При цьому їхній функціонал ідентичний, що надає клієнту всі ключові інструменти, щоб зробити прогноз результату спортивних змагань. Дзеркало Фонбет дозволяє користувачеві працювати в доступних режимах.
Також користувач може активувати у форматі онлайн. За допомогою лайв-ставок розширюються тактичні складові прогнозиста. Це дозволяє під час матчу коригувати ставки відповідно до аналізу ходу поєдинку.
Як зареєструватися на дзеркалі
Процедура реєстрації досить проста. Основною умовою є вік старше 18 років. Важливим моментом є точне заповнення всіх полів, крім поля “Промокод”. Це дозволить не стикатися з труднощами, якщо необхідно відновити обліковий запис.
При проходженні реєстрації слід уважно ставитись до наступних ключових моментів:
- Дані. Їх треба вводити точно, щоб унеможливити проблеми з сайтом.
- Валюта. На вибір клієнта надано різні варіанти: долар США, білоруський рубль. Варто визначитись із валютою, яка дозволить зручно поповнити депозит.
- Реєстрація рахунку за телефоном. Для реєстрації можна зателефонувати, вказаному на сайті. Це значно спростить процедуру користувача.
Користуватися сервісом Фонбет можна за рахунок смартфона. Мобільна версія дозволяє без проблем використовувати дзеркало Fonbet, яке працює ідентично офіційному ресурсу. За допомогою мобільної версії користувачеві забезпечується комфортний ігровий ритм.
У яких замість нуклону ядром є інші частинки.
Кількість протонів у ядрі називається його зарядовим числом Z (\displaystyle Z)- Це число дорівнює порядковому номеру елемента, до якого відноситься атом, в таблиці (Періодичній системі елементів) Менделєєва. Кількість протонів в ядрі визначає структуру електронної оболонки нейтрального атома і таким чином хімічні властивості відповідного елемента. Кількість нейтронів у ядрі називається його ізотопічним числом N (\displaystyle N). Ядра з однаковим числом протонів та різним числом нейтронів називаються ізотопами. Ядра з однаковим числом нейтронів, але різним числом протонів - називаються ізотонами. Терміни ізотоп та ізотон використовуються також стосовно атомів, що містять зазначені ядра, а також для характеристики нехімічних різновидів одного хімічного елемента. Повна кількість нуклонів у ядрі називається його масовим числом A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A = N + Z)) і приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеної в таблиці Менделєєва. Нукліди з однаковим масовим числом, але різним протоннейтронним складом прийнято називати ізобарами.
Як і будь-яка квантова система, ядра можуть перебувати в метастабільному збудженому стані, причому в окремих випадках час життя такого стану обчислюється роками. Такі збуджені стани ядер називаються ядерними ізомерами.
Історія
Розсіяння заряджених частинок може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці і оточеного сферичним однорідним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої атома - і -частки, коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча ймовірність такого відхилення мала.
Таким чином Резерфорд відкрив атомне ядро, з цього моменту і веде початок ядерна фізика, що вивчає будову та властивості атомних ядер.
Після виявлення стабільних ізотопів елементів, ядру найлегшого атома було відведено роль структурної частки всіх ядер. З 1920 року ядро атома водню має офіційний термін-протон. У 1921 році Ліза Мейтнер запропонувала першу, протон-електронну модель будівлі атомного ядра, Згідно з якою воно складається з протонів, електронів та альфа-часток :96 . Однак у 1929 році відбулася «азотна катастрофа» - В. Гайтлер і Г. Герцберг встановили, що ядро атома азоту підпорядковується статистиці Бозе - Ейнштейна, а не статистиці Фермі - Дірака, як передбачала протон-електронна модель:374. Таким чином, ця модель вступила в суперечність з експериментальними результатами вимірювань спинів та магнітних моментів ядер. У 1932 році Джеймсом Чедвіком була відкрита нова електрично нейтральна частка, названа нейтроном. Того ж року Іваненко та, незалежно, Гейзенберг висунули гіпотезу про протон-нейтронну структуру ядра. Надалі, з розвитком ядерної фізики та її додатків, цю гіпотезу було повністю підтверджено .
Теорії будови атомного ядра
У розвитку фізики висувалися різні гіпотези будови атомного ядра; Проте кожна з них здатна описати лише обмежену сукупність ядерних властивостей. Деякі моделі можуть взаємовиключати одна одну.
Найбільш відомими є такі:
- Крапельна модель ядра - запропонована в 1936 Нільсом Бором.
- Оболонкова модель ядра – запропонована у 30-х роках XX століття.
Ядерно-фізичні характеристики
Вперше заряди атомних ядер визначив Генрі Мозлі у 1913 році. Свої експериментальні спостереження вчений інтерпретував залежністю довжини хвилі рентгенівського випромінювання від певної константи Z (\displaystyle Z), що змінюється на одиницю від елемента до елемента і дорівнює одиниці водню:
1 / λ = a Z − b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda ))=aZ-b), деA (\displaystyle a)і b (\displaystyle b)- Постійні.
З чого Мозлі зробив висновок, що знайдена в його дослідах константа атома, що визначає довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання і збігається з порядковим номером елемента, може бути лише зарядом атомного ядра, що стало відомо під назвою закон Мозлі .
Маса
Через різницю в числі нейтронів A − Z (\displaystyle A-Z)ізотопи елемента мають різну масу M (A, Z) (\displaystyle M(A,Z))що є важливою характеристикою ядра. У ядерній фізиці масу ядер прийнято вимірювати в атомних одиницях маси ( а. е. м.), за одну а. е. м. приймають 1/12 частина маси нукліду 12 C . Слід зазначити, що стандартна маса, яка зазвичай наводиться для нукліду – це маса нейтрального атома. Для визначення маси ядра потрібно від маси атома відняти суму мас всіх електронів (точніше значення вийде, якщо врахувати ще й енергію зв'язку електронів з ядром).
Крім того, в ядерній фізиці часто використовується енергетичний еквівалент маси. Відповідно до співвідношення Ейнштейна, кожному значенню маси M (\displaystyle M)відповідає повна енергія:
E = M c 2 (\displaystyle E = Mc^(2)), де c (\displaystyle c)- швидкість світла у вакуумі.Співвідношення між а. е. м. та її енергетичним еквівалентом у джоулях:
E 1 = 1,660 539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2,997 925 ⋅ 10 8) 2 = 1,492 418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1(,)66t5 (,) 997925 \ cdot 10 ^ (8)) ^ (2) = 1 (,) 492418 \ cdot 10 ^ (-10)), E 1 = 931,494 (\displaystyle E_(1)=931(,)494).Радіус
Аналіз розпаду важких ядер уточнив оцінку Резерфорда та зв'язав радіус ядра з масовим числом простим співвідношенням:
R = r 0 A 1 / 3 (\displaystyle R = r_(0)A^(1/3)),де – константа.
Так як радіус ядра не є чисто геометричною характеристикою і пов'язаний насамперед із радіусом дії ядерних сил, то значення r 0 (\displaystyle r_(0))залежить від процесу, під час аналізу якого отримано значення R (\displaystyle R), усереднене значення r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1(,)23\cdot 10^(-15))м, таким чином радіус ядра в метрах:
R = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 (\displaystyle R=1(,)23\cdot 10^(-15)A^(1/3)).
Моменти ядра
Як і його нуклони, ядро має власні моменти.
Спін
Оскільки нуклони мають власний механічний момент, або спин, рівний 1/2 (\displaystyle 1/2), то ядра повинні мати механічні моменти. Крім того, нуклони беруть участь у ядрі в орбітальному русі, який також характеризується певним моментом кількості руху кожного нуклону. Орбітальні моменти набувають лише цілих чисел ℏ (\displaystyle \hbar )(Постійна Дірака). Усі механічні моменти нуклонів, як спини, і орбітальні, підсумовуються алгебраїчно і становлять спин ядра.
Незважаючи на те, що число нуклонів в ядрі може бути дуже велике, спини ядер зазвичай невеликі і становлять не більше кількох ℏ (\displaystyle \hbar )що пояснюється особливістю взаємодії однойменних нуклонів. Усі парні протони і нейтрони взаємодіють тільки так, що їхні спини взаємно компенсуються, тобто пари завжди взаємодіють із антипаралельними спинами. Сумарний орбітальний момент пари також завжди дорівнює нулю. У результаті ядра, що складаються з парного числа протонів і парного числа нейтронів, немає механічного моменту. Відмінні від нуля спини існують тільки в ядер, що мають у своєму складі непарні нуклони, спин такого нуклону підсумовується з його орбітальним моментом і має якесь напівціле значення: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра непарно-непарного складу мають цілі спини: 1, 2, 3 і т. д. .
Магнітний момент
Вимірювання спинів стали можливими завдяки наявності безпосередньо пов'язаних із ними магнітних моментів. Вони вимірюються в магнетонах і різні ядер рівні від -2 до +5 ядерних магнетонів. Через відносно велику масу нуклонів магнітні моменти ядер дуже малі порівняно з магнітними моментами електронів , тому їх вимір набагато складніший. Як і спини, магнітні моменти вимірюються спектроскопічними методами, найбільш точним є метод ядерного магнітного резонансу.
Магнітний момент парно-парних пар, як і спин, дорівнює нулю. Магнітні моменти ядер з непарними нуклонами утворюються власними моментами цих нуклонів і моментом, що з орбітальним рухом непарного протона .
Електричний квадрупольний момент
Атомні ядра, спин яких більше або дорівнює одиниці, мають відмінні від нуля квадрупольні моменти, що говорить про їхню не точно сферичну форму. Квадрупольний момент має знак плюс, якщо ядро витягнуте вздовж осі спина (веретеноподібне тіло), і знак мінус, якщо ядро розтягнуте в площині, перпендикулярна до осі спина (чечевицеподібне тіло). Відомі ядра з позитивними та негативними квадрупольними моментами. Відсутність сферичної симетрії у електричного поля, створюваного ядром з ненульовим квадрупольним моментом, призводить до утворення додаткових енергетичних рівнів атомних електронів і появи в спектрах атомів ліній надтонкої структури відстані між якими залежать від квадрупольного моменту.
Енергія зв'язку
Стійкість ядер
З факту зменшення середньої енергії зв'язку для нуклідів з масовими числами більше або менше 50-60 випливає, що для ядер з малими A (\displaystyle A)енергетично вигідний процес злиття - термоядерний синтез, що призводить до збільшення масового числа, а для ядер з великими A (\displaystyle A)- Процес поділу. В даний час обидва ці процеси, що призводять до виділення енергії, здійснені, причому останній лежить в основі сучасної ядерної енергетики, а перший знаходиться на стадії розробки.
Детальні дослідження показали, що стійкість ядер також суттєво залежить від параметра N/Z (\displaystyle N/Z)- Відношення чисел нейтронів і протонів. В середньому для найбільш стабільних ядер N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^(2/3))тому ядра легких нуклідів найбільш стійкі при N ≈ Z (\displaystyle N\approx Z), а зі зростанням масового числа все більш помітним стає електростатичне відштовхування між протонами, і область стійкості зсувається убік N > Z (\displaystyle N>Z)(див. пояснювальний малюнок).
Якщо розглянути таблицю стабільних нуклідів, що зустрічаються в природі, можна звернути увагу на їх розподіл за парними та непарними значеннями Z (\displaystyle Z)і N (\displaystyle N). Усі ядра з непарними значеннями цих величин є ядрами легких нуклідів 1 2 H (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))), 3 6 Li (\displaystyle ()_(3)^(6)(\textrm (Li))), 5 10 B (\displaystyle ()_(5)^(10)(\textrm (B))), 7 14 N (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))). Серед ізобар з непарними A, як правило, стабільний лише один. У разі парних A (\displaystyle A)часто зустрічаються по два, три і більш стабільні ізобари, отже, найбільш стабільні парно-парні, найменш - непарно-непарні. Це свідчить у тому, що як нейтрони, і протони, виявляють тенденцію групуватися парами з антипаралельними спинами , що зумовлює порушення плавності вищеописаної залежності енергії зв'язку від A (\displaystyle A) .
Таким чином, парність числа протонів або нейтронів створює деякий запас стійкості, який призводить до можливості існування кількох стабільних нуклідів, що відрізняються відповідно за кількістю нейтронів для ізотопів і протонів для ізотонів. Також парність числа нейтронів у складі важких ядер визначає їх здатність ділитися під впливом нейтронів.
Ядерні сили
Ядерні сили - це сили, що утримують нуклони в ядрі, що є великими силами тяжіння, що діють лише на малих відстанях. Вони мають властивості насичення, у зв'язку з чим ядерним силам приписується обмінний характер (за допомогою пі-мезонів). Ядерні сили залежить від спина, не залежить від електричного заряду і є центральними силами .
Рівні ядра
На відміну від вільних частинок, для яких енергія може приймати будь-які значення (так званий безперервний спектр), пов'язані частинки (тобто частинки, кінетична енергія яких менша за абсолютне значення потенційної), згідно з квантовою механікою, можуть перебувати в станах тільки з певними дискретними значеннями енергій , Так званий дискретний спектр. Так як ядро - система пов'язаних нуклонів, воно має дискретний спектр енергій. Зазвичай воно знаходиться в найнижчому енергетичному стані, що називається основним. Якщо передати ядру енергію, воно перейде в збуджений стан.
Розташування енергетичних рівнів ядра у першому наближенні:
D = a e − b E ∗ (\displaystyle D=ae^(-b(\sqrt (E^(*)))))), де:D (\displaystyle D)- Середня відстань між рівнями,
E ∗ (\displaystyle E^(*))- енергія збудження ядра,
A (\displaystyle a)і b (\displaystyle b)- Коефіцієнти, постійні для даного ядра:
A (\displaystyle a)- середня відстань між першими збудженими рівнями (для легких ядер приблизно 1 МеВ, для важких – 0,1 МеВ)
B (\displaystyle b)- Константа, що визначає швидкість згущення рівнів при збільшенні енергії збудження (для легких ядер приблизно 2 МеВ -1/2, для важких - 4 МеВ -1/2).
Зі зростанням енергії порушення рівні зближуються швидше у важких ядер, і навіть щільність рівнів залежить від парності числа нейтронів у ядрі. Для ядер з парними (особливо магічними) числами нейтронів щільність рівнів менше, ніж ядер з непарними, при рівних енергіях порушення перший збуджений рівень у ядрі з парним числом нейтронів розташований вище, ніж у ядрі з непарним.
У всіх збуджених станах ядро може перебувати лише кінцевий час, допоки порушення не буде знято тим чи іншим шляхом. Стани, енергія збудження яких менша за енергію зв'язку частки або групи частинок в даному ядрі, називаються пов'язаними; в цьому випадку збудження може зніматися лише гамма-випромінюванням. Стани з енергією збудження, що перевищує енергію зв'язку частинок, називаються квазістаціонарними. У цьому випадку ядро може випустити частинку або гамма-квант.
У наприкінці XIX- На початку XX століття фізики довели, що атом є складною частинкою і складається з більш простих (елементарних) частинок. Були виявлені:
· Катодні промені ( англійський фізикДж. Дж. Томсон, 1897 р), частинки яких отримали назву електрони e - (несуть одиничний негативний заряд);
· природна радіоактивність елементів (французькі вчені – радіохіміки А. Беккерель та М. Склодовська-Кюрі, фізик П'єр Кюрі, 1896 р.) та існування α-часток (ядер гелію 4 He 2+);
· Наявність у центрі атома позитивно зарядженого ядра (англійський фізик і радіохімік Е. Резерфорд, 1911 р.);
· Штучне перетворення одного елемента в інший, наприклад азоту в кисень (Е. Резерфорд, 1919). З ядра атома одного елемента (азота - у досвіді Резерфорда) при зіткненні з α-частинкою утворювалося ядро атома іншого елемента (кисню) і нова частка, яка несе одиничний позитивний заряд і названа протоном (p + , ядро 1H)
· Наявність в ядрі атома електронейтральних частинок - нейтронів n 0 (Англійський фізик Дж. Чедвік, 1932 р.). В результаті проведених досліджень було встановлено, що в атомі кожного елемента (крім 1H) присутні протони, нейтрони та електрони, причому протони та нейтрони зосереджені в ядрі атома, а електрони – на його периферії (в електронній оболонці).
Електрони прийнято позначати так: e − .
Електрони e − дуже легкі, майже невагомі, але мають негативний електричний заряд. Він дорівнює -1. Електричний струм, яким ми всі користуємося - це потік електронів, що біжить у проводах.
Нейтрони позначають так: n 0 а протони так: p + .
За масою нейтрони та протони майже однакові.
Число протонів в ядрі дорівнює числу електронів в оболонці атома і відповідає порядковому номеру цього елемента в періодичній системі.
Атомне ядро
Центральна частина атома, в якій зосереджена основна його маса та структура якого визначає хімічний елемент, до якого належить атом.
Атомне ядро складається з нуклонів - позитивно заряджених протонів p + і нейтральних нейтронів n 0 які пов'язані між собою за допомогою сильної взаємодії. Атомне ядро, яке розглядається як клас частинок з певним числом протонів і нейтронів, часто називається нуклідом.
Кількість протонів в ядрі називається його зарядовим числом Z - це число дорівнює порядковому номеру елемента, якого відноситься атом в таблиці Менделєєва.
Число нейтронів у ядрі позначається буквою N, а число протонів - буквою Z. Ці числа пов'язані між собою простим співвідношенням:
Повна кількість нуклонів в ядрі називається його масовим числом A = N + Z і приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеної в таблиці Менделєєва.
Ядра атомів з однаковим числом протонів та різним числом нейтронів називаються ізотопами.
Багато елементів мають по одному природному ізотопу, наприклад, Be, F, Na, Al, P, Mn, Co, I, Au та деякі інші. Але більшість елементів мають по два, по три і більш стійкі ізотопи.
Наприклад:
Ядра атомів з однаковим числом нейтронів, але різним числом протонів називаються ізотонами.
Атоми різних елементів з однаковою атомною масою А називаються ізобарами.
Зміст статті
АТОМНОГО ЯДРУ БУДОВА.Ядро є центральною частиною атома. У ньому зосереджено позитивний електричний заряд і основну частину маси атома; в порівнянні з радіусом електронних орбіт розміри ядра надзвичайно малі: 10 -15 -10 -14 м. Ядра всіх атомів складаються з протонів і нейтронів, що мають майже однакову масу, але лише протон несе електричний заряд. Повна кількість протонів називається атомним номером Zатома, що збігається з числом електронів у нейтральному атомі. Ядерні частинки (протони та нейтрони), звані нуклонами, утримуються разом дуже великими силами; за своєю природою ці сили не можуть бути ні електричними, ні гравітаційними, а за величиною вони на багато порядків перевищують сили, що зв'язують електрони з ядром.
Перше уявлення про справжніх розмірахядра давали досліди Резерфорда щодо розсіяння альфа-частинок у тонких металевих фольгах. Частинки глибоко проникали крізь електронні оболонки та відхилялися, наближаючись до зарядженого ядра. Ці досліди явно свідчили про малі розміри центрального ядра і вказали на спосіб визначення ядерного заряду. Резерфорд встановив, що альфа-частинки наближаються до центру позитивного заряду на відстань приблизно 10 -14 м, а це дозволило йому зробити висновок, що такий максимально можливий радіус ядра.
На основі таких припущень Бор побудував свою квантову теорію атома, що успішно пояснила дискретні спектральні лінії, фотоефект, рентгенівське випромінювання та періодичну систему елементів Проте теоретично Бора ядро розглядалося як позитивний точковий заряд.
Ядра більшості атомів виявилися не тільки дуже малі - на них ніяк не діяли такі засоби збудження оптичних явищяк дуговий іскровий розряд, полум'я і т.п. Вказівкою на наявність певної внутрішньої структури ядра стало відкриття в 1896 А. Бекерелем радіоактивності. Виявилося, що уран, а потім радій, полоній, радон тощо. випускають не тільки короткохвильове електромагнітне випромінювання, рентгенівське випромінювання та електрони (бета-промені), але й більш важкі частки (альфа-промені), а вони могли виходити лише з масивної частини атома. Резерфорд використовував альфа-частинки радію у своїх дослідах із розсіяння, які послужили основою формування уявлень про ядерний атом. (У той час було відомо, що альфа-частинки - це атоми гелію, позбавлені своїх електронів; але на питання - чому деякі важкі атоми спонтанно випускають їх, відповіді ще не було, як не було і точного уявлення про розміри ядра.)
Відкриття ізотопів.
Вимірювання мас «каналових променів», проведені Дж. Томсоном, Ф. Астоном та іншими дослідниками за допомогою досконаліших мас-спектрометрів і з більшою точністю, дали ключ до будови ядра, а також атома в цілому. Наприклад, вимір відношення заряду до маси показав, що заряд ядра водню, мабуть, є одиничний позитивний заряд, чисельно рівний заряду електрона, а маса m p = 1837m e, де m e- Маса електрона. Гелій міг давати іони з подвійним зарядом, та його маса вчетверо перевищувала масу водню. Таким чином, висловлена раніше В.Праутом гіпотеза про те, що всі атоми побудовані з атомів водню, була серйозно похитнута.
Порівнюючи на своєму мас-спектрографі масу атома неону з відомими масами інших елементів, Томсон у 1912 р. несподівано виявив, що неону замість однієї відповідають дві параболи. Розрахунки мас частинок показали, що з парабол відповідає часткам з масою 20, іншу – з масою 22. Це було першим свідченням те, що атоми певного хімічного елемента може мати різні масові числа. Оскільки виміряне (середнє) масове число дорівнювало 20,2, Томсон висловив припущення, що неон складається з атомів двох типів, на 90% з масою 20 і на 10% з масою 22. Оскільки обидва типи атомів у природі існують у вигляді суміші і їх не можна розділити хімічним шляхом, масове число неону виявляється рівним 20,2.
Наявність двох типів атомів неону наводило на думку, що й інші елементи можуть являти собою суміші атомів. Наступні мас-спектрометричні вимірювання показали, що більшість природних елементів є сумішшю від двох до десяти різних сортів атомів. Атоми того самого елемента з різною масою називають ізотопами. Деякі елементи мають лише один ізотоп, що вимагало теоретичного пояснення, як і факт різної поширеності елементів, а також існування радіоактивності лише в певних речовин.
У зв'язку з відкриттям ізотопів виникла проблема стандартизації, оскільки хіміки раніше вибрали як стандарт «кисень» (16,000000 атомних одиниць маси), що виявився сумішшю чотирьох ізотопів. У результаті вирішили встановити «фізичну» шкалу мас, у якій найпоширенішому ізотопу кисню приписувалося значення 16,000000 а.е.м. Однак у 1961 між хіміками та фізиками було досягнуто угоди, згідно з якою найбільш поширеним ізотопом вуглець-12 було приписано 12,00000 а.о.м. Оскільки число атомів в 1 молі ізотопу дорівнює Авогадро N 0 , отримуємо
Зазначимо, що в атомну одиницю маси входить маса одного електрона, а маса найлегшого ізотопу водню майже на 1% більше 1 а.
Відкриття нейтрону.
Відкриття ізотопів не прояснило питання будову ядра. До цього часу були відомі лише протони – ядра водню та електрони, а тому природною була спроба пояснити існування ізотопів різними комбінаціями цих позитивно та негативно заряджених частинок. Можна було б думати, що ядра містять Апротонів, де А– масове число, та А-Zелектронів. При цьому повний позитивний заряд збігається з атомним номером Z.
Така проста картина однорідного ядра спочатку не суперечила висновку про малі розміри ядра, що випливало з дослідів Резерфорда. "Природний радіус" електрона r 0 = e 2 /mc 2 (який виходить, якщо прирівняти електростатичну енергію e 2 /r 0 заряду, розподіленого по сферичній оболонці, власної енергії електрона mc 2) складає r 0 = 2,82Ч 10 -15 м. Такий електрон досить малий, щоб знаходитися всередині ядра радіусом 10 -14 м, хоча помістити туди велику кількість частинок було б важко. У 1920 р. Резерфорд та інші вчені розглядали можливість існування стійкої комбінації з протона та електрона, що відтворює нейтральну частинку з масою, приблизно рівної масіпротону. Однак через відсутність електричного заряду такі частинки важко піддавалися б виявленню. Навряд чи вони могли б вибивати електрони з металевих поверхонь, як електромагнітні хвиліпри фотоефекті.
Лише через десятиліття, після того, як природна радіоактивність була глибоко досліджена, а радіоактивне випромінювання стали широко застосовувати, щоб викликати штучне перетворення атомів, було надійно встановлено існування нової складової частини ядра. У 1930 В.Боте і Г.Беккер з Гісенського університету проводили опромінення літію і берилію альфа-частинками і за допомогою лічильника Гейгера реєстрували проникаюче випромінювання. Оскільки на це випромінювання не впливали електричні та магнітні поляі воно мало велику проникаючу здатність, автори дійшли висновку, що випромінюється жорстке гамма-випромінювання. У 1932 Ф. Жоліо та І. Кюрі повторили досліди з бериллієм, пропускаючи таке проникаюче випромінювання через парафіновий блок. Вони виявили, що з парафіну виходять протони з надзвичайно високою енергією, і зробили висновок, що, проходячи через парафін, гамма-випромінювання в результаті розсіювання породжує протони. (У 1923 р. було встановлено, що рентгенівські промені розсіюються на електронах, даючи комптонівський ефект.)
Дж.Чедвік повторив експеримент. Він також використовував парафін та за допомогою іонізаційної камери (рис. 1), в якій збирався заряд, що виникає при вибиванні електронів з атомів, вимірював пробіг протонів віддачі.
Чедвік використовував також газоподібний азот (у камері Вільсона, де вздовж сліду зарядженої частки відбувається конденсація водяних крапель) для поглинання випромінювання та вимірювання пробігу атомів віддачі азоту. Застосувавши до результатів обох експериментів закони збереження енергії та імпульсу, він дійшов висновку, що виявлене нейтральне випромінювання – це негамма-випромінювання, а потік частинок з масою, близькою до маси протону. Чедвік показав також, що відомі джерела гамма-випромінювання не вибивають протонів.
Тим самим було підтверджено існування нової частки, яку тепер називають нейтроном. Розщеплення металевого берилію відбувалося так:
Альфа-частинки 4 2 He (заряд 2 масове число 4) стикалися з ядрами берилію (заряд 4 масове число 9), в результаті чого виникали вуглець і нейтрон.
Відкриття нейтрону стало важливим кроком уперед. Характерні характеристики ядер тепер можна було інтерпретувати, розглядаючи нейтрони і протони як складові ядер. На рис. 2 схематично показано структуру кількох легких ядер.
Нейтрон, як тепер відомо, на 0,1% важчий за протон. Вільні нейтрони (поза ядром) зазнають радіоактивного розпаду, перетворюючись на протон і електрон. Це нагадує про початкову гіпотезу складеної нейтральної частки. Однак усередині стабільного ядра нейтрони пов'язані з протонами і мимоволі не розпадаються.
Ядерний зв'язок.
Початкове припущення Праута про те, що всі атомні маси повинні бути цілими кратними маси атома водню, дуже близьке до істини, зокрема стосовно ізотопів. Відхилення вкрай малі, завжди трохи більше 1%, а здебільшого трохи більше 0,1%. Детальне вивчення мас ізотопів доведено до найвищого ступенядосконалості: похибка виміру нині, зазвичай, вбирається у кількох мільйонних.
Встановлено, що нейтронів приблизно збігається з числом протонів в атомі, тобто.
Насправді у важчих ядрах є деякий надлишок нейтронів. Оскільки нейтрон не заряджений, сили, що утримують нейтрони та протони в ядрі, за своєю природою не є електростатичними; крім того, однойменні заряди відштовхуються. Та обставина, що ядра дуже важко розщепити, свідчить про існування великих силядерного тяжіння. Незважаючи на небагато відстаней, гравітаційне тяжіння між нуклонами все ж таки занадто слабке, щоб забезпечити стабільність ядра.
Згідно з Ейнштейном, повна енергія ізольованої системи зберігається, а маса є однією з форм енергії: E = mc 2 . Щоб розщепити таку пов'язану систему, як ядро стабільного атома, на її нейтрони і протони, їй необхідно повідомити енергію. Це означає, що маса нейтронів та протонів перевищує масу ядра на величину
D M = ZM p + NM n - M A, Z,
де M pі M n– маси вільного протона та нейтрону, а M A,Z- Маса ядра з зарядом Zта масовим числом А. Ця різниця мас, виражена в одиницях енергії, називається енергією зв'язку. Коефіцієнт для перерахунку такий:
1 а.е.м. = 931,14 МеВ,
де 1 МеВ = 106 еВ. Таким чином, енергія зв'язку E B= D Mc 2 є енергія, необхідна для розщеплення ядра на окремі нейтрони та протони.
Середня енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, E B/A, Досить регулярно змінюється зі збільшенням числа нуклонів в ядрі (рис. 3). Найлегшим ядром після протона є дейтрон 21H, розщеплення якого вимагає енергії 2,2 МеВ, тобто. 1,1 МеВ на нуклон. Альфа-частка 4 2 He пов'язана набагато сильніше, ніж її сусіди: її енергія зв'язку становить 28 МеВ. У ядер з масовим числом, що перевищує 20, середня енергія зв'язку, що припадає на нуклон, залишається майже постійною приблизно 8 МеВ.
Енергія зв'язку ядер на багато порядків величини перевищує енергію зв'язку валентних електронів в атомі та атомів у молекулі. Щоб видалити з атома водню його єдиний електрон, достатньо енергії 13,5 еВ; для видалення внутрішніх електронів у свинці, пов'язаних найбільш міцно, необхідна енергія, що дорівнює 0,1 МеВ. Отже, всі ядерні процеси пов'язані з енергіями, що значно перевищують ті, з якими ми маємо справу у звичайних хімічних реакціях або за звичайних температур і тисків.
Природна радіоактивність.
З природної радіоактивності почалася ядерна фізика. Альфа-, бета- і гамма-випромінювання, що випускаються ураном, мають ядерне походження, тоді як оптичні та рентгенівські спектри відповідають електронній структурі атома. Альфа-частинки виявилися ядрами гелію. Бета-частинки за своїм зарядом і масою ідентичні електронам оболонки атома, проте їх ядерне походження було чітко продемонстровано зміною заряду ядра, що розпадається. Крім того, енергія гамма-випромінювання значно перевищує енергію, яку можуть випромінювати електрони із зовнішньої оболонки атома, отже це проникаюче випромінювання має ядерне походження.
Деякі елементи, що зустрічаються в природі, з великим атомним номером (уран, торій, актиній) мають радіоактивні ізотопи, в результаті розпаду яких утворюються інші радіоактивні ізотопи (такі, як радій), а зрештою стабільний свинець. Час життя «батьківського» ізотопу у разі порівняно з віком Землі, який оцінюється в 10 млрд. років. Передбачається, що у період утворення Землі існувало велике число радіоактивних речовинОднак короткоживучі елементи вже давно перетворилися на стабільні кінцеві продукти. Можливо, деякі з ізотопів, які називають «стабільними», насправді розпадаються, проте їх періоди розпаду («часи життя») настільки великі, що існуючими методами їх не вдається виміряти.
Важлива роль радіоактивності у фізиці ядра пов'язана з тим, що радіоактивне випромінювання несе інформацію про типи частинок та енергетичні рівні ядра. Наприклад, випромінювання альфа-часток з ядра і відносна стійкість утворення з двох протонів і двох нейтронів побічно вказує на можливість існування альфа-часток всередині ядра.
Відмінність між природною та штучно наведеною радіоактивністю не дуже істотна для розуміння будови ядра, проте вивчення природних радіоактивних рядів дозволило зробити важливі висновки щодо віку Землі та використовувати такі елементи як джерела бомбардуючих частинок задовго до того, як були винайдені прискорювачі частинок.
Штучні перетворення ядер.
Досліди з природно-радіоактивними елементами показали, що на швидкість радіоактивного розпаду не можна вплинути звичайними фізичними засобами: теплом, тиском і т.п. Отже, спочатку здавалося, що немає будь-якого ефективного методу дослідження структури природно стабільних ізотопів. Однак у 1919 р. Резерфорд виявив, що ядра можна розщеплювати, бомбардуючи їх альфа-частинками. Першим розщепленим елементом був азот, що у вигляді газу заповнював камеру Вільсона. Альфа-частинки, що випускаються торієвим джерелом, стикалися з ядрами азоту, поглиналися ними, внаслідок чого випромінювалися швидкі протони. При цьому відбувалася реакція
В результаті такої реакції атом азоту перетворюється на атом кисню. У цьому прикладі енергії зв'язку ядер аналогічні теплу, яке виділяється при хімічної реакції, хоч і значно перевищують його. Згодом аналогічні результати були отримані з багатьма іншими елементами. Використовуючи різні методи, можна виміряти енергії і кути вильоту заряджених частинок, що випускаються, що забезпечує проведення кількісних експериментів.
Наступним кроком стало відкриття, зроблене Дж.Кокрофтом і Е.Уолтоном в 1932. Вони встановили, що штучно прискорені пучки протонів з енергією 120 кеВ (тобто значно меншою, ніж у альфа-часток у дослідах Резерфорда) здатні викликати розщеплення атомів літію у процесі
Два ядра гелію (альфа-частинки) одночасно вилітають у протилежні сторони. Причина, через яку ця реакція протікає при низькій енергії, полягає в міцному зв'язку альфа-часток; при додаванні протона маси ядра 7 Li повідомляється енергія, яка майже рівнозначна масам двох альфа-частинок. Інша енергія, необхідна для протікання реакції, черпається з кінетичної енергії протонів, що бомбардують.
Усі відомі елементиі ізотопи, що зустрічаються в природі, можуть бути «штучним» шляхом перетворені на сусідні елементи. Всі ці нові ізотопи виявляються радіоактивними, проте в результаті подальшого розпаду вони перетворюються на стабільні ізотопи. Отримані нові елементи, аж до елемента з порядковим номером 103; всі вони виявилися радіоактивними із відносно коротким періодом напіврозпаду. Нині відомо понад 1000 ізотопів.
Енергетичні рівні ядер та ядерні моделі.
Вивчення ядерних реакцій переконливо продемонструвало існування енергетичних рівнів ядер. Ці рівні є станом ядра з певною енергією, яким приписані певні квантові числа, як і енергетичним рівням атома . За аналогією з оптичною спектроскопією дослідження випромінювань, що випромінюються ядром при переходах між енергетичними рівнями, називається ядерною спектроскопією. Однак, як можна побачити з рис. 4, відстань між енергетичними рівнями ядер значно більша, ніж між електронними рівнями атомів, а до ядерним випромінюваннямКрім електромагнітного, відносяться також випромінювання електронів, протонів, альфа-часток і частинок інших типів.
Про існування у ядра дискретних енергетичних рівнів свідчить те, що збудження ядра, що призводить до випромінювання, відбувається лише при певних енергіях бомбардуючих частинок, а також те, що енергії частинок, що випускаються, відповідають переходам між певними рівнями. Наприклад, можна виміряти кількість протонів, що утворюються під час бомбардування бору-10 моноенергетичними дейтронами в результаті реакції
та визначити їх імпульси щодо відхилення в магнітному полі. Зареєстрований спектр протонів з мішені, що містить бор із домішками вуглецю, азоту та кремнію, і представлений на рис. 4. Гострі, різкі піки ясно показують, що енергія ядра квантується подібно до енергії атома.
На рис. 5 наведена схема енергетичних рівнів ядра бор-11 (11), причому енергії збудження виражені в МеВ. Нерівномірність розподілу ядерних енергетичних рівнів, не характерна для розподілу атомних енергетичних рівнів, обумовлена щільнішою упаковкою ядер і сильнішою взаємодією частинок усередині ядра. Зі збуджених рівнів, що відповідають ядру 10 В, що бомбардується дейтронами з енергією 1,51 МеВ, можуть відбуватися переходи на будь-який з рівнів, розташованих нижче, що супроводжуються випромінюванням протонів. Якщо після випромінювання протона ядро 11 залишається в збудженому стані, воно може потім розпадатися, переходячи в нижчий, «основний» стан з випромінюванням одного або декількох гамма-квантів.
В даний час послідовне та єдине пояснення причин виникнення енергетичних рівнів ядер відсутнє, але є низка теорій, що дозволяють пояснити деякі явища. Одна з них – «модель оболонок», яка, запозичивши з атомної фізики уявлення про будову атома оболонки, застосувала її до аналізу змін нейтронів і протонів всередині ядра.
У 1932 Дж. Бартлетт зауважив, що всі стабільні ядра, розташовані між 4 He і 16 О, відносяться до послідовності
4 He + n+p+n+p +...,
тоді як між 16 Про і 36 Аr аналогічна послідовність набуває вигляду
16 O + n+n+p+p+n+n +....
Він висловив припущення, що ці зміни у послідовності відображають порядок заповнення оболонок нейтронами та протонами. Принцип заборони Паулі діє у разі ядерних частинок так само, як і у випадку електронів, а в моделі оболонок він призводить до того, що на першій оболонці можуть перебувати лише два протони і два нейтрони, на другій – по шести обох частинок (заповнена у 16 О) та на третій по десять (заповнена у 36 Аr). Наявність періодичності у структурі ядер проявляється і далі, хоч і з деякими відступами. Існування певних «магічних чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82 і 126) нейтронів і протонів у ядрах, яким відповідають піки кривої енергії зв'язку, можна пояснити на основі модифікованої моделі оболонок (званої моделлю незалежних частинок), яка дозволяє правильно передбачати спини та магнітні моменти ядер. Наприклад, спини ядер із заповненими оболонками, як і передбачає ця модель, дорівнюють нулю. Однак незважаючи на багато переваг, наявні варіанти моделі оболонок все ж таки не пояснюють всіх ядерних явищ, що не дивно через складну структуру ядра.
Складове ядро та модель краплі.
У більш важких ядрах число нуклонів настільки велике, що багато спостерігаються закономірності поведінки цих ядер найкраще відтворюються моделлю краплі. Цю модель запропонував у 1936 р. Н.Бор, щоб пояснити великі часи життя збуджених ядер, що утворюються при захопленні повільних нейтронів. (В даному випадку під часом життя розуміється час з моменту збудження ядра до моменту втрати ним енергії збудження в результаті випромінювання.) Часи життя виявилися в мільйон разів більше часу, необхідного нейтрону, щоб перетнути ядро (10 -22 с). Це свідчить про те, що збуджене ядро є якоюсь системою («складове ядро»), час існування якої набагато більше часу її утворення.
Бор висловив припущення, що ядерна реакція протікає у дві стадії. На першій падаюча частка входить в ядро-мішень, утворюючи «складове ядро», де в численних зіткненнях втрачає свою початкову енергію, розподіляючи її серед інших нуклонів ядра. В результаті в жодній з частинок не виявляється енергії, необхідної для вильоту з ядра. Друга стадія, розпад складеного ядра, відбувається через деякий час, коли енергія випадково сконцентрується на одній з частинок або загубиться у вигляді гамма-випромінювання. Вважається, що друга стадія залежить від деталей механізму утворення складеного ядра. Вид розпаду визначається лише грою можливих варіантів.
Як простий аналогії цій картині ядерної реакції Бор запропонував розглянути поведінку краплі. Між молекулами такої краплі діють сили, що зв'язують їх один з одним і перешкоджають випаровуванню, поки не буде підведено тепло ззовні. Поява ще однієї молекули, що має додаткову кінетичною енергією, Наводить в результаті її статистичного перерозподілу до збільшення температури краплі як цілого. Через деякий час випадкова концентрація енергії на будь-якій молекулі може призвести до її випаровування. Теорія Бору була детально розроблена та дозволила побудувати послідовну картину різноманітних ядерних реакцій, у тому числі реакцій під дією нейтронів та заряджених частинок проміжних енергій (аж до 100 МеВ). Корисними виявилися введені за аналогією поняття ядерної температури, питомої теплоємності та випаровування частинок. Наприклад, кутове розподіл «випарованих» частинок виявилося не залежать від напрямку падаючої частки, тобто. ізотропним, оскільки вся інформація про початковий напрямок губиться на стадії існування складового ядра.
Крапельна модель виявилася особливо цінною при поясненні явища поділу ядер, коли для розвалу ядра урану на дві приблизно рівні частини з великим виділенням енергії достатньо поглинання одного повільного нейтрону. Електростатичний відштовхування протонів викликає деяку нестабільність ядра, яка зазвичай перекривається за рахунок ядерних сил, що забезпечують енергію зв'язку. Але за підвищення ядерної температури сферичної «краплі» у ній можуть виникнути коливання, у яких крапля деформується в еліпсоїд. Якщо деформація ядра буде продовжуватися, то електростатичне відштовхування двох його позитивно заряджених половин може взяти гору, і тоді відбудеться його розподіл.
Розміри та форма ядра.
Вперше розміри ядра правильно оцінив Резерфорд, використавши для цього розсіювання альфа-частинок. Його перші експерименти показали, що розміри зарядженої частини ядра - близько 10 -14 м. Пізніші і точніші експерименти дозволили встановити, що радіус ядра приблизно пропорційний А 1/3 і, отже, щільність ядерної речовини майже стала. (Вона колосальна: 100 000 т/мм 3 .)
З відкриттям нейтрона стало ясно, що він є ідеальним засобом дослідження ядра, оскільки нейтральні частинки, проходячи на значній відстані від ядра, не відчувають відхилення під дією заряду ядра. Іншими словами, нейтрон стикається з ядром, якщо відстань між їхніми центрами виявляється меншою за суму їх радіусів, а в іншому випадку не відхиляється. Досліди з розсіювання пучка нейтронів показали, що радіус ядра (у припущенні сферичної форми) дорівнює:
R = r 0 A 1/3 ,
r 0 » 1,4 ч 10 -15 м.
Таким чином, радіус ядра урану-238 дорівнює 8,5 10 -15 м. Отримане значення відповідає радіусу дії ядерних сил; воно характеризує відстань від центру ядра, у якому зовнішній нейтральний нуклон починає вперше «відчувати» його вплив. Така величина радіуса ядра можна порівняти з відстанню від центру ядер, у якому відбувається розсіювання альфа-частинок і протонів.
Розсіювання альфа-часток, протонів та нейтронів на ядрах обумовлено дією ядерних сил; отже, такі виміри радіусів ядер дають оцінку радіусу дії ядерних сил. Взаємодія електронів з ядрами майже повністю визначається електричними силами. Тому розсіювання електронів можна використовуватиме вивчення форми розподілу заряду в ядрі. Експерименти з електронами дуже високих енергій, проведені Р.Хофстедтером у Станфордському університеті, надали детальну інформацію про розподіл позитивного заряду по радіусу ядра. На рис. 6 представлено кутовий розподіл розсіяних ядрами золота електронів з енергією 154 МеВ. Верхня крива характеризує кутовий розподіл, розрахований у припущенні, що позитивний заряд сконцентрований у точці; Зрозуміло, що експериментальні дані цьому припущенню не відповідають. Набагато краща згода досягається у припущенні про рівномірний розподіл протонів за обсягом ядра (нижня крива). Однак «радіус заряду» виявляється приблизно на 20% менше радіусу «ядерних сил», отриманого на основі даних щодо розсіювання нейтронів. Це може означати, що розподіл протонів у ядрі відрізняється від розподілу нейтронів.
Ядерні сили та мезони.
Малий радіус дії ядерних сил уперше виразно виявився вже у дослідах із розсіяння Резерфорда. Альфа-частинки, що наближалися до центру ядра до 10 -14 м, зазнавали дії сил, знак і величина яких відрізнялися від звичайного електростатичного відштовхування. Пізніші експерименти із застосуванням нейтронів показали, що між усіма нуклонами існують великі короткодіючі сили. Ці сили відмінні від добре відомих електростатичних і гравітаційних сил, що не зникають навіть на дуже великих відстанях. Ядерні сили є силами тяжіння, що прямо випливає з факту існування стійких ядер, всупереч електростатичному відштовхуванню протонів, що знаходяться в них. Ядерні сили між будь-якою парою нуклонів (нейтронів і протонів) – одні й самі; це показує порівняння енергетичних рівнів «дзеркальних ядер», що відрізняються один від одного тим, що в них протони замінені нейтронами і навпаки. У межах свого радіусу дії ядерні сили досягають дуже великої величини. Електростатична потенційна енергія двох протонів, що знаходяться на відстані 1,5Ч 10 -15 м один від одного, становить лише 1 МеВ, що в 40 разів менше ядерної потенційної енергії. Ядерні сили також виявляють насичення, оскільки даний нуклон може взаємодіяти лише з обмеженою кількістю інших нуклонів. Звідси швидке початкове зростання (зі збільшенням А) середньої енергії зв'язку, що припадає на один нуклон (рис. 3), та відносна сталість цієї енергії надалі. (Якби кожен нуклон взаємодіяв з усіма нуклонами в ядрі, то енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, весь час зростала б пропорційно А.)
Поки що немає задовільної теорії ядерних сил, і проблема інтенсивно вивчається експериментально та теоретично. Однак багато ідей, що лежать в основі «мезонної теорії ядерних сил», опублікованої в 1935 Х.Юкавой, опинилися у згоді з експериментальними фактами. Юкава висунув гіпотезу, що тяжіння, яке утримує нуклони всередині ядра, виникає завдяки наявності «квантів» якогось поля, аналогічних фотонам (світловим квантам) електромагнітного поля та забезпечують взаємодію електричних зарядів. З квантової теорії поля випливає, що радіус дії сили обернено пропорційний масі відповідного кванта; у разі електромагнітного поля маса квантів - фотонів - дорівнює нулю, і радіус дії сил нескінченний. Маса квантів ядерного поля (названих «мезонами»), обчислена за експериментально виміряним радіусом дії ядерних сил, виявилася приблизно в 200 разів більшою за масу електрона.
Положення теорії Юкави зміцнилося після того, як К. Андерсон і С. Неддермейєр відкрили в 1936 нову частину з масою приблизно 200 електронних мас (нині іменовану мюоном), яку вони виявили за допомогою камери Вільсона в космічних променях. (У 1932 Андерсон відкрив «позитрон», позитивний електрон.) Спочатку здавалося, що кванти ядерних сил знайдено, проте проведені потім експерименти виявили бентежну обставину: «ключ до ядерних сил» не взаємодіє з ядрами! Ця заплутана ситуація прояснилася лише після того, як у 1947 році С.Пауелл виявив частинку з підходящою масою, яка взаємодіє з ядрами. Ця частка (названа пі-мезоном, або півонією) виявилася нестабільною і мимоволі розпадалася, перетворюючись на мюон. Пі-мезон підходив на роль частинки Юкави, та його властивості були у всіх деталях вивчені фізиками, які використовували для цих цілей космічні промені та сучасні прискорювачі.
Хоча існування пі-мезонів і підбадьорило прихильників теорії Юкави, на її основі виявилося дуже важко правильно передбачити такі детальні властивості ядерних сил, як їхнє насичення, енергії зв'язку та енергії ядерних рівнів. Проблеми математичного характеру не дозволили точно встановити, що саме передбачає ця теорія. Ситуація ще більше ускладнилася після відкриття нових типів мезонів, які, як вважається, стосуються ядерних сил.
Атомне ядро
Atomic nucleus
Атомне ядро
– центральна та дуже компактна частина атома, в якій зосереджена практично вся його маса та весь позитивний електричний заряд. Ядро, утримуючи поблизу себе кулонівськими силами електрони у кількості, що компенсує його позитивний заряд, утворює нейтральний атом. Більшість ядер мають форму близьку до сферичної та діаметр ≈ 10 -12 см, що на чотири порядки менше діаметра атома (10 -8 см). Щільність речовини в ядрі - близько 230 млн. Тонн/см 3 .
Атомне ядро було відкрито в 1911 р. в результаті серії експериментів з розсіяння альфа-частинок тонкими золотими та платиновими фольгами, виконаних у Кембриджі (Англія) під керівництвом Е. Резерфорда. У 1932 р. після відкриття там же Дж. Чедвіком нейтрону стало ясно, що ядро складається з протонів та нейтронів.
(В. Гейзенберг, Д.Д. Іваненко, Е. Майорана).
Для позначення атомного ядра використовується символ хімічного елемента атома, до складу якого входить ядро, причому верхній лівий індекс цього символу показує число нуклонів (масове число) в даному ядрі, а лівий нижній індекс - число протонів в ньому. Наприклад, ядро нікелю, що містить 58 нуклонів, у тому числі 28 протонів, позначається . Це ядро можна також позначати 58 Ni, або нікель-58.
Ядро – система щільно упакованих протонів і нейтронів, що рухаються зі швидкістю 10 9 -10 10 см/сек і утримуються потужними та короткодіючими ядерними силами взаємного тяжіння (область їх дії обмежена відстанями ≈ 10 -13 см). Протони та нейтрони мають розмір близько 10 -13 см і розглядаються як два різних станіводнієї частки, званої нуклоном. Радіус ядра можна приблизно оцінити за формулою R ≈ (1.0-1.1)·10 -13 А 1/3 см, де А – число нуклонів (сумарне число протонів і нейтронів) в ядрі. На рис. 1 показано, як змінюється щільність речовини (в одиницях 10 14 г/см 3) всередині ядра нікелю, що складається з 28 протонів і 30 нейтронів, залежно від відстані r (в одиницях 10 -13 см) до центру ядра.
Ядерна взаємодія (взаємодія між нуклонами в ядрі) виникає за рахунок того, що нуклон обмінюються мезонами. Ця взаємодія - прояв більш фундаментальної сильної взаємодії між кварками, з яких складаються нуклони і мезони (подібно до сили хімічного зв'язку в молекулах - прояв більш фундаментальних електромагнітних сил).
Світ ядер дуже різноманітний. Відомо близько 3000 ядер, що відрізняються один від одного або числом протонів, або нейтронів, або тим і іншим. Більшість їх отримано штучним шляхом.
Лише 264 ядра стабільні, тобто. не відчувають згодом ніяких мимовільних перетворень, іменованих розпадами. Інші відчувають різні формирозпаду - альфа-розпад (випускання альфа-частинки, тобто ядра атома гелію); бета-розпад (одночасне випромінювання – електрона та антинейтрино або позитрону та нейтрино, а також поглинання атомарного електрона з випромінюванням нейтрино); гамма-розпад (випускання фотона) та інші.
Різні типи ядер часто називають нуклідами. Нукліди з однаковим числом протонів та різним числом нейтронів називають ізотопами. Нукліди з однаковим числом нуклонів, але різним співвідношенням протонів та нейтронів називаються ізобарами. Легкі ядра містять приблизно рівні кількості протонів та нейтронів. У важких ядер число нейтронів приблизно 1,5 разу перевищує число протонів. Найлегше ядро – ядро атома водню, що з одного протона. У найважчих відомих ядер (вони отримані штучно) число нуклонів ≈290. З них 116-118 протонів.
Різні комбінації кількості протонів Z та нейтронів відповідають різним атомним ядрам. Атомні ядра існують (тобто їх час життя t > 10 -23 c) у досить вузькому діапазоні змін чисел Z і N. При цьому всі атомні ядра поділяються на дві великі групи – стабільні та радіоактивні (нестабільні). Стабільні ядра групуються поблизу лінії стабільності, що визначається рівнянням
|
Мал. 2. NZ-діаграма атомних ядер. |
На рис. 2 показано NZ-діаграма атомних ядер. Чорними точками показані стабільні ядра. Область розташування стабільних ядер зазвичай називають долиною стабільності. З лівого боку від стабільних ядер знаходяться ядра, перевантажені протонами (протоннадлишкові ядра), праворуч – ядра, перевантажені нейтронами (нейтроннонадлишкові ядра). Колір виділено атомні ядра, виявлені в даний час. Їх близько 3,5 тисяч. Вважається, що їх має бути 7 – 7.5 тисяч. Протонадлишкові ядра (малиновий колір) є радіоактивними і перетворюються на стабільні в основному в результаті β + -розпадів, протон, що входить до складу ядра при цьому перетворюється на нейтрон. Нейтронадлишкові ядра (блакитний колір) також є радіоактивними і перетворюються на стабільні в результаті -розпадів, з перетворенням нейтрона ядра в протон.
Найважчими стабільними ізотопами є ізотопи свинцю (Z = 82) та вісмуту (Z = 83). Тяжкі ядра поряд з процесами β + і β - -розпаду схильні також α-розпаду (жовтий колір) і спонтанному поділу, які стають їх основними каналами розпаду. Пунктирна лінія на рис. 2 окреслює сферу можливого існування атомних ядер. Лінія B p = 0 (B p – енергія відділення протону) обмежує сферу існування атомних ядер зліва (proton drip-line). Лінія B n = 0 (B n – енергія відокремлення нейтрону) – справа (neutron drip-line). Поза цими кордонами атомні ядра існувати що неспроможні, оскільки вони розпадаються за характерний ядерний час (~10 -23 – 10 -22 c) з нуклонів.
При з'єднанні (синтезі) двох легких ядер і розподілі важкого ядра на два легших осколка виділяється велика енергія. Ці два способи отримання енергії – найефективніші з усіх відомих. Так 1 грам ядерного палива еквівалентний 10 тонн хімічного палива. Синтез ядер (термоядерні реакції) є джерелом енергії зірок. Некерований (вибуховий) синтез здійснюється при підриві термоядерної (або так званої "водневої") бомби. Керований (повільний) синтез лежить в основі перспективного джерела енергії, що розробляється - термоядерного реактора.
Некерований (вибуховий) поділ відбувається під час вибуху атомної бомби. Керований поділ здійснюється в ядерних реакторахє джерелами енергії в атомних електростанціях.
Для теоретичного опису атомних ядер використовується квантова механіка та різні моделі.
Ядро може поводитися як і газ (квантовий газ) і як рідина (квантова рідина). Холодна ядерна рідина має властивості надплинності. У сильно нагрітому ядрі відбувається розпад нуклонів на їх кварки. Ці кварки взаємодіють обміном глюон. Внаслідок такого розпаду сукупність нуклонів усередині ядра перетворюється на новий стан матерії – кварк-глюонну плазму.