3.3. Модель строения атомного ядра

Согласно современным представлениям [31, 56, 57] каждое атомное ядро ZXA характеризуется зарядовым (Z) и массовым (А) числами. Зарядовое число равно числу протонов в ядре (Z = Np), и оно совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе Д.И.

В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Оно имеет положительный электрический заряд равный Ze = Z ¦ е+, где е+ — заряд по-

зитрона. Число нейтронов в ядре равно Nn = А - Np, а отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре - Nn/Np ~ I - 2,6. Ядра с четным А имеют целый спин, а с нечетным — полуцелый.

Ядро имеет примерно сферическую форму. Различные методы измерений ядер с массовым числом А дают следующее значение для радиуса ядра:

(3.3.1)

Ядра не имеют резко выраженной границы. Данные измерения также показывают, что радиус действия ядерных сил несколько больше радиуса сферы, в которой расположены протоны:

alt="" />(3.3.2)

Поэтому высказывается предположение, что возможно это связано с тем, что нуклоеы распределены по сфере (шару) большего радиуса.

Радиусы ядер при переходе от водорода к урану меняются всего лишь в 6,5 раз. Зная объем и массу ядра, можно оценить плотность «ядерного вещества». Оценка дает: р ~ IO14 г/см3.

Ядра имеют дипольный, квадрупольный и другие электрические моменты. Электрическим диполем называется система из двух разных зарядов, находящихся на расстоянии 5. Дипольный момент такой системы равен d = е8, где е — электрический заряд. Простейшая модель квадрупо- ля — это пара равных и противоположно ориентированных диполя d, расположенных на некотором расстоянии г. Электрический квадрупольный момент является мерой отклонения распределения электрического заряда от сферически-симметричного, т.е.

Ядра также имеют магнитные моменты, природа которых до сих пор не раскрыта. Единицей измерения ядерного магнитного момента служит ядерный магнетон ця = eh/2mpc, который в 1836 раз меньше магнетона Бора (хБ = eh/2mec, где шр — масса протона, а ше — масса электрона. Величина ядерного магнитного момента наблюдается больше, чем следует ожидать из теоретических представлений.

Магнитный момент имеют не только ядра, но и нейтроны. Поэтому представления, что магнитные моменты возникают в результате вращения заряженного ядра вокруг собственной оси, не объясняют существование магнитного момента у нейтрона, который не имеет электрического заряда.

Существует ряд моделей строения ядра: капельная модель, модель оболочек, обобщенная модель и др.

По капельной модели ядро представляет собой систему, подобно жидкой капли. Это предположение основано на том, что ядерные силы являются короткодействующими и обладают свойством насыщения, когда каждый нуклон взаимодействует только с ближайшими окружающими его нуклонами. При этом нуклоны в ядре совершают хаотические движения, подобно молекулам воды в капле. Данная модель может быть применима для описания только возбужденного ядра. В этом случае используются такие понятия как температура, энтропия, а вылет из ядра нейтрона может, например, трактоваться как «испарение». Вместе с тем капельная модель не может объяснить особой устойчивости ряда ядер, таких, как 2Не4, g016, 20Са40, 50Sn69, 82РЬ126 и некоторых других.

Модель оболочек предполагает, что нуклоны в ядре движутся независимо по своим орбитам. Если совокупность определенного числа нуклонов ядра образует замкнутую оболочку, то такие ядра являются наиболее устойчивыми. К подобным ядрам относятся так называемые магические ядра, содержащие 2, 8, 20, 28, 50, 82; 126 нуклонов. Они обнаруживают особую устойчивость даже на фоне четно-четных ядер (ядер, имеющих четное число протонов и четное число нейтронов) и имеют нулевой квадрупольный электрический момент, что свидетельствует о симметричности данных ядер.

В обобщенной (коллективной) модели используются положительные черты капельной и оболочной моделей. В ней предполагается, что нуклоны движутся в некотором «самосогласованном» поле, которое резко зависит от положения нуклона у поверхности ядра и почти не зависит от положения отдельных нуклонов внутри ядра. Данная модель вводит в «оболочную» модель состояние поверхности ядра в виде динамической переменной, которая характерна для капельной модели, так как деформация поверхности есть проявление коллективной формы движения. В обобщенной модели непосредственное взаимодействие нуклонов между собой внутри ядра считается малым по сравнению с их взаимодействием, осуществляемым через деформацию поверхности.

По мнению К.Н. Мухина «Основной моделью ядра следует считать модель независимых частиц, в которой нуклоны рассматриваются как невзаимодействующими.... Капельная модель, которая при своем по-

явлении базировалась на предположении о сильном взаимодействии между нуклонами, также не противоречит главному принципу, так как рассматриваемые в ней явления (например, деление) носят характер коллективного движения всех нуклонов ядра, т.е. относятся к сфере влияния обобщенной модели» [31, т. I, ч. I, с. 166].

Таким образом, современные научные представления о строении ядра атома базируются на том, что нуклоны в ядре представляют собой независимые частицы, которые взаимодействуют с ближайшими окружающими его нуклонами. Они находятся в постоянном движении: по капельной модели — совершают хаотические движения; по модели оболочек — движутся независимо по своим орбитам; по обобщенной модели — движутся в некотором «самосогласованном» поле.

Вместе с тем существуют экспериментальные данные, которые свидетельствуют, что тяжелые ядра до некоторой степени могут состоять из отдельных альфа-частиц и даже из ядер отдельных химических элементов, которые в составе тяжелого ядра находятся в связанном состоянии.

В природе тяжелые радиоактивные ядра распадаются цепочкой реакций из альфа- и бета-распадов. Каждый а-распад уменьшает атомный номер (заряд ядра) на две единицы, а каждый отрицательный Р-распад увеличивает его на единицу. Цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется какой-либо устойчивый изотоп свинца [58].

Наблюдаются три основных вида таких последовательностей распада. Одна из них начинается с урана 9JU238 и заканчивается свинцом „РЬ»:

Другая последовательность распадов начинается с урана 92U235 и заканчивается на свинце 82РЬ207, а третья последовательность распадов начинается с тория 90Th232 и заканчивается на свинце g2Pb208.

Кроме того, современными исследованиями установлено, что у четырех а-радиоактивных изотопов радия 88Ra222, ggRa223,^gRa224, 8gRa226 наблюдается еще и углеродная радиоактивность с вылетом ядра 6С14; у ядер урана 92U232, 92U233,92U234, тория 90Th230 и протактиния 91Ра231 — неоновая радиоактивность с вылетом ядра ,„Ne24; у ядер урана 92U234, плутония ,„Pu236 и 94Ри238 — магниевая радиоактивность с вылетом ядра ,2Mg28; у ядер плутония 94Ри238 — кремневая радиоактивность с вылетом ядра 14Si32 [31].

Представляется, что в процессе рассмотренного выше радиоактивного распада, вылетающие из ядер изотопов альфа-частицы и ядра 6С14, 10Ne24,12Mg28,14Si32 образуются не в момент их вылета из тяжелого радиоактивного ядра, а они входили в состав ядра и являлись его структурными образованиями. А из этого факта следует, что ядра средних и тяжелых атомов, вероятно, состоят из связанных между собой структурных образований, в которых нуклоны не являются независимыми частицами, а объединены между собой сильным взаимодействием. Подобными структурными образованиями могут быть ядра дейтрона, гелия и других легких атомов.

alt="" />Ядро дейтрона является самым простым структурным образованием, состоящим из протона и нейтрона (рис.

Поэтому ориентация нуклонов в дейтроне относительно друг друга должна быть в соответствии с направленностью их магнитных моментов. Об этом говорит и наличие у дейтрона электрического квадрупольного момента, который указывает на центральный, тензорный характер ядерных сил, т.е. на зависимость ядерных сил от взаимного

расположения спинов нуклонов и «оси» дейтрона [31]. А так как спины протона и нейтрона каждый равен 1/2 и направлены они в одну стороду, то спин дейтрона равен единице.

По-видимому, ядро дейтрона служило одним из основных структурных образований в процессе ядерного синтеза химических элементов. Например, ядро гелия (альфа-частицу) можно построить объединением двух ядер дейтрона (рис. 3.3.2). В этом случае ориентация «осей» дейтронов должна быть противоположной относительно друг друга, что обеспечивало бы их магнитное притяжение друг к другу и равномерное распределение электрического заряда по объему ядра. Об этом свидетельствует тот факт, что у ядра гелия отсутствует электрический квадрупольный момент (при наличии его у дейтрона). Ядро гелия обладает особой устойчивостью, так как у него

Z - N = 2 (дважды “магическое число”), и оно, в свою очередь, может также выступать в качестве одного из основных структурных образований при синтезе ядер средних и тяжелых атомов.

Существует всего четыре стабильных нечетно-четных ядра ,H2, 3Li6 SB10 и 7N14, для которых Z = N, а четно-нечетных стабильных ядер вообще не существует. Первый элементен2 — это ядрЬ дейтрона, а ядра остальных элементов, вполне вероятно, состоят из ядер дейтрона и гелия: ядро 3Li6 состоит из ядра гелия и ядра дейтрона, ядро 5В10 — из двух ядер гелия и ядра дейтрона, ядро 7N14 — из трех ядер гелия и ядра дейтрона. Построить же четно-нечетные стабильные ядра из ядер дейтрона и гелия невозможно.

Таким образом, эфирная модель строения ядра атома предполагает, что оно должно состоять из совокупности структурных образований, в которых нуклоны взаимосвязаны между собой ядерны- ми силами, и отдельных нуклонов. Эфирные поля имеют каждый нуклон, каждое структурное образование и ядро атома в целом. Нуклоны в структурных образованиях имеют ограниченную подвижность в радиусе действия ядерных сил. Объединение структурных образований в ядро обеспечивает эфирное поле ядра, которое «размывает» четкость его границы.