Атомное ядро

Состав

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов (два типа барионов), соединенных ядерной силой. Эти барионы далее состоят из субатомных фундаментальных частиц, известных как кварки, соединенные сильным взаимодействием. Ядро является более или менее сфероидом и может быть несколько пролонгированным (длинным) или продолговатым (плоским) или иным образом не полностью круглым.

изотопы и нуклиды

Изотоп атома основан на количестве нейтронов в ядре. Различные изотопы одного и того же элемента имеют очень похожие химические свойства. Различные изотопы в образце химического вещества могут быть разделены с помощью центрифуги или масс-спектрометра. Первый метод используется для получения обогащенного урана из обычного урана, а второй - для датирования углерода.

Количество протонов и нейтронов вместе определяют нуклид (тип ядра). Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу, а их суммарное число, т.е. массовое число, примерно равно атомной массе атома. Совокупная масса электронов очень мала по сравнению с массой ядра; протоны и нейтроны весят примерно в 2000 раз больше электронов.

История

Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном было первым признаком того, что атом имеет внутреннюю структуру. На рубеже 20-го столетия принятой моделью атома была модель "сливового пудинга" Дж. Дж. Томсона, в которой атом был большим положительно заряженным шаром с маленькими отрицательно заряженными электронами, встроенными внутрь него. На рубеже веков физики также открыли три типа излучения, исходящего от атомов, которые они назвали альфа-, бета- и гамма-излучением. Эксперименты Лизы Мейтнер и Отто Хана в 1911 году, а также Джеймса Чадвика в 1914 году показали, что спектр бета-распада является непрерывным, а не дискретным. То есть из атома выбрасывались электроны с диапазоном энергий, а не с дискретным количеством энергий, которые наблюдались в гамма- и альфа-распадах. В то время это было проблемой для ядерной физики, поскольку это указывало на то, что энергия в этих распадах не сохраняется. Позднее эта проблема привела бы к обнаружению нейтрино (см. ниже).

В 1906 году Эрнест Резерфорд опубликовал статью "Излучение α-частицы радия при прохождении через вещество". Гейгер продолжил эту работу в сообщении Королевскому обществу с экспериментами, проведенными им и Резерфордом в области пропуска α-частиц через воздух, а также через алюминиевую фольгу и золотую фольгу. Больше работ было опубликовано в 1909 году Гейгером и Марсденом, а в 1910 году Гейгером была опубликована значительно расширенная работа, в 1911-2 годах Резерфорд отправился в Королевское общество, чтобы объяснить эксперименты и продвинуть новую теорию атомного ядра в том виде, в каком мы ее сейчас понимаем.

Примерно в это же время (1909 г.) Эрнест Резерфорд провел замечательный эксперимент, в ходе которого Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под его руководством выстрелили альфа-частицами (ядрами гелия) в тонкую пленку золотой фольги. Модель со сливовым пудингом предсказала, что альфа-частицы должны выйти из фольги, причем их траектории должны были быть слегка изогнуты. Он был потрясен, обнаружив, что несколько частиц рассеяны под большими углами, а в некоторых случаях даже полностью задом наперёд. Открытие, начиная с анализа данных Резерфорда в 1911 году, в конечном счете привело к Резерфордской модели атома, в которой атом имеет очень маленькое, очень плотное ядро, состоящее из тяжелых положительно заряженных частиц с встроенными электронами, чтобы уравновесить заряд. Например, в этой модели азот-14 состоял из ядра с 14 протонами и 7 электронами, а ядро было окружено еще 7 орбитальными электронами.

Модель Резерфорда работала достаточно хорошо до тех пор, пока Франко Расетти не провел исследования ядерного спина в Калифорнийскомтехнологическом институте в 1929 году. К 1925 году было известно, что протоны и электроны имели спин 1/2, а в Резерфордской модели азота-14 14 протонов и 6 электронов должны были парами аннулировать спин друг друга, а конечный электрон должен был покинуть ядро со спином 1/2. Расетти, однако, обнаружил, что спин азота-14 имеет один.

В 1930 году Вольфганг Паули не смог присутствовать на встрече в Тюбингене, а вместо этого отправил знаменитое письмо с классическим вступлением "Уважаемые радиоактивные дамы и господа". В своем письме Паули предположил, что, возможно, в ядре есть третья частица, которую он назвал "нейтроном". Он предположил, что она очень легкая (более легкая, чем электрон), не имеет заряда, и что она неохотно взаимодействует с веществом (вот почему она еще не была обнаружена). Этот отчаянный выход решил и проблему экономии энергии, и проблему спина азота-14, во-первых, потому, что "нейтрон" Паули уносил лишнюю энергию, а во-вторых, потому, что лишний "нейтрон" в паре с электроном в ядре азота-14 давал ему спин. Нейтрон Паули был переименован Энрико Ферми в 1931 году в нейтрино (по-итальянски - маленькое нейтральное), и примерно через тридцать лет было окончательно доказано, что нейтрино действительно выделяется при бета-распаде.

В 1932 году Чадвик понял, что радиация, которую наблюдали Уолтер Боте, Герберт Л. Беккер, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, на самом деле была вызвана массивной частицей, которую он назвал нейтроном. В том же году Дмитрий Иваненко предположил, что нейтроны на самом деле являются крутящимися 1/2 частицами и что ядро содержит нейтроны, и что в нем нет электронов, а Фрэнсис Перрен предположил, что нейтрины не являются ядерными частицами, а создаются во время бета-распада. Чтобы закрыть год, Ферми представил теорию нейтрино Природе (которую редакторы отвергли, потому что она "слишком далека от реальности"). Ферми продолжил работу над своей теорией и в 1934 г. опубликовал статью, в которой нейтрино было поставлено на твердую теоретическую основу. В том же году Хидэки Юкава предложил первую значительную теорию сильной силы, чтобы объяснить, как ядро держится вместе.

С работами Ферми и Юкавы современная модель атома была завершена. В центре атома находится плотный шар из нейтронов и протонов, который удерживается вместе сильной ядерной силой. Нестабильные ядра могут подвергнуться альфа-распаду, при котором они испускают энергетическое ядро гелия, или бета-распаду, при котором они выбрасывают электрон (или позитрон). После одного из этих распадов результирующее ядро может остаться в возбужденном состоянии, и в этом случае оно распадается до своего основного состояния, испуская фотоны высокой энергии (гамма-распад).

Изучение сильных и слабых ядерных сил привело физиков к столкновению ядер и электронов при все более высоких энергиях. Это исследование стало наукой физики частиц, наиболее важной из которых является стандартная модель физики частиц, которая объединяет сильные, слабые и электромагнитные силы.

Современная ядерная физика

Ядро может содержать сотни нуклонов, что означает, что с некоторым приближением его можно рассматривать как классическую систему, а не как квантово-механическую. В результирующей жидкостно-капельной модели ядро имеет энергию, которая возникает частично от поверхностного натяжения и частично от электрического отталкивания протонов. Жидкокапельная модель способна воспроизводить многие особенности ядер, в том числе общий тренд энергии связывания по отношению к массовому числу, а также явление ядерного деления.

Однако на эту классическую картину накладываются квантово-механические эффекты, которые можно описать с помощью модели ядерной оболочки, разработанной в значительной степени Марией Гепперт-Майер. Ядра с определенным количеством нейтронов и протонов (магические числа 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) особенно устойчивы, так как их оболочки заполнены.

Большая часть современных исследований в области ядерной физики связана с изучением ядер в экстремальных условиях, таких как высокий спин и энергия возбуждения. Ядра могут также иметь экстремальные формы (аналогичные американским футбольным мячам) или экстремальные соотношения нейтронов и протонов. Экспериментаторы могут создавать такие ядра, используя искусственно индуцированные реакции синтеза или переноса нуклонов, используя ионные пучки из ускорителя. Пучки с еще более высокими энергиями могут быть использованы для создания ядер при очень высоких температурах, и есть признаки того, что эти эксперименты привели к фазовому переходу от нормального ядерного вещества к новому состоянию - кварк-глюонной плазме, в которой кварки смешиваются друг с другом, а не разделяются на триплеты, как это происходит с нейтронами и протонами.

Темы в ядерной физике

Ядерный распад

Если в ядре слишком мало или слишком много нейтронов, оно может быть нестабильным и через некоторое время распадаться. Например, атомы азота-16 (7 протонов, 9 нейтронов) распадаются на атомы кислорода-16 (8 протонов, 8 нейтронов) в течение нескольких секунд после создания. В этом распаде нейтрон в ядре азота превращается слабой ядерной силой в протон и электрон. Элемент атома изменяется потому, что если раньше у него было семь протонов (что делает его азотом), то теперь у него их восемь (что делает его кислородом). Многие элементы имеют несколько изотопов, которые стабильны в течение недель, лет или даже миллиардов лет.

Ядерный синтез

Когда два легких ядра находятся в очень тесном контакте друг с другом, возможно, что сильная сила соединит их вместе. Потребуется много энергии, чтобы подтолкнуть ядра достаточно близко друг к другу, чтобы сильная сила оказала эффект, поэтому процесс ядерного синтеза может происходить только при очень высоких температурах или высокой плотности. Как только ядра достаточно близко друг к другу, сильная сила преодолевает их электромагнитное отталкивание и вдавливает их в новое ядро. Очень большое количество энергии высвобождается, когда легкие ядра сливаются воедино, потому что энергия связи на один нуклон возрастает с массовым числом до никеля-62. Такие звезды, как наше Солнце, получают энергию от слияния четырех протонов в ядро гелия, двух позитронов и двух нейтрино. Бесконтрольное слияние водорода с гелием известно как термоядерный побег. В настоящее время различными исследовательскими учреждениями проводятся исследования по поиску экономически выгодного способа использования энергии, получаемой при контролируемом слиянии (см. JET и ITER).

Ядерное деление

Для ядер тяжелее никеля-62 энергия связи на нуклон уменьшается с массовым числом. Поэтому энергия может высвобождаться, если тяжелое ядро распадается на два более легких. Это деление атомов известно как ядерное деление.

Процесс альфа-распада можно рассматривать как особый тип самопроизвольного ядерного деления. Этот процесс приводит к очень асимметричному делению, так как четыре частицы, составляющие альфа-частицу, особенно тесно связаны друг с другом, что делает производство этого ядра при делении особенно вероятным.

Для некоторых самых тяжелых ядер, которые производят нейтроны при делении, а также легко поглощают нейтроны для инициирования деления, в так называемой цепной реакции может быть получен саморазжигающийся тип деления, инициируемого нейтронами. [Цепные реакции были известны в химии до физики, а на самом деле многие известные процессы, такие как пожары и химические взрывы, являются цепными химическими реакциями]. Цепная цепная реакция деления, или "ядерная", с использованием нейтронов, образующихся при делении, является источником энергии для атомных электростанций и атомных бомб типа "деление", подобных тем, которые Соединенные Штаты использовали против Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны. Тяжелые ядра, такие как уран и торий, могут подвергнуться самопроизвольному делению, но гораздо более вероятно, что они подвергнутся распаду в результате альфа-распада.

Для возникновения нейтронной цепной реакции при определенных условиях должна быть критическая масса элемента, присутствующего в определенном пространстве (эти условия замедляют и сохраняют нейтроны для реакций). Известен один пример природного реактора на деление ядер, который работал в двух регионах Окло, Габоне, Африке, более 1,5 миллиарда лет назад. Измерения естественного нейтринного излучения показали, что около половины тепла, выделяющегося из активной зоны Земли, является результатом радиоактивного распада. Однако неизвестно, является ли это результатом цепной реакции деления.

Производство тяжелых элементов

По мере того, как Вселенная охлаждалась после большого взрыва, частицы, как мы их знаем, в конце концов стали возможными для существования. Самыми распространенными частицами, созданными в результате большого взрыва, которые до сих пор легко наблюдаются нами, были протоны (водород) и электроны (в равных числах). Некоторые более тяжелые элементы были созданы при столкновении протонов друг с другом, но большинство тяжелых элементов, которые мы видим сегодня, были созданы внутри звезд во время серии стадий синтеза, таких как протонопротонная цепь, цикл CNO и тройной альфа-процесс. Постепенно более тяжелые элементы создаются во время эволюции звезды.

Поскольку энергия связи на нуклон достигает пиков вокруг железа, энергия высвобождается только в процессах синтеза, происходящих ниже этой точки. Поскольку создание более тяжелых ядер путем слияния стоит энергии, природа прибегает к процессу захвата нейтронов. Нейтроны (из-за отсутствия заряда) легко поглощаются ядром. Тяжелые элементы создаются либо в результате медленного процесса нейтронного захвата (так называемого s-процесса), либо в результате быстрого, или r-процесса. Процесс s происходит в термически пульсирующих звездах (называемых AGB, или асимптотическими гигантскими ветвистыми звездами) и занимает от сотен до тысяч лет, чтобы достичь самых тяжелых элементов свинца и висмута. Считается, что процесс r происходит во взрывах сверхновой, поскольку присутствуют условия высокой температуры, высокого потока нейтронов и выбрасываемого вещества. Эти звездные условия заставляют последовательные нейтроны захватывать очень быстро, с участием очень богатых нейтронами видов, которые затем бета-распадаются на более тяжелые элементы, особенно в так называемых точках ожидания, которые соответствуют более стабильным нуклидам с закрытыми нейтронными оболочками (магические числа). Продолжительность процесса r обычно составляет несколько секунд.

Связанные страницы