Атомное ядро

Модель атомного ядра, показывающая его как компактный пучок двух типов нуклонов : протонов (красный) и нейтронов (синий). На этой диаграмме протоны и нейтроны выглядят как маленькие шарики, слипшиеся вместе, но настоящее ядро ​​(в понимании современной ядерной физики ) нельзя объяснить подобным образом, а только с помощью квантовой механики . Можно сказать , что в ядре, занимающем определенный энергетический уровень (например, основное состояние ), каждый нуклон занимает ряд положений.

Атомное ядро ​​— небольшая плотная область, состоящая из протонов и нейтронов в центре атома , открытая в 1911 году Эрнестом Резерфордом на основе эксперимента Гейгера-Марсдена с золотой фольгой 1909 года . После открытия нейтрона в 1932 году Дмитрий Иваненко быстро разработал модели ядра, состоящего из протонов и нейтронов. и Вернер Гейзенберг . Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов , связанных между собой электростатической силой . Почти вся масса атома сосредоточена в ядре с очень небольшим вкладом электронного облака . Протоны и нейтроны связываются вместе, образуя ядро ​​ядерной силой .

Диаметр ядра находится в пределах 1,70 Фм ( 1,70 × 10 ⁻¹⁵ м ) для водорода (диаметр одного протона) до примерно 11,7 Фм для урана . Эти размеры значительно меньше диаметра самого атома (ядро + электронное облако) примерно в 26 634 раза (радиус атома урана составляет около 156 пм ( 156 × 10 ⁻¹² м )) до примерно 60250 ( атомный радиус водорода составляет примерно 52,92 пм ).

Раздел физики, занимающийся изучением и пониманием атомного ядра, включая его состав и силы, связывающие его вместе, называется ядерной физикой .

История

Основная статья: модель Резерфорда

Ядро было открыто в 1911 году в результате попыток Эрнеста Резерфорда проверить « модель сливового пудинга » Томсона атома. Электрон уже был открыт Дж. Дж. Томсоном . Зная, что атомы электрически нейтральны, Дж. Дж. Томсон постулировал, что должен существовать и положительный заряд. В своей модели сливового пудинга Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, случайно рассеянных внутри сферы с положительным зарядом. разработал эксперимент Позже Эрнест Резерфорд вместе со своим партнером по исследованиям Гансом Гейгером и с помощью Эрнеста Марсдена , который включал отклонение альфа-частиц (ядер гелия), направленных на тонкий лист металлической фольги. Он рассуждал, что, если бы модель Дж. Дж. Томсона была правильной, положительно заряженные альфа-частицы легко проходили бы через фольгу с очень небольшими отклонениями в своих траекториях, поскольку фольга должна действовать как электрически нейтральная, если отрицательные и положительные заряды настолько тесно перемешаны, что создают он кажется нейтральным. К его удивлению, многие частицы были отклонены на очень большие углы. Поскольку масса альфа-частицы примерно в 8000 раз превышает массу электрона, стало очевидно, что должна присутствовать очень сильная сила, чтобы отклонить массивные и быстро движущиеся альфа-частицы. Он понял, что модель сливового пудинга не может быть точной и что отклонения альфа-частиц можно объяснить только в том случае, если положительные и отрицательные заряды будут отделены друг от друга и что масса атома представляет собой концентрированную точку положительного заряда. Это обосновало идею ядерного атома с плотным центром положительного заряда и массы.

Этимология

Термин ядро ​​происходит от латинского слова kernel , уменьшительного от nux («орех»), что означает «ядро» (т. е. «маленький орех») внутри водянистого фрукта (например, персика ) . В 1844 году Майкл Фарадей использовал этот термин для обозначения «центральной точки атома». Современное значение атома было предложено Эрнестом Резерфордом в 1912 году. Однако принятие термина «ядро» в атомной теории не было немедленным. Например, в 1916 году Гилберт Н. Льюис заявил в своей знаменитой статье «Атом и молекула» , что «атом состоит из ядра и внешнего атома или оболочки » . Точно так же термин kern , означающий ядро, используется для обозначения ядра в немецком и голландском языках.

Принципы

Фигуративное изображение атома гелия -4 с электронным облаком в оттенках серого. В ядре два протона и два нейтрона изображены красным и синим цветом. На этом изображении частицы показаны как отдельные, тогда как в реальном атоме гелия протоны наложены друг на друга в пространстве и, скорее всего, находятся в самом центре ядра, и то же самое относится и к двум нейтронам. Таким образом, все четыре частицы, скорее всего, находятся точно в одном пространстве, в центральной точке. Классические изображения отдельных частиц не могут моделировать известные распределения зарядов в очень маленьких ядрах. Более точное представление состоит в том, что пространственное распределение нуклонов в ядре гелия гораздо ближе к показанному здесь электронному облаку гелия , хотя и в гораздо меньшем масштабе, чем к причудливому изображению ядра. И атом гелия, и его ядро ​​сферически симметричны .

Ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, являются проявлением более элементарных частиц, называемых кварками , которые удерживаются в ассоциации сильным ядерным взаимодействием в определенных стабильных комбинациях адронов , называемых барионами . Сильное ядерное взаимодействие распространяется достаточно далеко от каждого бариона, чтобы связывать нейтроны и протоны вместе, преодолевая электрическую силу отталкивания между положительно заряженными протонами. Сильное ядерное взаимодействие имеет очень короткий радиус действия и практически падает до нуля сразу за краем ядра. Коллективное действие положительно заряженного ядра заключается в удержании электрически отрицательно заряженных электронов на их орбитах вокруг ядра. Совокупность отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра, демонстрирует сходство с определенными конфигурациями и количеством электронов, которые делают их орбиты стабильными. Какой химический элемент представляет атом, определяется количеством протонов в ядре; нейтральный атом будет иметь равное количество электронов, вращающихся вокруг этого ядра. Отдельные химические элементы могут создавать более стабильные электронные конфигурации, объединяясь для совместного использования своих электронов. Именно такое совместное использование электронов для создания стабильных электронных орбит вокруг ядер представляется нам химией нашего макромира.

Протоны определяют весь заряд ядра и, следовательно, его химическую идентичность . Нейтроны электрически нейтральны, но вносят вклад в массу ядра почти в той же степени, что и протоны. Нейтроны могут объяснить явление изотопов (один и тот же атомный номер с разной атомной массой). Основная роль нейтронов заключается в уменьшении электростатического отталкивания внутри ядра.

Состав и форма

Протоны и нейтроны являются фермионами с разными значениями изоспина сильного квантового числа , поэтому два протона и два нейтрона могут иметь одну и ту же пространственную волновую функцию, поскольку они не являются идентичными квантовыми объектами. Иногда их рассматривают как два разных квантовых состояния одной и той же частицы — нуклона . Два фермиона, такие как два протона, или два нейтрона, или протон + нейтрон (дейтрон), могут проявлять бозонное поведение, когда они становятся слабо связанными в пары, имеющие целочисленный спин.

В редком случае гиперядра третий барион , называемый гипероном , содержащий один или несколько странных кварков и/или других необычных кварков, также может иметь общую волновую функцию. Однако этот тип ядра чрезвычайно нестабилен и не встречается на Земле, за исключением экспериментов по физике высоких энергий.

Нейтрон имеет положительно заряженное ядро ​​радиусом ≈ 0,3 фм, окруженное компенсирующим отрицательным зарядом радиусом от 0,3 до 2 фм. Протон имеет примерно экспоненциально затухающее распределение положительного заряда со среднеквадратичным радиусом около 0,8 фм.

Форма атомного ядра может быть сферической, шаровидной (вытянутая деформация), дискообразной (сплющенная деформация), трехосной (сочетание сплюснутой и вытянутой деформаций) или грушевидной.

Силы

Ядра связаны между собой остаточной сильной силой ( ядерной силой ). Остаточная сильная сила — это незначительный остаток сильного взаимодействия , которое связывает кварки вместе с образованием протонов и нейтронов. Эта сила гораздо слабее между нейтронами и протонами, потому что она в основном нейтрализуется внутри них, точно так же, как электромагнитные силы между нейтральными атомами (например, силы Ван-дер-Ваальса , действующие между двумя атомами инертного газа) намного слабее, чем электромагнитные силы, которые действуют между нейтронами и протонами. удерживают части атомов вместе внутри (например, силы, удерживающие электроны в атоме инертного газа, связанные с его ядром).

Ядерная сила очень притягивает на расстоянии типичного разделения нуклонов, и это подавляет отталкивание между протонами, вызванное электромагнитной силой, что позволяет ядрам существовать. Однако остаточная сильная сила имеет ограниченный диапазон, поскольку она быстро затухает с расстоянием (см. потенциал Юкавы ); таким образом, полностью стабильными могут быть только ядра размером меньше определенного размера. Самым большим известным полностью стабильным ядром (т.е. устойчивым к альфа-, бета- и гамма-распаду ) является свинец-208 , который содержит в общей сложности 208 нуклонов (126 нейтронов и 82 протона). Ядра большего размера, чем этот максимум, нестабильны и имеют тенденцию быть все более недолговечными с большим количеством нуклонов. Однако висмут-209 также стабилен к бета-распаду и имеет самый длинный период полураспада до альфа-распада среди всех известных изотопов, который, по оценкам, в миллиард раз превышает возраст Вселенной.

Остаточная сильная сила эффективна в очень коротком диапазоне (обычно всего несколько фемтометров (фм); примерно один или два диаметра нуклона) и вызывает притяжение между любой парой нуклонов. Например, между протоном и нейтроном с образованием дейтрона [НП], а также между протонами и протонами, нейтронами и нейтронами.

гало и пределы диапазона

Эффективный абсолютный предел диапазона ядерной силы (также известной как остаточная сильная сила ) представлен ядрами с гало, такими как литий-11 или бор-14 , в которых динейтроны или другие группы нейтронов вращаются по орбитам на расстояниях около 10 фм (примерно аналогично 8 фм радиусу ядра урана-238 ). Эти ядра не являются максимально плотными. Ядра гало образуются на крайних краях диаграммы нуклидов — линии нейтронной и протонной капельной линии — и все они нестабильны с короткими периодами полураспада, измеряемыми в миллисекундах ; например, период полураспада лития-11 составляет 8,8 мс .

По сути, гало представляют собой возбужденное состояние с нуклонами во внешней квантовой оболочке, у которой «ниже» есть незаполненные энергетические уровни (как с точки зрения радиуса, так и энергии). Гало может состоять либо из нейтронов [NN, NNN], либо из протонов [PP, PPP]. К ядрам, имеющим одно нейтронное гало, относятся ¹¹ Будь и ¹⁹ C. Двухнейтронное гало проявляется ⁶ Он, ¹¹ Что, ¹⁷ Б, ¹⁹ Группа ²² C. Ядра с двухнейтронным гало распадаются на три фрагмента, а не на два, и из-за такого поведения называются ядрами Борромео (имеется в виду система из трех взаимосвязанных колец, в которой разрушение любого кольца освобождает оба других). ⁸ Он и ¹⁴ Оба имеют гало из четырех нейтронов. К ядрам, имеющим протонное гало, относятся ⁸ Группа ²⁶ P. Двухпротонное гало демонстрирует ¹⁷ Не и ²⁷ S. Ожидается, что протонные гало будут более редкими и нестабильными, чем нейтронные примеры, из-за отталкивающих электромагнитных сил протонов гало.

Ядерные модели

Основная статья: Ядерная структура

Хотя широко распространено мнение, что стандартная модель физики полностью описывает состав и поведение ядра, делать предсказания на основе теории гораздо сложнее, чем в большинстве других областей физики элементарных частиц . Это связано с двумя причинами:

• В принципе, физика ядра может быть полностью выведена из квантовой хромодинамики (КХД). Однако на практике современные вычислительные и математические подходы к решению КХД в низкоэнергетических системах, таких как ядра, крайне ограничены. Это связано с фазовым переходом , который происходит между высокоэнергетической кварковой материей и низкоэнергетической адронной материей, что делает пертурбативные методы непригодными для использования, что затрудняет построение точной модели сил между нуклонами, полученной из КХД . Современные подходы ограничиваются либо феноменологическими моделями, такими как аргоннский потенциал v18, либо киральной эффективной теорией поля .
• требуется значительная вычислительная мощность Даже если ядерное взаимодействие хорошо ограничено, для точного расчета свойств ядер ab initio . Развитие теории многих тел сделало это возможным для многих маломассивных и относительно стабильных ядер, но необходимы дальнейшие улучшения как в вычислительной мощности, так и в математических подходах, прежде чем можно будет заняться тяжелыми ядрами или крайне нестабильными ядрами.

Исторически эксперименты сравнивали с относительно грубыми моделями, которые заведомо несовершенны. Ни одна из этих моделей не может полностью объяснить экспериментальные данные о структуре ядра.

Ядерный радиус ( R ) считается одной из основных величин, которую должна предсказывать любая модель. Для стабильных ядер (не ядер с гало или других нестабильных искаженных ядер) ядерный радиус примерно пропорционален кубическому корню из массового числа ( A ) ядра, и особенно в ядрах, содержащих много нуклонов, поскольку они расположены в более сферических конфигурациях:

Стабильное ядро ​​имеет приблизительно постоянную плотность, поэтому ядерный радиус R можно аппроксимировать следующей формулой:

$R=r_{0}A^{1/3}\,$

где A атомов = массовое число (число протонов Z плюс количество нейтронов N ) и r ₀ = 1,25 Фм = 1,25 × 10 ⁻¹⁵ м. В этом уравнении «константа» r ₀ варьируется на 0,2 Фм в зависимости от рассматриваемого ядра, но это изменение менее чем на 20% от константы.

Другими словами, упаковка протонов и нейтронов в ядре дает примерно тот же результат по общему размеру, что и упаковка твердых сфер постоянного размера (например, шариков) в плотный сферический или почти сферический мешок (некоторые стабильные ядра не совсем сферические, но известны быть вытянутым ).

Модели ядерной структуры включают:

Кластерная модель

Кластерная модель описывает ядро ​​как молекулообразную совокупность протон-нейтронных групп (например, альфа-частиц ) с одним или несколькими валентными нейтронами, занимающими молекулярные орбитали.

Модель капли жидкости

Основная статья: Полуэмпирическая формула массы

Ранние модели ядра рассматривали ядро ​​как вращающуюся каплю жидкости. В этой модели компромисс между дальнодействующими электромагнитными силами и относительно короткодействующими ядерными силами вместе вызывает поведение, напоминающее силы поверхностного натяжения в каплях жидкости разных размеров. Эта формула успешно объясняет многие важные явления ядер, такие как изменение количества энергии связи при изменении их размера и состава (см. полуэмпирическую формулу массы ), но она не объясняет особую стабильность, которая возникает, когда ядра обладают особыми свойствами. магические числа» протонов или нейтронов.

Члены полуэмпирической формулы массы, которую можно использовать для аппроксимации энергии связи многих ядер, рассматриваются как сумма пяти типов энергий (см. Ниже). Тогда картина ядра как капли несжимаемой жидкости примерно объясняет наблюдаемое изменение энергии связи ядра:

Объемная энергия . Когда совокупность нуклонов одинакового размера упакована в наименьший объем, каждый внутренний нуклон имеет в контакте с ним определенное количество других нуклонов. Итак, эта ядерная энергия пропорциональна объёму.

Поверхностная энергия . Нуклон на поверхности ядра взаимодействует с меньшим количеством других нуклонов, чем нуклон внутри ядра, и, следовательно, его энергия связи меньше. Этот член поверхностной энергии учитывает это и поэтому является отрицательным и пропорциональным площади поверхности.

Кулоновская энергия . Электрическое отталкивание между каждой парой протонов в ядре способствует уменьшению его энергии связи.

Энергия асимметрии (также называемая энергией Паули ). Энергия, связанная с принципом запрета Паули . Если бы не кулоновская энергия, наиболее стабильная форма ядерной материи имела бы такое же количество нейтронов, как и протоны, поскольку неодинаковое количество нейтронов и протонов предполагает заполнение более высоких энергетических уровней для одного типа частиц, оставляя более низкие энергетические уровни вакантными для другой тип.

Энергия спаривания . Энергия, которая представляет собой поправочный член, возникающий из-за тенденции образования пар протонов и пар нейтронов. Четное число частиц более стабильно, чем нечетное.

Модели оболочек и

Основная статья: Модель ядерной оболочки

Также был предложен ряд моделей ядра, в которых нуклоны занимают орбитали, очень похожие на атомные орбитали в теории атомной физики . Эти волновые модели представляют нуклоны либо как безразмерные точечные частицы в потенциальных ямах, либо как волны вероятности, как в «оптической модели», вращающиеся без трения и с высокой скоростью в потенциальных ямах.

В приведенных выше моделях нуклоны могут занимать орбитали парами, поскольку они являются фермионами, что позволяет объяснить четных/нечетных Z и N. эффекты хорошо известные из экспериментов Точная природа и емкость ядерных оболочек отличаются от электронов на атомных орбиталях, прежде всего потому, что потенциальная яма, в которой движутся нуклоны (особенно в более крупных ядрах), сильно отличается от центральной электромагнитной потенциальной ямы, которая связывает электроны в атомах. Некоторое сходство с моделями атомных орбиталей можно увидеть в небольшом атомном ядре, таком как ядро ​​гелия-4 , в котором два протона и два нейтрона по отдельности занимают 1s-орбитали, аналогичные 1s-орбитали для двух электронов в атоме гелия, и достигают необычных результатов. стабильность по той же причине. Ядра с 5 нуклонами крайне нестабильны и недолговечны, однако гелий-3 с 3 нуклонами очень стабилен даже при отсутствии замкнутой 1s-орбитальной оболочки. Еще одно ядро ​​с тремя нуклонами, тритон водорода-3 , нестабильно и при изолировании распадается на гелий-3. Слабая ядерная стабильность с двумя нуклонами {NP} на 1s-орбитали обнаружена у дейтрона. водород-2 , имеющий только один нуклон в каждой потенциальной яме протона и нейтрона. Хотя каждый нуклон является фермионом, дейтрон {NP} является бозоном и, таким образом, не подчиняется исключению Паули для плотной упаковки внутри оболочек. Литий-6 с 6 нуклонами очень стабилен без закрытой второй орбитали 1p-оболочки. Для легких ядер с общим числом нуклонов от 1 до 6 только ядра с числом нуклонов 5 не демонстрируют каких-либо признаков стабильности. Наблюдения за бета-стабильностью легких ядер вне закрытых оболочек показывают, что ядерная стабильность гораздо сложнее, чем простое замыкание оболочечных орбиталей с магическими числами протонов и нейтронов.

Для более крупных ядер оболочки, занятые нуклонами, начинают существенно отличаться от электронных оболочек, но тем не менее современная ядерная теория предсказывает магические числа заполненных ядерных оболочек как для протонов, так и для нейтронов. Замыкание стабильных оболочек предсказывает необычайно стабильные конфигурации, аналогичные благородной группе почти инертных газов в химии. Примером может служить стабильность замкнутой оболочки в 50 протонов, что позволяет олову иметь 10 стабильных изотопов, больше, чем у любого другого элемента. Точно так же расстояние до закрытия оболочки объясняет необычную нестабильность изотопов, которые имеют далеко не стабильное количество этих частиц, таких как радиоактивные элементы 43 ( технеций ) и 61 ( прометий ), каждому из которых предшествует и следует 17 или более стабильные элементы.

Однако с моделью оболочки возникают проблемы, когда делается попытка учесть ядерные свойства вдали от закрытых оболочек. Это привело к сложным апостериорным искажениям формы потенциальной ямы для соответствия экспериментальным данным, но остается вопрос, действительно ли эти математические манипуляции соответствуют пространственным деформациям в реальных ядрах. Проблемы с моделью оболочки побудили некоторых предложить реалистичные ядерные силовые эффекты двух и трех тел с участием кластеров нуклонов, а затем построить ядро ​​на этой основе. Три таких кластерных модели — это модель структуры резонирующей группы 1936 года Джона Уиллера, модель плотноупакованных сферонов Лайнуса Полинга и двумерная модель Изинга МакГрегора.

Согласованность между моделями

Основная статья: Ядерная структура

Как и в случае со сверхтекучим жидким гелием , атомные ядра являются примером состояния, в котором применяются как (1) «обычные» физические правила частиц для объема, так и (2) неинтуитивные квантово-механические правила для волновой природы. В сверхтекучем гелии атомы гелия имеют объем и по существу «касаются» друг друга, но в то же время демонстрируют странные объемные свойства, соответствующие конденсации Бозе-Эйнштейна . Нуклоны в атомных ядрах также имеют волновую природу и лишены стандартных свойств жидкости, таких как трение. Для ядер, состоящих из адронов , которые являются фермионами , бозе-эйнштейновская конденсация не происходит, тем не менее, многие ядерные свойства могут быть объяснены аналогичным образом только комбинацией свойств частиц с объемом, в дополнение к движению без трения, характерному для волнообразных частиц. поведение объектов, запертых на Эрвина Шрёдингера квантовых орбиталях .

См. также

• Гигантский резонанс
• Список частиц
• Джеймс Рейнуотер , Оге Н. Бор и Бен Р. Моттельсон смоделировали несферические ядра.
• Ядерная медицина
• Радиоактивность
• Модель взаимодействующего бозона

Внешние ссылки

• Ядро - глава из онлайн-учебника. Архивировано 14 декабря 2010 г. в Wayback Machine.
• ЖИВАЯ диаграмма нуклидов – МАГАТЭ на Java или HTML
• Статья о «модели ядерной оболочки», дающая заполнение ядерной оболочки для различных элементов . По состоянию на 16 сентября 2009 г.
• Хронология: субатомные концепции, ядерная наука и технологии .