ЯДРО́ А́ТОМНОЕ

ЯДРО́ А́ТОМНОЕ, цен­траль­ная, ком­пакт­ная часть ато­ма, в ко­то­рой со­сре­до­то­чен весь его по­ло­жи­тель­ный за­ряд и бо­лее 99,94% мас­сы. Раз­мер Я. а. 10^–15–10^–14 м, что при­мер­но в 10⁵ раз мень­ше раз­ме­ра ато­ма. Я. а. ок­ру­же­но эле­кт­рон­ной обо­лоч­кой, со­сто­ит из Z про­то­нов (p) и N ней­тро­нов (n), име­ет по­ло­жи­тель­ный за­ряд Q=Z|e|, где e – за­ряд элек­тро­на. Чис­ло Z рав­но чис­лу элек­тро­нов в ней­траль­ном ато­ме и сов­па­да­ет с по­ряд­ко­вым но­ме­ром эле­мен­та в пе­рио­ди­че­ской сис­те­ме хи­ми­че­ских эле­мен­тов. Я. а. от­кры­то в 1911 Э. Ре­зер­фор­дом в опы­тах по рас­сея­нию α-час­тиц ато­ма­ми тя­жё­лых хи­мич. эле­мен­тов. Со­став Я. а. был ус­та­нов­лен по­сле от­кры­тия ней­тро­на (Дж. Чед­вик, 1932). Про­тон и ней­трон объ­е­ди­ня­ют тер­ми­ном «ну­клон».

Соотношение нуклонов в ядре

Рис. 1. Диаграмма соотношения чисел протонов и нейтронов в атомных ядрах. Цифрами указано число нуклидов в данной области: 3500 – все известные нуклиды, 287 – все природные нуклиды, 6000–6500 – потенц...

Я. а. обо­зна­ча­ют сим­во­лом хи­мич. эле­мен­та, в со­став ато­ма ко­то­ро­го оно вхо­дит, ука­зы­вая верх­ним и ниж­ним ле­вы­ми ин­дек­са­ми со­от­вет­ст­вен­но пол­ное чис­ло A ну­кло­нов в нём (мас­со­вое чис­ло A=Z+N) и чис­ло про­то­нов Z (рав­ное за­ря­ду яд­ра в еди­ни­цах за­ря­да элек­тро­на). Так, яд­ро Al, имею­щее 13 про­то­нов и 14 ней­тро­нов, обо­зна­ча­ют . Яд­ра с оди­на­ко­вы­ми Z, но раз­ны­ми A на­зы­ва­ют изо­то­па­ми, с оди­на­ко­вы­ми A, но раз­ны­ми Z – изо­ба­ра­ми. На нач. 21 в. из­вест­но ок. 3500 нук­ли­дов – ядер, от­ли­чаю­щих­ся друг от дру­га ли­бо зна­че­ни­ем A, ли­бо Z, ли­бо тем и дру­гим. Бо­лее 90% из них по­лу­че­но ис­кусств. пу­тём и под­вер­же­но ра­дио­ак­тив­но­му рас­па­ду (см. Ра­дио­ак­тив­ность). В при­ро­де най­де­но 262 ста­биль­ных и 25 дол­го­жи­ву­щих нук­ли­дов. Для из­вест­ных ядер Z ле­жит в диа­па­зо­не 1–118, A – в диа­па­зо­не 1–294. На рис. 1 в осях NZ пред­став­ле­на диа­грам­ма из­вест­ных и по­тен­ци­аль­но воз­мож­ных нук­ли­дов: ка­ж­до­му ста­биль­ному и дол­го­жи­ву­ще­му Я. а. здесь со­ответ­ст­ву­ет точ­ка на плос­ко­сти NZ; со­во­куп­ность этих то­чек об­ра­зу­ет уз­кую по­ло­су, на­зы­вае­мую ли­ни­ей (до­рож­кой) ста­биль­но­сти. Сплош­ные кри­вые ог­ра­ни­чи­ва­ют об­ласть из­вест­ных нук­ли­дов, пунк­тир­ные ли­нии – об­ласть всех воз­мож­ных нук­ли­дов (их чис­ло оце­ни­ва­ет­ся в 6–6,5 тыс.). Об­лас­ти вне ли­нии ста­биль­но­сти за­ни­ма­ют ра­дио­нук­ли­ды, про­дук­ты ра­дио­ак­тив­но­го рас­па­да ко­то­рых вновь по­па­да­ют в об­ласть ста­биль­но­сти. В ле­вом верх­нем уг­лу рис. 1 ука­за­ны ти­пы это­го рас­па­да (β⁺, β^- – бе­та-рас­пад; e – за­хват ор­би­таль­но­го элек­тро­на; α – α-рас­пад; де­ле­ние ядер; p и n – ис­пус­ка­ние про­то­нов и ней­тро­нов); стрел­ки ука­зы­ва­ют, при ка­ком от­кло­не­нии от ли­нии ста­биль­но­сти воз­ни­ка­ет тот или иной тип рас­па­да. Сре­ди лёг­ких ядер (A⩽20) наи­бо­лее ус­той­чи­вы­ми яв­ля­ют­ся яд­ра с N≈Z. С рос­том A в яд­рах, ле­жа­щих на ли­нии ста­биль­но­сти, от­но­сит. чис­ло ней­тро­нов су­ще­ст­вен­но уве­ли­чи­ва­ет­ся. У са­мых тя­жё­лых ус­той­чи­вых нук­ли­дов чис­ло N в яд­ре при­мер­но в 1,5 раза пре­вы­ша­ет Z. Это объ­яс­ня­ет­ся воз­рас­та­ни­ем сил ку­ло­нов­ско­го от­тал­ки­ва­ния про­то­нов с рос­том Z.

Структура ядра

Я. а. – сис­те­ма плот­но упа­ко­ван­ных ну­кло­нов, ср. рас­стоя­ние ме­ж­ду ко­то­ры­ми (1,5–2,0 фм) срав­ни­мо с раз­ме­ром ну­кло­на. Ну­кло­ны в яд­ре удер­жи­ва­ют­ся мощ­ны­ми и ко­рот­ко­дей­ст­вую­щи­ми ядер­ны­ми си­ла­ми при­тя­же­ния, яв­ляю­щи­ми­ся про­яв­ле­ни­ем бо­лее фун­дам. силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду квар­ка­ми и глюо­на­ми, из ко­то­рых со­сто­ят ну­кло­ны. Ну­клон-ну­клон­ное взаи­мо­дей­ст­вие внут­ри Я. а. реа­ли­зу­ет­ся пу­тём об­ме­на ме­зо­на­ми (пре­ж­де все­го π-ме­зо­на­ми), ко­то­рые, как и ну­кло­ны, яв­ля­ют­ся ад­ро­на­ми, т. е. со­сто­ят из квар­ков и глюо­нов. По­сле­до­ват. опи­са­ние та­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия воз­мож­но в рам­ках кван­то­вой хро­мо­ди­на­ми­ки. Ре­ше­ние этой важ­ней­шей про­бле­мы ядер­ной фи­зи­ки ос­та­ёт­ся в по­ве­ст­ке дня ис­сле­до­ва­те­лей.

Для Я. а. с A⩾20 ср. плот­ность ну­кло­нов поч­ти не из­ме­ня­ет­ся, т. е. объ­ём яд­ра про­пор­цио­на­лен A, а его ра­ди­ус R пропор­цио­на­лен : . Кон­стан­та r₀ ле­жит в пре­де­лах 1,0–1,2 фм. Плот­ность ве­ще­ст­ва мак­си­маль­на в цен­тре яд­ра и экс­по­нен­ци­аль­но спа­да­ет к его гра­ни­це, при­чём тол­щи­на по­верх­но­ст­но­го слоя, ха­рак­те­ри­зую­щая этот спад, прак­ти­че­ски оди­на­ко­ва у разл. ядер и со­став­ля­ет ок. 2,4 фм. Ср. плот­ность ядер­но­го ве­ще­ст­ва – ок. 10¹⁷ кг/м³.

Энергия связи ядра

Рис. 2. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа.

Энер­ге­тич. ха­рак­те­ри­сти­кой Я. а. яв­ля­ет­ся его энер­гия свя­зи, т. е. ми­ним. энер­гия, ко­то­рая тре­бу­ет­ся для рас­ще­п­ле­ния яд­ра на сво­бод­ные ну­кло­ны: ℰ_св=(Zm_p+Nm_n)c²-Mc². Здесь M, m_p, m_n – мас­са яд­ра, про­то­на и ней­тро­на со­от­вет­ст­вен­но, c – ско­рость све­та. ℰ_св яд­ра при­бли­зи­тель­но про­пор­цио­наль­на A, а удель­ная энер­гия свя­зи (энер­гия свя­зи, при­хо­дя­щая­ся на 1 ну­клон) для боль­шин­ст­ва Я. а. ле­жит в ин­тер­ва­ле энер­гий 7–9 МэВ (рис. 2). Та­кую осо­бен­ность Я. а. на­зы­ва­ют на­сы­ще­ни­ем ядер­ных сил: ну­клон в яд­ре, как пра­ви­ло, взаи­мо­дей­ст­ву­ет лишь со сво­им бли­жай­шим ок­ру­же­ни­ем.

По­сто­ян­ст­во плот­но­сти и удель­ной энер­гии свя­зи по­зво­ля­ет рас­смат­ри­вать Я. а. как ка­п­лю за­ря­жен­ной жид­ко­сти (см. Ка­пель­ная мо­дель яд­ра). На ос­но­ве этой мо­де­ли нем. фи­зик К. Ф. фон Вай­ц­зек­кер в 1935 пред­ло­жил по­лу­эм­пи­рич. фор­му­лу (Вай­цзек­ке­ра фор­му­ла) для энер­гии свя­зи яд­ра: ℰ_св=a₁-a₂A^2/3-a₃Z(Z-1)A^-1/3-a₄(N-Z)²a^-1+a₅A^-3/4, где a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ – эм­пи­рич. ко­эф., имею­щие раз­мер­ность энер­гии. В этой фор­му­ле пер­вый член опи­сы­ва­ет объ­ём­ную энер­гию ядер­ной ка­п­ли, вто­рой – учи­ты­ва­ет бо­лее сла­бую связь по­верх­но­ст­ных ну­кло­нов, тре­тий – ос­лаб­ле­ние ℰ_св за счёт ку­ло­нов­ско­го от­тал­ки­ва­ния про­то­нов. На­ли­чие этих трёх сла­гае­мых пред­ска­зы­ва­ет клас­сич. ка­пель­ная мо­дель яд­ра, ос­таль­ные по­прав­ки вво­дят­ся в рам­ках мо­де­ли кван­то­вой ядер­ной ка­п­ли. Чет­вёр­тое сла­гае­мое (т. н. энер­гия сим­мет­рии) учи­ты­ва­ет Пау­ли прин­цип для то­ж­де­ст­вен­ных фер­мио­нов (здесь – про­то­нов и ней­тро­нов), при­во­дя­щий к то­му, что яд­ру энер­ге­ти­че­ски вы­год­но иметь рав­ное (сим­мет­рич­ное) ко­ли­че­ст­во про­то­нов и ней­тро­нов. Пя­тое сла­гае­мое фор­му­лы – эм­пи­рич. по­прав­ка для учё­та т. н. энер­гии спа­ри­ва­ния двух ну­кло­нов од­но­го ти­па, на­хо­дя­щих­ся в од­ном энер­ге­тич. со­стоя­нии: за счёт су­ще­ст­во­ва­ния сил спа­ри­ва­ния ме­ж­ду то­ж­де­ст­вен­ны­ми ну­кло­на­ми в яд­ре воз­рас­та­ет энер­гия свя­зи ядер, имею­щих чёт­ное чис­ло про­то­нов и ней­тро­нов.

В даль­ней­шем бы­ли об­на­ру­же­ны Я. а., у ко­то­рых на­блю­да­лись зна­чит. от­кло­не­ния от фор­му­лы Вай­цзек­ке­ра. Это ма­ги­че­ские яд­ра, про­яв­ляю­щие наи­боль­шую ус­той­чи­вость, т. е. имею­щие ано­маль­но боль­шую энер­гию свя­зи по срав­не­нию с близ­ки­ми по со­ста­ву нук­ли­да­ми и по­вы­шен­ную рас­про­стра­нён­ность в при­ро­де. Их фор­ма близ­ка к сфе­ри­че­ской, а чис­ло ней­тро­нов и/или про­то­нов в них рав­но 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Об­на­ру­же­ние и ис­сле­до­ва­ние ма­гич. ядер при­ве­ло к от­кры­тию обо­ло­чеч­ной струк­ту­ры Я. а. (см. Обо­ло­чеч­ная мо­дель яд­ра).

Я. а. – по­тен­ци­аль­ный ис­точ­ник ог­ром­ной энер­гии. За­ви­си­мость удель­ной энер­гии свя­зи от чис­ла ну­кло­нов (рис. 2) име­ет мак­си­мум при А≈50–60, где рас­по­ла­га­ют­ся наи­бо­лее ус­той­чи­вые яд­ра. По­это­му су­ще­ст­ву­ют две воз­мож­но­сти из­вле­че­ния ядер­ной энер­гии, по­ка­зан­ные стрел­ка­ми на рис. 2, – де­ле­ние тя­жё­лых ядер и син­тез (слия­ние) лёг­ких. В обо­их про­цес­сах удель­ная энер­гия свя­зи ко­неч­ных ядер воз­рас­та­ет и воз­ни­каю­щий при этом из­бы­ток энер­гии ос­во­бо­ж­да­ет­ся. Пер­вый про­цесс при воз­ник­но­ве­нии не­управ­ляе­мой ядер­ной цеп­ной ре­ак­ции де­ле­ния мо­жет при­вес­ти к ядер­но­му взры­ву, а в кон­тро­ли­руе­мом ре­жи­ме ис­поль­зу­ет­ся в ядер­ных ре­ак­то­рах. Вто­рой про­цесс (тер­мо­ядер­ная ре­ак­ция) соз­да­ёт из­лу­че­ние звёзд (и обес­пе­чи­ва­ет энер­ги­ей пла­не­ты) и был реа­ли­зо­ван че­ло­ве­че­ст­вом в тер­мо­ядер­ном ору­жии (во­до­род­ной бом­бе); пред­при­ни­ма­ют­ся по­пыт­ки соз­да­ния тер­мо­ядер­но­го ре­ак­то­ра для ис­поль­зо­ва­ния этой са­мой боль­шой (при рас­чё­те на еди­ни­цу мас­сы то­п­ли­ва) энер­гии в мир­ных це­лях.

Энергетические состояния ядра

Я. а. мо­гут на­хо­дить­ся в разл. энер­ге­тич. со­стоя­ни­ях: не­воз­бу­ж­дён­ном (с наи­мень­шей энер­ги­ей, имен­но к ним от­но­сят­ся рис. 1–2) и воз­бу­ж­дён­ных. По­след­ние об­ра­зу­ют спектр ядер­ных уров­ней, ко­то­рый дис­кре­тен до энер­гии воз­бу­ж­де­ния ок. 10 МэВ, а при бóльших энер­ги­ях ста­но­вит­ся не­пре­рыв­ным за счёт воз­рас­таю­щей плот­но­сти уров­ней и их ши­ри­ны. Ка­ж­дое ядер­ное со­стоя­ние ха­рак­те­ри­зу­ет­ся не толь­ко энер­ги­ей, но и та­ки­ми кван­то­вы­ми чис­ла­ми, как спин, чёт­ность, изо­то­пи­че­ский спин. Кро­ме то­го, Я. а. мо­гут иметь разл. элек­трич. и маг­нит­ные мо­мен­ты (напр., квад­ру­поль­ный мо­мент яд­ра) и раз­ную фор­му – как сфе­ри­че­скую, так и от­лич­ную от неё (см., напр., Де­фор­ми­ро­ван­ные яд­ра). Об­ласть ядер­ных воз­бу­ж­де­ний ле­жит в ин­тер­ва­ле 0–100 МэВ. Вы­ше этой энер­гии в яд­ре на­чи­на­ют про­яв­лять­ся воз­бу­ж­дён­ные со­стоя­ния отд. ну­кло­нов. Све­де­ния о разл. ядер­ных со­стоя­ни­ях со­б­ра­ны в ба­зах дан­ных ме­ж­ду­нар. ядер­ных цен­тров.

Методы описания атомного ядра

Не­смот­ря на то что Я. а. от­кры­то бо­лее 100 лет на­зад, его изу­че­ние ещё да­ле­ко от за­вер­ше­ния. Это свя­за­но с не­обы­чай­ной слож­но­стью строе­ния яд­ра, в ко­то­ром до 300 ну­кло­нов, так­же имею­щих слож­ную внутр. струк­ту­ру и раз­мер ок. 10^–15 м, плот­но сжа­ты в про­стран­ст­ве раз­ме­ром ок. 10^–14 м. В этом про­стран­ст­ве ну­кло­ны дви­га­ют­ся со ско­ро­стя­ми по­ряд­ка 0,2 c и ис­пы­ты­ва­ют са­мые силь­ные из из­вест­ных взаи­мо­дей­ст­вий. При тео­ре­тич. опи­са­нии Я. а. ис­поль­зу­ют­ся при­бли­жён­ные ме­то­ды ре­ше­ния за­да­чи мн. тел, ши­ро­ко рас­про­стра­нён фе­но­ме­но­ло­гич. под­ход, в ос­но­ве ко­то­ро­го ле­жат раз­ные ядер­ные мо­де­ли, от­ра­жаю­щие разл. свой­ст­ва Я. а. (под­роб­нее см. в ст. Ядер­ная фи­зи­ка). Обу­слов­ле­но это тем, что в раз­ных про­цес­сах Я. а. про­яв­ля­ет раз­лич­ные и на пер­вый взгляд не­со­вмес­ти­мые друг с дру­гом свой­ст­ва. Оно по­хо­же на газ (вы­ро­ж­ден­ный фер­ми-газ), и в то же вре­мя боль­шая плот­ность род­нит его с жид­ко­стью (с фер­ми-жид­ко­стью). В ря­де слу­ча­ев Я. а. про­яв­ля­ет свой­ст­ва, сбли­жаю­щие его и с плаз­мой, и с твёр­дым те­лом. В нём при­сут­ст­ву­ют как од­но­час­тич­ные воз­буж­де­ния, ха­рак­тер­ные для ато­мов, так и кол­лек­тив­ные, при­су­щие мо­ле­ку­лам и мак­ро­ско­пич. объ­ек­там. По­это­му в фи­зи­ке атом­но­го яд­ра час­то ис­поль­зу­ют­ся идеи из др. об­лас­тей фи­зи­ки (атом­ной и мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки, гид­ро­ди­на­ми­ки, фи­зи­ки твёр­до­го те­ла и эле­мен­тар­ных час­тиц). При этом ис­поль­зу­ет­ся раз­но­об­раз­ный тео­ре­тич. ап­па­рат – от клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки и ста­ти­стич. фи­зи­ки до кван­то­вой ме­ха­ни­ки и кван­то­вой тео­рии по­ля.