Ядро атомное

ЯДРО АТОМНОЕ, центральная массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Масса Я. а. примерно в 4 х 10³ раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размеры Я. а. составляют ~ 10^-12-10^-13 см. Электрич. заряд положителен и по абс. величине равен сумме зарядов электронов нейтрального атома.

Общие характеристики Я. а. Протон (р) и нейтрон (n) в ядре объединяются общим названием "нуклон". Число нуклонов в Я. а. наз. массовым числом А. Поскольку заряд ядра Z в единицах абс. заряда электрона е равен числу протонов, число нейтронов в Я. а. равно: N = A — Z. Ядра-изотопы имеют одно и то же Z, но разные N, а ядра-изобары - одно и то же А, но разные Z и N.
Силы, удерживающие нуклоны в ядре, наз. ядерными. Они определяются самым интенсивным из всех известных в физике взаимод. (сильное взаимод.); для двух протонов в ядре, напр., ядерные силы примерно в 100 раз превышают электростатич. отталкивание. Важным св-вом ядерных сил является их независимость от заряда нуклона; взаимод. двух протонов, двух нейтронов или протона и нейтрона одинаковы, если одинаковы состояния относит. движения этих пар частиц, а также спиновые состояния (см. ниже). Ядерные силы характеризуются определенным радиусом действия. Наиб. радиус действия составляет примерно 1,41 х 10^-13 см; в то же время зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами пока не установлена.
Размеры Я. а. зависят от их массового числа. Ср. плотность распределения нуклонов для всех ядер с А > 10 практически одинакова, так что объем ядра пропорционален А, а его линейный размер пропорционален А^1/3. Эффективный радиус R ядра определяется равенством: R = аА^1/3, где постоянная а составляет величину (1,1-1,4) х 10^-13 см в зависимости от того, в каком физ. эксперименте измеряется R. Это равенство показывает, что R меняется от 10^-13 до 10^-12 см. Плотность ядерного в-ва чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных в-в и составляет ок. 10¹⁴ г/см³. Плотность распределения нуклонов в ядре почти постоянна в центральной его части и экспоненциально убывает на периферии.
Для расщепления Я. а. на отдельные нуклоны необходимо затратить энергию, наз. энергией связи ядра Е_св, определяемую соотношением:

E_CB = (Zm_p + Nm_n-M)c²,

где m_p, т_пи М - массы протона, нейтрона и ядра соотв.; с -скорость света.
Величина= Zm_p + Nm_n - М = E_CB/c², показывающая насколько масса ядра отличается от массы составляющих его частиц, наз. дефектом массы. На практике дефект массы часто определяют как разницу между массой атома в а. е. м. и массовым числом А. Знание дефекта масс позволяет определить величину энергии, к-рая может выделиться в ядерных реакциях (см. также Ядерная энергия).
Отношение E_CB /A слабо меняется при изменении А, составляя для большинства ядер приблизительно 78 МэВ. Эту особенность соотносят с насыщением ядерных сил, т. е. с тем, что каждый нуклон связывается в Я. а. лишь с ограниченным числом др. нуклонов. Более детальное рассмотрение показывает, что Е_св зависит от соотношения А и Z. Существует т. наз. полоса стабильности для этого соотношения, при выходе за пределы к-рой у ядер проявляется нестабильность, т. е. возможен радиоактивный распад (см. Радиоактивность). Это соотношение важно и при установлении предельно возможного значения Z, выше к-рого тяжелые ядра оказываются нестабильными в отношении спонтанного деления. Теоретич. оценки вероятности спонтанного деления ядер не исключают существования "островов стабильности" сверхтяжелых ядер вблизи Z, равных 114 и 126.
Нек-рые ядра существуют в метастабильных возбужденных энергетич. состояниях, что обнаруживается по различиям характеристик радиоактивного распада в основном и возбужденном состояниях (см. также Изомерия атомных ядер).
Квантовые состояния ядер определяются дискретными уровнями энергии и рядом других сохраняющихся в этих состояниях физ. величин. Важнейшие характеристики квантового состояния Я. а.- его спин I и четность Р. Спиновое квантовое число I целое у ядер с четным А и полуцелое у ядер с нечетным А, поскольку соответствующие числа для протона и нейтрона равны ¹/₂, а спин составной частицы равен сумме спинов слагающих ее частиц либо отличается от нее на целое число. Четность состояния Р =1 указывает на изменение знака волновой ф-ции ядра при инверсии пространства. Основные состояния ядер с четными Z и А обычно четные (Р =1) и спин I = 0. Легкие ядра (Z<20) характеризуются дополнит. квантовым числом, наз. изоспином. Изоспин ядра Т является целым числом при четном А и полуцелым - при нечетном (т. к. изоспин нуклона также равен ¹/₂). В разных квантовых состояниях изоспин м. б. различным, причем Т(А — 2Z)/2 (знак равенства справедлив для основного состояния ядра).
Я. а. в каждом квантовом состоянии характеризуется помимо энергии также электрич. и магн. моментами. Если квантовое состояние ядра имеет определенную четность, его электрич. дипольный момент равен нулю. В то же время электрич. квадрупольный момент может отличаться от нуля (хотя и здесь имеется ограничение: лишь при I > ¹/₂). Квадрупольный момент ядра м. б. записан в виде eQ, где Q - коэф.. имеющий размерность площади и меняющийся от 10^-27 см² (легкие ядра) до 10^-23 см² (тяжелые ядра). Наличие квадрупольного момента у ядер свидетельствует о том, что распределение заряда в них не обладает сферич. симметрией и м. б. представлено эллипсоидом вращения. Если ядро вытянуто вдоль оси вращения эллипсоида (оси симметрии), Q > 0, если сплюснуто, то Q < 0. Как правило, большие квадрупольные моменты ядер положительны.
Магн. дипольные моменты ядер m имеют порядок величины ядерного магнетона 5,051 x 10^-27 Дж/Тл-постоянная Планка) и связаны со спином ядра 7 коэф. пропорциональности носящим назв. гиромагнитного отношения: Значениеменяется в широких
пределах - от 5,25 для ¹⁹F до -2,08 для ¹¹⁹Sn. Магн. дипольный и электрич. квадрупольный моменты ядер м. б. измерены радиоспектроскопич. методами (см. Радиоспектроскопия).

Модели ядер. Квантовая система с сильным взаимод. многих составляющих ее частиц представляет собой сложный объект для совр. квантовой теории. К тому же теория Я. а. не располагает достаточно определенной информацией о ядерных силах. По этой причине структуру и св-ва ядер описывают пока в рамках моделей, позволяющих получать удовлетворит. результаты лишь по определенным наборам св-в ядер.
Оболочечная модель похожа по структуре на модель электронных оболочек: каждый нуклон находится в ядре в определенном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, спином j, его проекцией на одну из осей, орбитальным моментом кол-ва движения l =j¹/₂ и четностью (-1^l). Заполнение уровней энергии проводится в соответствии с Паули принципом. Однако при больших А (> 150) квадрупольные моменты ядер отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в 10-100 раз. Поэтому была предложена ротационная модель для несферич. ядер, согласно к-рой ядро представляет собой эллипсоид вращения и уровни энергии зависят от момента инерции ядра. В обобщенной модели сохраняются осн. идеи оболочечной модели, но потенц. поле, в к-ром движутся нуклоны, предполагается имеющим симметрию эллипсоида вращения, а не сферич. симметрию. Активно развиваются кластерные модели, в к-рых используется представление об образовании взаимодействующих между собой кластеров из двух или большего числа нуклонов. Тем не менее ни одна из моделей не может претендовать на последоват. объяснение св-в ядер на основе общих физ. принципов, а также данных о структуре ядер и взаимод. нуклонов. Теория Я. а. остается пока одной из нерешенных фундам. проблем совр. физики.

Ядерные эффекты в химии. Превращения в-в, не стабильных относительно распада ядер, изучаются, начиная с открытия радиоактивности в 1896. Введенный в нач. 20 в. термин "радиохимия" в наст. время объединяет химию радиоактивных в-в и ядерных превращений и изучение сопутствующих им физ.-хим. процессов. Разработаны методы, позволяющие направленно получать, концентрировать и вьщелять атомы с определенными ядрами, в частности радионуклиды, а также молекулы, в состав к-рых входят такие атомы (см. Ядерная химия).
Заметное влияние на ядерные процессы оказывает строение электронных оболочек атомов и молекул. Так, мёссбауэровская спектроскопия основана на регистрировании резонансного поглощения (рассеяния)квантов ядрами при совпадении энергий ядерных переходов поглотителя с частотой квантов. Изменение энергетич. состояния ядер в молекуле или кристалле по сравнению с состоянием тех же ядер в свободном атоме определяется, в частности, изменением электростатич. взаимод. объемного заряда ядра с электронами, что приводит к т. наз. хим. сдвигу резонансных линий в мёссбауэровском спектре и взаимод. квадрупольного момента ядра с градиентом электрич. поля на ядре, обусловленным несферич. окружением данного ядра в молекуле. В результате происходит расщепление энергетич. уровней мол. системы в зависимости от проекции спина ядра на направление градиента электрич. поля на ядре. Переходы между расщепленными уровнями наблюдаются с помощью метода ядерного квадрупольного резонанса. Взаимод. магн. момента ядра с магн. полем, создаваемым электронами, определяет сверхтонкую структуру спектров электронного парамагнитного резонанса. Расщепление уровней энергии под влиянием взаимод. магн. моментов ядер, связанных с их спином, обусловило создание разл. вариантов метода ядерного магнитного резонанса; тонкая структура спектров ЯМР вызвана спин-спиновым взаимодействием ядер. Все упомянутые методы, основанные на св-вах ядер и их зависимости от окружения ядер, используются для анализа того, что представляет собой окружение Я. а. в молекулах, а также для изучения разл. релаксац. процессов в в-ве.
Характеристики ядер, входящих в состав молекулы, наряду с числом электронов полностью определяют данную молекулу, а следовательно, и весь набор ее квантовых состояний (разл. изомеры отвечают лишь разл. участкам на пов-сти потенц. энергии молекулы). Во мн. задачах достаточно рассматривать ядра как точечные образования, несущие заряд Z и определяющие общую структуру волновых ф-ций каждого из квантовых состояний молекулы. Однако более тонкие эффекты зависят от спина ядер, их квадрупольного момента, а также от их размеров и масс (при использовании релятивистских подходов), что приводит к необходимости активного изучения св-в и структуры ядер.
Различие масс ядер изотопов определяет прежде всего изотопные эффекты - различие физ. и хим. св-в в-ва, содержащего изотопно-замещенные молекулы. В частности, различия масс ядер изотопов позволяют увеличить объем информации, извлекаемой из вращат. и колебат. спектров молекул. Предполагается, что у всех изотопно-замещенных молекул потенц. пов-сть, рассматриваемая в адиабатич. приближении, одна и та же, следовательно, и мол. постоянные, определяющие потенц. пов-сть (равновесная конфигурация, силовые постоянные, постоянные ангармоничности и др.), остаются без изменений. Однако положения вращат. и колебат. уровней энергии молекулы зависят от массы составляющих ее частиц, следовательно, меняются и переходы между этими уровнями при изотопном замещении.
Эти же различия в энергетич. спектре изотопов, наряду с различием поступат. энергии молекул с разными массами при одной и той же т-ре, влекут за собой различие термодинамич. св-в в-ва, в частности отличие от единицы констант равновесия изотопного обмена. Р-ции с участием изотопно-замещенных молекул отличаются скоростями, температурной зависимостью и т. п.

Лит.: Бете Г., Моррисон Ф., Элементарная теория ядра, пер. с англ., 2 изд., М., 1958; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Драrо Р., Физические методы в химии, пер. с англ., т. 1-2, М., 1981; Флайгер У., Строение и динамика молекул, пер. с англ., т. 1-2, М., 1982; Мигдал А. Б., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, 2 изд., М., 1983.

Н. Ф. Степанов.