Ядерна фізика. Частина 2. Цеглинки ядра.

Ця стаття є частиною циклу з 8 статей про ядерну фізику.

Початок

Що таке альфа-частинка

Після обговорення досліду, описаного в першій частині, ми можемо поговорити про природу альфа-частинок. Вони не є легкими як електрони, а важчі приблизно у 8000 разів. Виявляється, що вони є атомними ядрами гелію, елементу, набагато легшого ніж золото, на якому Резерфорд їх розсіював.

Альфа-радіоактивність пояснюється тим, що деякі ядра є нестабільними відносно відокремлення від них шматків, якими є альфа-частинки. Про причини такого “стандартизованого” розміру шматків, що відокремлюються, ми поговоримо пізніше. А зараз продовжимо розповідь про те, як фізики проникали в ядерну матерію і визначали, з чого вона складається.

З чого складається ядро. Протони і нейтрони.

Досить природно було припустити, що окрім електрона, носія від’ємного заряду, в природі існує ще інша частинка — носій додатного заряду. Її назвали протоном, і довго шукати її не довелося. Це є ядро найлегшого у світі елементу — водню. Отже, атом цього хімічного елементу є найпростішим і складається з двох частинок: одного протону в ядрі і одного електрону, що обертається навколо.

Фізики знали, що атоми одного хімічного елементу мають однакові хімічні властивості, тому що навколо ядра, коли атом нейтральний, знаходиться однакова кількість електронів. Відповідно ядра одного хімічного елементу мають однаковий заряд. Логічно було зробити висновок, що хімічний елемент визначається кількістю протонів в атомному ядрі, але відношення мас інших ядер до маси протону є більшими, ніж їх заряд. Це вказує на те, що в ядрі є ще щось.

Спочатку припустили, що протонів в ядрі є більше, але деякі електрони також знаходяться всередині ядра. Таким чином вдалося описати завеликі маси атомів, але не було простого пояснення, що змушує деякі електрони “сидіти” в ядрі і від чого залежить їхня кількість.

Хоча єдиним “суддею” фізичних теорій є експеримент, але прагнення математичної і логічної простоти дуже часто допомагало вигадувати теорії які цей “суддя” приймає. Цього разу простоти додавала гіпотеза наявності в ядрі не електронів, а частинки, що має масу порівнювальну з протоном, але не має заряду. І її було знайдено!

У випадку розсіяння альфа-частинок, випромінених радіоактивними елементами на важких ядрах з великим зарядом, як в експерименті з першої частини, відштовхування при розсіянні є дуже сильним. Якщо ж опромінювати легші елементи, то можна домогтися проникнення частинок в середину ядра-мішені. При опроміненні деяких елементів (наприклад, літію чи берилію) альфа частинка поглинається, але маса ядра, що утворюється, є суттєво меншою, ніж сума мас на вході.

І різниця становить приблизно масу одного протона, але протону немає. Оскільки він є зарядженим, зареєструвати його майже так само легко, як альфа-частинку. Якщо детектор протонів не фіксує, то їх там немає. Після поглинання альфа-частинки ядром вилітає інша частинка, нейтральна та з близькою до протона масою. Цю частинку назвали нейтроном і її присутністю в атомних ядрах пояснили їх завеликі маси. Отже ядро складається з протонів та нейтронів. Говорячи про них часто використовують узагальнений термін “нуклон”, коли мають на увазі частинки обох сортів. Наприклад, сама альфа-частинка складається з двох протонів і двох нейтронів — чотирьох нуклонів.

Оскільки нейтрон, летячи крізь речовину, взаємодіє переважно з ядрами, а не з електронними оболонками атомів, то його реєстрація є досить складною. Я тут не буду її описувати, але скажу, що його було зареєстровано. Більш того, зараз існують багато різних видів нейтронних детекторів.

Що таке ізотоп

Настав час пояснити значення ще одного наукового терміну, який часто використовується поза межею кола спеціалістів. Це слово — “ізотоп”. Ми вже знаємо, що заряд ядра, тобто кількість протонів, визначає приналежність атому до певного хімічного елементу. При цьому можуть існувати атомні ядра з однаковою кількістю протонів, але різною кількістю нейтронів. Тоді ці атоми матимуть практично однакові хімічні властивості, але властивості їх ядер можуть бути дуже різними. Саме такі ядра, що відрізняються лише кількістю нейтронів, і називаються ізотопами.

Також можна зустріти термін “нуклід”, який вже позначає не хімічний елемент, а певний його ізотоп, тобто ядро з заданою кількістю протонів і нейтронів.Зазвичай їх ідентифікують, записуючи поруч з назвою хімічного елементу повну кількість нуклонів у ядрі. Останню ще називають масовим числом. Слово “радіонуклід”, позначає нуклід, який є радіоактивним.

Кожний хімічний елемент має як стабільні так і нестабільні, радіоактивні ізотопи. В природі звичайно найбільш поширеними є стабільні, бо радіоактивні з часом, розпадаючись, зникають. Отже коли фізик в якомусь інтерв’ю вжив це слово, це не значить, що його одразу треба сприймати з острахом — може він мав на увазі стабільний ізотоп.

Бета-радіоактивність

Нові частинки, нейтрони, виявилися дуже цікавими не тільки своєю нейтральністю. Також виявилося, що у вільному стані вони є нестабільними і розпадаються, створюючи протон і електрон. У складі ядра однак нейтрони найчастіше є стабільними. Отже доля нейтрону залежить від “оточення”, в яке він потрапив.

Більше того, виявилося, що в ядрах існує певний баланс кількості протонів і нейтронів, і кого з них більше, той і стає нестабільним. Тобто “оточення” може і протон зробити нестабільним.

З цим явищем пов’язана бета-радіоактивність. Коли баланс порушено в бік більшої кількості нейтронів, то вони можуть розпадатися, переходячи в протони з випроміненням електронів. Це є бета-мінус радіоактивність. Якщо ж баланс порушено в сторону протонів, тоді вони перетворюються на нейтрони, і випромінюється частинка позитрон. Вона має таку саму масу, як електрон, але додатній електричний заряд.

Це не всі частинки, що утворюються при бета-розпадах ядер, але для того щоб дізнатися про решту, нам будуть потрібні певні теоретичні знання.

Наступна частина

Література

1. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1989 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 2: Ядерная физика.
3. К. Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Книга 1. Физика атомного ядра. Часть 1. Свойства ядра, нуклонов и радиоактивных излучений.