Akademik A.F. Ioffe. "Nauka i život" br. 1, 1934
Članak "Jezgro atoma" akademika Abrama Fedoroviča Ioffea otvorio je prvi broj časopisa "Nauka i život", novonastalog 1934. godine.
E. Rutherford.
F. W. Aston.
TALASNA PRIRODA MATERIJE
Početkom 20. stoljeća atomistička struktura materije prestala je biti hipoteza, a atom je postao ista stvarnost kao što su stvarne činjenice i pojave koje su nam zajedničke.
Pokazalo se da je atom vrlo složena formacija, koja nesumnjivo uključuje električne naboje, a možda i samo električne naboje. Stoga se, prirodno, postavilo pitanje o strukturi atoma.
Prvi model atoma napravljen je po uzoru na Sunčev sistem. Međutim, ova ideja o strukturi atoma ubrzo se pokazala neodrživom. I to je prirodno. Ideja o atomu kao solarnom sistemu bila je čisto mehanički prijenos slike povezane s astronomskim skalama na područje atoma, gdje su skale samo stomilioniti dio centimetra. Ovako oštra kvantitativna promjena nije mogla a da ne povuče vrlo značajnu promjenu u kvalitativnim svojstvima istih fenomena. Ova razlika se prvenstveno ogleda u činjenici da atom, za razliku od Sunčevog sistema, mora biti izgrađen po mnogo strožim pravilima od onih zakona koji određuju putanje planeta Sunčevog sistema.
Postojale su dvije poteškoće. Prvo, svi atomi date vrste, datog elementa, potpuno su isti po svojim fizičkim svojstvima, i prema tome, orbite elektrona u tim atomima moraju biti potpuno iste. U međuvremenu, zakoni mehanike koji upravljaju kretanjem nebeskih tijela ne daju apsolutno nikakve osnove za to. U zavisnosti od početne brzine, orbita planete može biti, prema ovim zakonima, potpuno proizvoljna, planeta se može rotirati svaki put odgovarajućom brzinom u bilo kojoj orbiti, na bilo kojoj udaljenosti od Sunca. Kada bi iste proizvoljne orbite postojale u atomima, tada atomi iste supstance ne bi mogli biti toliko identični po svojim svojstvima, na primjer, ne bi mogli dati striktno identičan spektar luminiscencije. Ovo je jedna kontradikcija.
Drugi je bio da bi kretanje elektrona oko atomskog jezgra, ako bi se na njega primijenili zakoni, dobro proučeni kod nas u velikom obimu laboratorijskih eksperimenata ili čak astronomskih fenomena, moralo biti praćeno kontinuiranom emisijom energije. Posljedično, energija atoma bi se morala kontinuirano iscrpljivati, a opet, atom ne bi mogao zadržati ista i nepromijenjena svojstva tokom stoljeća i milenijuma, te bi cijeli svijet i svi atomi morali doživjeti kontinuirano slabljenje, kontinuirani gubitak energije sadržane u njima. Ovo, također, ni na koji način nije nespojivo sa osnovnim svojstvima atoma.
Posljednja poteškoća bila je posebno akutna. Činilo se da je čitavu nauku dovelo u nerešivu slijepu ulicu.
Izvanredni fizičar Lorentz završio je naš razgovor na ovu temu ovako: „Žao mi je što nisam umro prije pet godina, kada ova kontradikcija još nije postojala. Tada bih umro u uvjerenju da sam otkrio dio istine u prirodne pojave."
Istovremeno, u proleće 1924. de Broglie, mladi Langevinov student, u svojoj disertaciji izražava ideju koja je u svom daljem razvoju dovela do nove sinteze.
De Broglieova ideja, koja je tada bila prilično izmijenjena, ali još uvijek u velikoj mjeri očuvana, bila je da kretanje elektrona koji rotira oko jezgra u atomu nije samo kretanje određene lopte, kako se ranije zamišljalo, da je ovo kretanje praćeno nekim talasom koji putuje sa elektronom koji se kreće. Elektron nije lopta, već neka električna supstanca zamagljena u prostoru, čije je kretanje ujedno i širenje talasa.
Ova ideja, zatim proširena ne samo na elektrone, već i na kretanje bilo kojeg tijela - i elektrona, i atoma, i čitave zbirke atoma - tvrdi da svako kretanje tijela sadrži dvije strane, iz kojih možemo vidjeti posebno u pojedinačnim slučajevima jasno jedna strana, dok se druga ne primjećuje. U jednom slučaju vidimo, takoreći, talase koji se šire i ne primjećujemo kretanje čestica, u drugom slučaju, naprotiv, same pokretne čestice dolaze do izražaja, a val izmiče našem opažanju.
Ali u stvari, obje ove strane su uvijek prisutne, a posebno u kretanju elektrona ne postoji samo kretanje samih naboja, već i širenje vala.
Ne može se reći da nema kretanja elektrona po orbitama, već postoji samo pulsiranje, samo talasi, odnosno nešto drugo. Ne, ispravnije bi bilo reći ovo: mi uopšte ne poričemo kretanje elektroda, koje smo uporedili sa kretanjem planeta oko Sunca, ali samo to kretanje ima karakter pulsiranja, a ne karakter kretanja globusa oko Sunca.
Neću ovde opisivati strukturu atoma, strukturu njegove elektronske ljuske, koja određuje sva osnovna fizička svojstva - koheziju, elastičnost, kapilarnost, hemijska svojstva itd. Sve je to rezultat kretanja elektronske ljuske, tj. ili, kako sada kažemo, atom pulsiranja.
PROBLEM NUKLEARA
Jezgro igra najvažniju ulogu u atomu. Ovo je centar oko kojeg se svi elektroni okreću i čija svojstva u konačnici određuju sve ostalo.
Prvo što smo mogli naučiti o jezgru je njegov naboj. Znamo da atom sadrži određeni broj negativno nabijenih elektrona, ali atom kao cjelina nema električni naboj. To znači da negdje moraju postojati odgovarajući pozitivni naboji. Ovi pozitivni naboji su koncentrisani u jezgru. Jezgro je pozitivno nabijena čestica, oko koje pulsira elektronska atmosfera, koja okružuje jezgro. Naboj jezgra određuje broj elektrona.
Elektroni gvožđa i bakra, stakla i drveta su potpuno isti. Nije štetno da atom izgubi nekoliko svojih elektrona, ili čak da izgubi sve svoje elektrone. Sve dok ostaje pozitivno nabijeno jezgro, ovo jezgro će privlačiti onoliko elektrona koliko mu je potrebno iz drugih okolnih tijela, a atom će biti očuvan. Atom gvožđa ostaje gvožđe sve dok mu je jezgro netaknuto. Ako izgubi nekoliko elektrona, tada će pozitivni naboj jezgra biti veći od ukupnog broja preostalih negativnih naboja, a cijeli atom kao cjelina će dobiti višak pozitivnog naboja. Tada ga ne zovemo atom, već pozitivni ion gvožđa. U drugom slučaju, atom može, naprotiv, privući više negativnih elektrona k sebi nego što ima pozitivnih naboja - tada će biti negativno nabijen, a mi ga nazivamo negativnim jonom; to će biti negativni ion istog elementa. Prema tome, individualnost elementa, sva njegova svojstva postoje i određuju ih jezgro, prije svega naboj ovog jezgra.
Nadalje, - masa atoma u njegovom najvećem dijelu određena je upravo jezgrom, a ne elektronima, - masa elektrona je manja od jedne tisućinke mase cijelog atoma; više od 0,999 ukupne mase je masa jezgra. Ovo je tim važnije jer masu smatramo mjerom rezerve energije koju data supstanca posjeduje; masa je ista mjera energije kao erg, kilovat sat ili kalorija.
Složenost jezgra otkrivena je u fenomenu radioaktivnosti, otkrivenom ubrzo nakon rendgenskih zraka, na pragu našeg stoljeća. Poznato je da radioaktivni elementi kontinuirano emituju energiju u obliku alfa, beta i gama zraka. Ali takvo kontinuirano zračenje energije mora imati neki izvor. Godine 1902. Rutherford je pokazao da jedini izvor ove energije treba biti atom, drugim riječima, nuklearna energija. Druga strana radioaktivnosti je da emisija ovih zraka prenosi jedan element koji se nalazi na jednom mjestu periodnog sistema u drugi element sa različitim hemijskim svojstvima. Drugim riječima, radioaktivni procesi vrše transformaciju elemenata. Ako je istina da jezgro atoma određuje njegovu individualnost, i da sve dok je jezgro netaknuto, sve dok atom ostaje atom datog elementa, a ne bilo kojeg drugog, onda prijelaz jednog elementa u drugo znači promjenu u samom jezgru atoma.
Zrake koje izbacuju radioaktivne supstance pružaju prvi pristup da se dobije neka opšta ideja o tome šta se nalazi u jezgri.
Alfa zraci su jezgra helijuma, a helijum je drugi element u periodnom sistemu. Stoga se može misliti da sastav jezgra uključuje jezgra helijuma. Ali mjerenje brzina kojima alfa zraci izlaze odmah dovodi do vrlo ozbiljne poteškoće.
GAMOVA TEORIJA RADIOAKTIVNOSTI
Jezgro je pozitivno naelektrisano. Kada joj se približi, svaka nabijena čestica doživljava silu privlačenja ili odbijanja. U velikim razmjerima u laboratorijima, interakcije električnih naboja određene su Coulombovim zakonom: dva naboja međusobno djeluju sa silom koja je obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih i direktno proporcionalna veličini jednog i drugog naelektrisanja. Proučavajući zakone privlačenja ili odbijanja koje čestice doživljavaju kada se približavaju jezgru, Rutherford je otkrio da do udaljenosti vrlo bliskih jezgru, reda veličine 10 -12 cm, još uvijek vrijedi isti Coulombov zakon. Ako je to slučaj, onda možemo lako izračunati koliki rad jezgro mora obaviti gurajući pozitivni naboj od sebe dok izlazi iz jezgra i izbacuje se van. Alfa čestice i nabijena jezgra helijuma, leteći iz jezgra, kreću se pod odbojnim djelovanjem njegovog naboja; a sada odgovarajući proračun pokazuje da su samo pod dejstvom odbijanja alfa čestice trebale da akumuliraju kinetičku energiju koja odgovara najmanje 10 ili 20 miliona elektron volti, tj. energiju koja se dobija prolaskom kroz naelektrisanje jednako naelektrisanje elektrona, potencijalna razlika od 20 miliona volti. Ali u stvari, kada napuste atom, izlaze sa mnogo manje energije, samo 1-5 miliona elektron-volti. Ali pored toga,
bilo je prirodno očekivati da jezgro, izbacujući alfa česticu, daje još nešto. U trenutku izbacivanja u jezgru se dešava nešto poput eksplozije, a sama ta eksplozija daje neku vrstu energije; ovome se dodaje i rad odbojnih sila, ali ispada da je zbir ovih energija manji od onoga što bi jedna odbojnost trebala dati. Ova kontradikcija se otklanja čim napustimo mehanički transfer na ovu oblast pogleda razvijenih u iskustvu proučavanja velikih tijela, pri čemu ne uzimamo u obzir talasnu prirodu kretanja. G. A. Gamov je prvi dao ispravno tumačenje ove kontradikcije i stvorio talasnu teoriju jezgra i radioaktivnih procesa.
Poznato je da na dovoljno velikim udaljenostima (više od 10 -12 cm) jezgro odbija od sebe pozitivan naboj. S druge strane, nema sumnje da se unutar samog jezgra, u kojem ima mnogo pozitivnih naboja, iz nekog razloga ne odbijaju jedno drugo. Samo postojanje jezgra pokazuje da se pozitivni naboji unutar jezgra međusobno privlače, a izvan jezgra odbijaju.
Kako se mogu opisati energetski uslovi u samom jezgru i oko njega? Gamow je kreirao sljedeću predstavu. Na dijagramu (slika 5) prikazat ćemo vrijednost energije pozitivnog naboja na datom mjestu rastojanjem od horizontalne linije ALI.
Kako se približavamo jezgru, energija naboja će se povećavati, jer će se raditi protiv sile odbijanja. Unutar jezgra, naprotiv, energija se mora ponovo smanjiti, jer ovdje ne postoji međusobno odbijanje, već uzajamno privlačenje. Na granicama jezgra dolazi do oštrog smanjenja energetske vrijednosti. Naš crtež je prikazan na ravni; u stvari, treba ga, naravno, zamisliti u prostoru sa istom raspodjelom energije iu svim drugim pravcima. Tada dobijamo da oko jezgra postoji sferni sloj sa visokom energijom, kao neka vrsta energetske barijere koja štiti jezgro od prodora pozitivnih naelektrisanja, takozvana "Gamow barijera".
Ako stojimo na stanovištu uobičajenih pogleda na kretanje tijela i zaboravimo na njegovu talasnu prirodu, onda moramo očekivati da samo takav pozitivan naboj može prodrijeti u jezgro čija energija nije manja od visina barijere. Naprotiv, da bi napustilo jezgro, naboj prvo mora doći do vrha barijere, nakon čega će njegova kinetička energija početi da raste kako se udaljava od jezgra. Ako je na vrhu barijere energija bila jednaka nuli, tada će, kada se ukloni iz atoma, primiti onih 20 miliona elektron-volti koje se zapravo nikada ne primjećuju. Novo shvatanje jezgra, koje je uveo Gamow, je sledeće. Kretanje čestice se mora posmatrati kao talas. Shodno tome, na ovo kretanje utiče energija ne samo u tački koju zauzima čestica, već i u čitavom zamućenom talasu čestice, koji pokriva prilično veliki prostor. Na osnovu ideja valne mehanike, možemo tvrditi da čak i ako energija u datoj tački nije dosegla granicu koja odgovara vrhu barijere, čestica može biti s druge strane, gdje više nije uvučena u jezgro sile privlačenja koje tamo djeluju.
Nešto slično je i sljedeći eksperiment. Zamislite da se iza zida sobe nalazi bure vode. Iz ovog bureta se izvlači cijev, koja prolazi visoko iznad kroz rupu u zidu i dovodi vodu; voda se izliva na dno. Ovo je dobro poznati uređaj koji se zove sifon. Ako je bure na toj strani postavljeno više od kraja cijevi, tada će voda kontinuirano teći kroz nju brzinom određenom razlikom između nivoa vode u buretu i kraja cijevi. Nema tu ništa iznenađujuće. Ali da niste znali za postojanje bureta s druge strane zida i vidjeli samo cijev kroz koju voda teče sa velike visine, onda bi vam se ova činjenica činila nepomirljivom kontradiktornošću. Voda teče sa velike visine i pritom ne akumulira energiju koja odgovara visini cijevi. Međutim, objašnjenje u ovom slučaju je očigledno.
Sličan fenomen imamo i u jezgru. Punite iz svog normalnog položaja ALI raste u stanje veće energije IN, ali uopće ne doseže vrh barijere OD(Sl. 6).
Van države IN alfa čestica, prolazeći kroz barijeru, počinje da se odbija od jezgra, a ne od samog vrha OD, i sa niže energetske visine B1. Stoga, kada izlazite van, energija koju akumulira čestica neće ovisiti o visini OD, ali sa manje visine jednake B1(Sl. 7).
Ovo kvalitativno zaključivanje se također može izraziti u kvantitativnom obliku i može se dati zakon koji određuje vjerovatnoću prolaska alfa čestice kroz barijeru kao funkciju energije IN, koju posjeduje u jezgru, a samim tim i od energije koju će primiti kada napusti atom.
Uz pomoć serije eksperimenata ustanovljen je vrlo jednostavan zakon koji povezuje broj alfa čestica koje emitiraju radioaktivne tvari s njihovom energijom ili brzinom. Ali značenje ovog zakona bilo je potpuno neshvatljivo.
Gamowov prvi uspjeh sastojao se u činjenici da je ovaj kvantitativni zakon emisije alfa čestica sasvim precizno i prirodno slijedio iz njegove teorije. Sada su "Gamow energetska barijera" i njena talasna interpretacija osnova svih naših ideja o jezgru.
Svojstva alfa zraka su kvalitativno i kvantitativno dobro objašnjena Gamowovom teorijom, ali je poznato da radioaktivne tvari emituju i beta zrake – tokove brzih elektrona. Model elektronske emisije nije u stanju da objasni. Ovo je jedna od najozbiljnijih kontradikcija u teoriji atomskog jezgra, koja je donedavno ostala nerazjašnjena, ali se sada očigledno planira.
STRUKTURA NUKLUSA
Pređimo sada na razmatranje onoga što znamo o strukturi jezgra.
Prije više od 100 godina, Prout je izrazio ideju da možda elementi periodnog sistema uopće nisu odvojeni, nepovezani oblici materije, već su samo različite kombinacije atoma vodonika. Ako bi to bilo tako, onda bi se očekivalo da ne samo da naboji svih jezgara budu cjelobrojni višekratnici naboja vodika, već da se mase svih jezgara izražavaju kao cjelobrojni višekratnici mase jezgra vodika, tj. atomske težine bi morale biti izražene cijelim brojevima. I zaista, ako pogledate tablicu atomskih težina, možete vidjeti veliki broj cijelih brojeva. Na primjer, ugljenik je tačno 12, azot je tačno 14, kiseonik je tačno 16, fluor je tačno 19. Ovo, naravno, nije slučajno. Ali još uvijek postoje atomske težine koje su daleko od cijelih brojeva. Na primjer, neon ima atomsku težinu od 20,2, hlor ima atomsku težinu od 35,46. Stoga je Proutova hipoteza ostala djelomična pretpostavka i nije mogla postati teorija strukture atoma. Proučavajući ponašanje nabijenih jona, posebno je lako proučavati svojstva jezgra atoma djelujući na njih, na primjer, električnim i magnetskim poljem.
Metoda zasnovana na tome, koju je Aston doveo do izuzetno visoke preciznosti, omogućila je da se utvrdi da svi elementi čije atomske težine nisu izražene cijelim brojevima, zapravo, nisu homogena supstanca, već mješavina dva ili više - 3 , 4, 9 - različite vrste atoma. Tako se, na primjer, atomska težina hlora, jednaka 35,46, objašnjava činjenicom da zapravo postoji nekoliko vrsta atoma hlora. Postoje atomi hlora s atomskom težinom 35 i 37, a ove dvije vrste hlora su pomiješane zajedno u takvom omjeru da je njihova prosječna atomska težina 35,46. Pokazalo se da ne samo u ovom jednom konkretnom slučaju, već u svim slučajevima, bez izuzetka, gdje atomske težine nisu izražene kao cijeli brojevi, imamo mješavinu izotopa, odnosno atoma istog naboja, dakle, predstavljaju isti element , ali sa različitim masama. Svaka pojedinačna vrsta atoma uvijek ima cjelobrojnu atomsku težinu.
Tako je Proutova pretpostavka odmah dobila značajnu podršku, a pitanje bi se moglo smatrati riješenim, ako ne i jedan izuzetak, a to je sam vodonik. Činjenica je da se naš sistem atomskih težina ne zasniva na vodiku, uzetom kao jedinica, već na atomskoj težini kiseonika, koja se uslovno uzima jednakom 16. U odnosu na ovu težinu, atomske težine se izražavaju u skoro tačnim celim brojevima . Ali sam vodonik u ovom sistemu ima atomsku težinu ne jednu, već nešto više, naime 1,0078. Ovaj broj se prilično značajno razlikuje od jedinice - za 3/4%, što daleko premašuje sve moguće greške u određivanju atomske težine.
Pokazalo se da kiseonik ima i 3 izotopa: pored preovlađujućeg, atomske težine 16, drugog atomske težine 17 i trećeg atomske težine 18. Ako sve atomske težine uputimo na izotop 16, onda će atomska težina vodika i dalje biti nešto veća od jedinice. Tada je pronađen drugi izotop vodonika - vodonik atomske težine 2 - deuterijum, kako su ga otkrili Amerikanci, ili diplogen, kako ga zovu Britanci. Samo oko 1/6000 dijela ovog deuterija je umiješano, pa stoga prisustvo ove nečistoće ima vrlo mali uticaj na atomsku težinu vodonika.
Pored vodonika, helijum ima atomsku težinu od 4,002. Da je sastavljen od 4 vodonika, onda bi njegova atomska težina očigledno morala biti 4,031. Dakle, u ovom slučaju imamo određeni gubitak u atomskoj težini, odnosno: 4,031 - 4,002 = 0,029. Moguće je? Sve dok masu nismo smatrali merom materije, naravno, ovo je bilo nemoguće: to bi značilo da je deo materije nestao.
Ali teorija relativnosti je sa sigurnošću utvrdila da masa nije mjera količine materije, već mjera energije koju ova materija posjeduje. Materija se ne mjeri masom, već brojem naboja koji čine ovu materiju. Ovi naboji mogu imati više ili manje energije. Kada se identični naboji približavaju, energija se povećava; kada se udaljavaju, energija se smanjuje. Ali to, naravno, ne znači da se stvar promijenila.
Kada kažemo da je 0,029 atomske težine nestalo tokom formiranja helijuma iz 4 vodonika, to znači da je nestala energija koja odgovara ovoj vrijednosti. Znamo da svaki gram materije ima energiju jednaku 9. 10 20 erg. U formiranju 4 g helijuma gubi se energija jednaka 0,029. devet . 10 20 ergs. Zbog ovog smanjenja energije, 4 jezgra vodika će se spojiti u novo jezgro. Višak energije će se osloboditi u okolni prostor, a veza sa nešto nižom energijom i masom će ostati. Dakle, ako se atomske težine mjere ne točno, cijelim brojevima 4 ili 1, već 4,002 i 1,0078, onda upravo te hiljaditinke dobivaju poseban značaj, jer određuju energiju koja se oslobađa pri formiranju jezgra.
Što se više energije oslobodi tokom formiranja jezgra, tj. što je veći gubitak atomske težine, to je jezgro jače. Konkretno, jezgro helijuma je vrlo snažno, jer se tokom njegovog formiranja oslobađa energija, što odgovara gubitku atomske težine - 0,029. Ovo je veoma velika energija. Da bismo to prosudili, najbolje je zapamtiti ovaj jednostavan omjer: hiljaditi dio atomske težine odgovara oko 1 milion elektron-volti. Dakle, 0,029 je oko 29 miliona elektron-volti. Da bi se uništilo jezgro helijuma, da bi se ponovo razgradilo na 4 vodonika, potrebna je kolosalna energija. Jezgro ne prima takvu energiju, stoga je jezgro helijuma izuzetno stabilno, pa se upravo iz radioaktivnih jezgara ne oslobađaju jezgra vodika, već čitava jezgra helijuma, alfa čestice. Ova razmatranja nas dovode do nove procjene atomske energije. Već znamo da je gotovo sva energija atoma koncentrisana u jezgru, a osim toga, energija je ogromna. 1 g supstance ima, ako se prevede na grafički jezik, onoliko energije koliko se može dobiti sagorevanjem 10 vozova od 100 vagona nafte. Stoga je jezgro potpuno izuzetan izvor energije. Uporedite 1 g sa 10 vlakova - ovo je omjer koncentracije energije u jezgri u odnosu na energiju koju koristimo u našoj tehnologiji.
Međutim, ako razmislimo o činjenicama koje sada razmatramo, možemo, naprotiv, doći do potpuno suprotnog pogleda na jezgro. Sa ove tačke gledišta, jezgro nije izvor energije, već njegovo groblje: jezgro je ostatak nakon oslobađanja ogromne količine energije, a u njemu imamo najniže stanje energije.
Stoga, ako možemo govoriti o mogućnosti korištenja energije jezgra, onda samo u smislu da, možda, nisu sva jezgra dostigla najnižu moguću energiju: na kraju krajeva, i vodik i helij postoje u prirodi, i, shodno tome, nije sav vodonik kombinovan u helijum, iako helijum ima manje energije. Kada bismo mogli stopiti raspoloživi vodonik u helijum, dobili bismo određenu količinu energije. Nije 10 vagona za naftu, ali će ipak biti oko 10 vagona. A to i nije tako loše kada bi se iz 1 g tvari moglo dobiti toliko energije kao iz sagorijevanja 10 vagona nafte.
Takve su moguće rezerve energije u preuređenju jezgara. Ali mogućnost je, naravno, daleko od stvarnosti.
Kako se ove mogućnosti mogu realizovati? Da bismo ih procijenili, prelazimo na razmatranje sastava atomskog jezgra.
Sada možemo reći da u svim jezgrama postoje pozitivna jezgra vodika, koja se nazivaju protoni, imaju jedinicu atomske težine (tačnije 1,0078) i jedinični pozitivan naboj. Ali jezgro se ne može sastojati samo od protona. Uzmimo, na primjer, najteži element, 92. u periodnom sistemu, uranijum, sa atomskom težinom od 238. Ako pretpostavimo da je svih ovih 238 jedinica sastavljeno od protona, tada bi uranijum imao 238 naboja, dok ima samo 92 Dakle, tu ili nisu sve čestice naelektrisane, ili tamo, pored 238 protona, postoji 146 negativnih elektrona. Tada je sve u redu: atomska težina bi bila 238, pozitivni naboji 238 i negativni naboji 146, dakle, ukupan naboj je 92. Ali već smo utvrdili da je pretpostavka o prisutnosti elektrona u jezgru nespojiva s našim idejama: niti po veličini niti u magnetnim svojstvima elektrona u jezgru ne mogu se postaviti. Postojala je neka kontradikcija.
OTKRIĆE NEUTRONA
Ovu kontradikciju uništila je nova eksperimentalna činjenica, koju su prije otprilike dvije godine otkrili Irene Curie i njen suprug Joliot (Irene Curie je kćer Marie Curie, koja je otkrila radijum). Irene Curie i Joliot su otkrili da kada se berilij (četvrti element periodnog sistema) bombarduje alfa česticama, berilij emituje neke čudne zrake koje prodiru kroz ogromne debljine materije. Čini se da, pošto tako lako prodiru u materiju, ne bi trebalo da tamo izazivaju nikakve značajnije efekte, inače bi im energija bila iscrpljena i ne bi prodrli u materiju. S druge strane, ispostavlja se da te zrake, sudarajući se s jezgrom nekog atoma, odbacuju ga ogromnom silom, kao udarom teške čestice. Dakle, s jedne strane, mora se misliti da su ovi zraci teška jezgra, a s druge strane da su sposobni da prođu kroz ogromne debljine bez ikakvog uticaja.
Rješenje ove kontradikcije pronađeno je u činjenici da ova čestica nije nabijena. Ako čestica nema električni naboj, onda ništa neće djelovati na nju, a ni ona sama neće djelovati ni na što. Tek kada tokom svog kretanja udari negdje o jezgro, odbacuje ga.
Tako su se pojavile nove nenabijene čestice - neutroni. Ispostavilo se da je masa ove čestice približno ista kao i masa čestice vodika - 1,0065 (jedan hiljaditi dio manje od protona, dakle, njena energija je otprilike 1 milion elektron volti manja). Ova čestica je slična protonu, ali samo lišena pozitivnog naboja, neutralna je, zvala se neutron.
Čim je postojanje neutrona postalo jasno, predložena je potpuno drugačija ideja o strukturi jezgra. Prvo ga je izrazio D. D. Ivanenko, a potom ga je razvio, posebno Heisenberg, koji je prošle godine dobio Nobelovu nagradu. Jezgro može sadržavati protone i neutrone. Moglo bi se pretpostaviti da je jezgro sastavljeno samo od protona i neutrona. Tada je cjelokupna konstrukcija periodnog sistema predstavljena na potpuno drugačiji, ali prilično jednostavan način. Kako, na primjer, zamisliti uranijum? Njegova atomska težina je 238, odnosno ima 238 čestica. Ali neki od njih su protoni, neki neutroni. Svaki proton ima pozitivan naboj, neutroni uopće nemaju naboj. Ako je naboj uranijuma 92, to znači da su 92 protoni, a sve ostalo su neutroni. Ova ideja je već dovela do niza vrlo zapaženih uspjeha, odmah je razjasnila niz svojstava periodnog sistema, koji su se ranije činili potpuno misteriozni. Kada ima malo protona i neutrona, onda, prema modernim konceptima valne mehanike, treba očekivati da je broj protona i neutrona u jezgru isti. Samo proton ima naboj, a broj protona daje atomski broj. A atomska težina elementa je zbir težina protona i neutrona, jer oba imaju jedinicu atomske težine. Na osnovu toga možemo reći da je atomski broj polovina atomske težine.
Sada i dalje ostaje jedna poteškoća, jedna kontradikcija. Ovo je kontradikcija koju stvaraju beta čestice.
OTKRIĆE POZITRONA
Došli smo do zaključka da u jezgru ne postoji ništa osim pozitivno nabijenog protona. Ali kako se onda negativni elektroni izbacuju iz jezgra, ako tamo uopće nema negativnih naboja? Kao što vidite, mi smo u teškoj poziciji.
Opet, nova eksperimentalna činjenica, novo otkriće, vodi nas iz nje. Ovo otkriće je, možda po prvi put, napravio D. V. Skobeltsyn, koji je, dugo proučavajući kosmičke zrake, otkrio da među naelektrisanjem koje emituju kosmičke zrake postoje i pozitivne svjetlosne čestice. Ali ovo otkriće bilo je toliko suprotno svemu što je bilo čvrsto utvrđeno da Skobeltsyn svojim zapažanjima u početku nije dao takvo tumačenje.
Sljedeći koji je otkrio ovaj fenomen bio je američki fizičar Andersen u Pasadeni (Kalifornija), a nakon njega u Engleskoj, u Rutherfordovoj laboratoriji, Blackett. To su pozitivni elektroni ili, kako se ne zovu baš dobro, pozitroni. Šta su zapravo pozitivni elektroni najlakše se može vidjeti po njihovom ponašanju u magnetskom polju. U magnetskom polju, elektroni se odbijaju u jednom smjeru, a pozitroni u drugom, a smjer njihovog otklona određuje njihov predznak.
U početku su pozitroni uočeni samo tokom prolaska kosmičkih zraka. Nedavno su iste Irene Curie i Joliot otkrile novi izuzetan fenomen. Pokazalo se da postoji nova vrsta radioaktivnosti, da jezgra aluminijuma, bora, magnezijuma, koji sami po sebi nisu radioaktivni, postaju radioaktivni kada se bombarduju alfa zracima. Od 2 do 14 minuta nastavljaju da emituju čestice same, a te čestice više nisu alfa i beta zraci, već pozitroni.
Teorija pozitrona nastala je mnogo ranije nego što je pronađen sam pozitron. Dirac je sebi postavio zadatak da jednačinama valne mehanike da takav oblik da zadovoljavaju i teoriju relativnosti.
Ove Diracove jednadžbe su, međutim, dovele do vrlo čudne posljedice. Masa ulazi u njih simetrično, tj. kada se predznak mase obrne, jednačine se ne mijenjaju. Ova simetrija jednadžbi u odnosu na masu omogućila je Diracu da predvidi mogućnost postojanja pozitivnih elektrona.
U to vrijeme niko nije primijetio pozitivne elektrone, a postojalo je snažno uvjerenje da pozitivnih elektrona nema (o tome se može suditi po oprezu s kojim su i Skobeltsyn i Andersen pristupili ovom pitanju), pa je Diracova teorija odbačena. Dvije godine kasnije pozitivni elektroni su zapravo pronađeni i, naravno, prisjetili su se Diracove teorije koja je predvidjela njihovu pojavu.
"MATERIJALIZACIJA" I "ANNIHILACIJA"
Ova teorija je povezana sa brojnim neutemeljenim tumačenjima koja je okružuju sa svih strana. Ovdje bih želio analizirati proces materijalizacije, nazvan tako na inicijativu Madame Curie - pojavu para pozitivnih i negativnih elektrona tokom prolaska gama zraka kroz materiju. Ova eksperimentalna činjenica se tumači kao transformacija elektromagnetne energije u dvije čestice materije, koje ranije nisu postojale. Ova činjenica se, dakle, tumači kao stvaranje i nestanak materije pod uticajem tih drugih zraka.
Ali ako bolje pogledamo ono što zapravo opažamo, lako je vidjeti da takvo tumačenje izgleda parova nema osnova. Konkretno, u djelu Skobeltsyn-a savršeno je jasno da se pojava para naboja pod utjecajem gama zraka uopće ne događa u praznom prostoru, pojava parova se uvijek opaža samo u atomima. Posljedično, ovdje se ne radi o materijalizaciji energije, ne o pojavi neke nove materije, već samo o odvajanju naboja unutar materije koja već postoji u atomu. Gdje je ona bila? Mora se misliti da se proces cijepanja pozitivnog i negativnog naboja događa nedaleko od jezgra, unutar atoma, ali ne i unutar jezgra (na relativno ne baš velikoj udaljenosti od 10 -10 -10 -11 cm, dok je polumjer jezgra je 10 -12 -10 -13 cm).
Sasvim isto se može reći i za obrnuti proces "anihilacije materije" - povezivanje negativnog i pozitivnog elektrona sa oslobađanjem milion elektron volti energije u obliku dva kvanta elektromagnetnih gama zraka. I taj se proces uvijek odvija u atomu, očigledno blizu njegovog jezgra.
Ovdje dolazimo do mogućnosti rješavanja kontradikcije koju smo već primijetili, a koja proizlazi iz emisije beta zraka negativnih elektrona od strane jezgra, koje, kako mislimo, ne sadrži elektrone.
Očigledno, beta čestice ne lete iz jezgra, već zahvaljujući jezgru; zbog oslobađanja energije unutar jezgre, u blizini jezgre dolazi do procesa cijepanja na pozitivne i negativne naboje, te se negativni naboj izbacuje, a pozitivni se uvlači u jezgro i veže se s neutronom, formirajući pozitivan proton. Ovo je sugestija koja je izneta u poslednje vreme.
Evo šta znamo o sastavu atomskog jezgra.
ZAKLJUČAK
U zaključku, da kažemo nekoliko riječi o budućim izgledima.
Ako smo u proučavanju atoma došli do određenih granica, iza kojih su kvantitativne promjene prešle u nova kvalitativna svojstva, tada na granicama atomskog jezgra prestaju da funkcionišu oni zakoni valne mehanike koje smo otkrili u atomskoj ljusci; vrlo nejasni obrisi nove, još općenitije teorije, u odnosu na koju je valna mehanika samo jedna strana fenomena, čija se druga strana sada počinje otvarati - i počinje, kao i uvijek, s kontradiktornostima, počinju osetiti u srži.
Rad na atomskom jezgru ima i drugu vrlo zanimljivu stranu, usko isprepletenu s razvojem tehnologije. Jezgro je vrlo dobro zaštićeno Gamow barijerom od vanjskih utjecaja. Ako bismo, ne ograničavajući se samo na posmatranje raspada jezgara u radioaktivnim procesima, željeli probiti jezgro izvana, obnoviti ga, onda bi to zahtijevalo izuzetno snažan udar.
Problem jezgra hitno zahtijeva daljnji razvoj tehnologije, prijelaz sa onih napona koje je visokonaponska tehnologija već savladala, sa napona od nekoliko stotina hiljada volti, na milione volti. Nova faza se također stvara u tehnologiji. Ovaj rad na stvaranju novih izvora napona, miliona volti, sada se izvodi u svim zemljama - kako u inostranstvu tako i kod nas, posebno u laboratoriji u Harkovu, koja je prva započela ovaj posao, i na Lenjingradskom institutu za Fizika i tehnologija, i na drugim mjestima.
Problem jezgra je jedan od najhitnijih problema našeg vremena u fizici; na tome se mora raditi s krajnjim intenzitetom i istrajnošću, a u ovom radu je potrebno imati veliku hrabrost misli. U svom izlaganju ukazao sam na nekoliko slučajeva kada smo se, prelazeći na nove razmjere, uvjerili da naše logičke navike, sve naše ideje izgrađene na ograničenom iskustvu, nisu prikladne za nove pojave i nove razmjere. Neophodno je prevazići ovaj konzervativizam zdravog razuma koji je svojstven svakom od nas. Zdrav razum je koncentrisano iskustvo prošlosti; ne može se očekivati da će ovo iskustvo u potpunosti obuhvatiti budućnost. U području nukleusa, više nego u bilo kojem drugom, treba stalno imati na umu mogućnost novih kvalitativnih svojstava i ne bojati ih se. Čini mi se da se upravo tu treba osjetiti snaga dijalektičke metode, lišene ove konzervativnosti metode, koja je i predvidjela cjelokupni tok razvoja moderne fizike. Naravno, pod dijalektičkom metodom ovdje ne mislim na cjelokupnost fraza preuzetih od Engelsa. Ne njegove riječi, već njihovo značenje moramo prenijeti na naš rad; samo jedna dijalektička metoda može nas odvesti naprijed u tako potpuno novoj i naprednoj oblasti kao što je problem kernela.
Zahvaljujući novim metodama registracije radioaktivnosti, postalo je moguće proučavati nove pojave koje ranije nisu bile podložne istraživanju, a posebno pokušati odgovoriti na pitanje kako je uređeno atomsko jezgro. Da bi odgovorio na ovo pitanje, Rutherford je odlučio da iskoristi sudar α-čestica sa jezgrima lakih hemijskih elemenata.
Bombardirajući atome vodika α-česticama, Rutherford je otkrio da se neutralni atomi vodika pretvaraju u pozitivno nabijene čestice. Rutherford je znao da se najlakši atom periodnog sistema, vodonik, sastoji od jezgra s jediničnim pozitivnim nabojem i elektrona. Posljedično, prilikom sudara s atomom vodika, α-čestica se dovoljno približila jezgru vodika i prenijela mu dio energije i impulsa. Rutherford je ove pozitivno nabijene čestice nazvao H atomima. Kasnije je naziv "protoni" postao jači iza njih. Istovremeno, Rutherford je ustanovio da interakcija između α-čestice i jezgra vodika ne poštuje zakon raspršenja α čestica na jezgri zlata koji je ranije otkrio. Kako se α-čestica približava jezgru vodika, sile interakcije između α-čestice i jezgra vodonika naglo su porasle.
E. Rutherford, 1920:“U slučaju atoma s velikim nuklearnim nabojem, čak ni najbrža alfa čestica ne može prodrijeti u samu strukturu jezgra, tako da možemo samo procijeniti njenu maksimalnu veličinu. Međutim, u slučaju lakih atoma, kada je naboj jezgra mali, u direktnom sudaru α-čestica se približava jezgri toliko blizu da možemo procijeniti njenu veličinu i stvoriti neku ideju o silama koje djeluju. To se najbolje vidi u slučaju direktnog sudara α-čestice sa atomom vodika. U ovom slučaju, H-atom se kreće tako brzo da putuje četiri puta dalje od sudarajuće α-čestice, i može se otkriti po scintilacijama koje izaziva na ekranu od cink sulfida... Pokazao sam da te scintilacije zbog atomi vodika koji nose jedinični pozitivan naboj... Odnos između broja i brzine ovih H-atoma je potpuno drugačiji od onog koji bi se očekivao ako posmatramo α-česticu i H-atom kao tačkasti naboj. Kao rezultat sudara sa brzim α-česticama nastaju H-atomi, koji lete skoro istom brzinom u pravcu upadnih α-čestica. Iz ovoga je zaključeno da zakon obrnute proporcionalnosti kvadratu udaljenosti postaje nepravedan kada se jezgra približavaju jedno drugom na udaljenosti manjoj od 3· 10 -13 cm Ovo je indikacija da jezgra imaju dimenzije ovog reda veličine i da se sile između jezgara vrlo brzo mijenjaju po veličini i smjeru na udaljenostima uporedivim sa uobičajeno prihvaćenim dimenzijama prečnika elektrona. Istaknuto je da se u tako bliskim sudarima između jezgara razvijaju ogromne sile i da struktura jezgara može pretrpjeti znatne deformacije tokom sudara. Činjenica da jezgro helijuma, za koje se može pretpostaviti da se sastoji od četiri H atoma i dva elektrona, preživi ovaj sudar ukazuje na ekstremnu stabilnost njegove strukture.
Kao rezultat proučavanja interakcije α-čestica sa atomima vodonika, otkriven je proton, jezgro atoma vodika. Rutherford je nastavio eksperimente o interakciji α-čestica sa svjetlosnim atomima i 1919. otkrio da kada se atomi dušika ozrače α-česticama, protoni izlete iz atoma. Stoga su protoni dio atomskih jezgara. Ali u isto vrijeme, pod djelovanjem α-čestica, trebala je doći do promjene u jezgri atoma dušika. Njegov naboj bi se trebao smanjiti za jedan - jezgro dušika bi se trebalo pretvoriti u jezgro kisika.
Po prvi put, Rutherford je učinio ono što alhemičari vekovima nisu mogli - veštački je pretvorio jedan hemijski element u drugi.
U narednih nekoliko godina, Rutherford i njegovi učenici izveli su umjetnu transformaciju oko deset lakih kemijskih elemenata - bora, fluora, litijuma, natrijuma, fosfora i drugih.
E. Rutherford: „Atomi nekoliko lakih elemenata bili su podložni bombardovanju veoma velikim brojem α-čestica. Izvodeći ove eksperimente, 1919. godine dobio sam eksperimentalne dokaze da se mali broj atoma dušika, kada su bombardirani, raspada, emitirajući brza jezgra vodika, danas poznata kao protoni...
Samo jedna alfa čestica od 50.000 priđe dovoljno blizu jezgru da bi je uhvatila...
U ranijim člancima, lok. cit., opisao sam pojave koje se dešavaju u bliskim sudarima brzih a-čestica sa lakim atomima materije, kako bih utvrdio da li jezgra određenih lakih atoma možda neće biti podvrgnuta raspadanju pod uticajem ogromnih sila koje se razvijaju. u tako bliskim sudarima. U ovim člancima je dat dokaz da prolaskom α-čestica kroz suvi azot nastaju brze čestice, koje po sjaju scintilacije i opsegu prodiranja atoma vodonika pokreću pod uticajem sudara sa α česticama, veoma podsećaju. Nadalje je pokazano da se ovi brzi atomi, koji se pojavljuju samo u suhom dušiku, a ne u kisiku ili ugljičnoj kiselini, ne mogu pripisati prisutnosti vodene pare ili druge tvari koja sadrži vodik, već da moraju nastati sudarom α- čestice sa atomima azota...
U prethodnom radu sam pokazao da čestice velikog dometa uočene u suvom vazduhu i čistom azotu moraju poticati od samih atoma azota. Stoga je jasno da se neki od atoma dušika uništavaju u sudarima s brzim alfa česticama, te da u ovom slučaju nastaju brzi pozitivno nabijeni atomi vodika. Iz ovoga moramo zaključiti da je nabijeni atom vodika jedna od komponenti jezgra dušika.
14 N(α,p) 17 O
H-zraci. Od korpuskularnih zraka koji nastaju sudarom α-zraka sa svjetlosnim atomima, najviše su proučavani zraci vodika, jer imaju najveću prodornu moć. Ove zrake formiraju atomi vodonika koji su izgubili svoj elektron, tj. protona. Označeni su simbolom H... Za posmatranje H-zraka, prvo su iskoristili svoje zajedničko svojstvo sa α-zracima da izazovu scintilacije na ekranu sa cink sulfidom... Kao izvor H-zraka, umesto vodonika, možete koristiti supstancu bogatu vodikom, na primjer, parafin, u obliku vrlo tankog filma, obično postavljenog direktno na izvor.
M. Curie. „Radioaktivnost. Zraci vodika i drugih svjetlosnih atoma.
Punivši komoru dušikom, Rutherford je primijetio da pri određenom pritisku većina scintilacije nestaje. To se dešava kada α-zraci koje emituje radioaktivni izvor potroše svu svoju energiju na jonizaciju vazduha i ne dospeju do ekrana. Ali preostale scintilacije su ukazivale na prisustvo vrlo malog broja H-zraka sa rasponom nekoliko puta većim od onog koje emituje izvor. Ako se umjesto dušika uzme drugi plin, poput ugljičnog dioksida ili kisika, tada se takve zaostale scintilacije ne pojavljuju. Jedino objašnjenje je da dolaze iz azota. Budući da je energija zaostalih H-zraka veća od primarnih, oni se mogu pojaviti samo zbog raspadanja jezgra atoma dušika. Time je dokazana razgradnja dušika i problem alhemije temeljno riješen.
P.L. Kapitsa. "Sjećanja profesora E. Rutherforda"
1919. E. Rutherford. Nuklearna reakcija. 14 N(α,p) 17 O
Fotografija tragova α-čestica u azotu u komori oblaka.
Otkriće radioaktivnog raspada atoma oživjelo je alkemijsku ideju o transformaciji jednog elementa u drugi. Do 1930. decenijama su izvođeni brojni eksperimenti ove vrste, posebno pomoću naponskog luka. Ali ove imaginarne transformacije nisu odolele kritici. Transformacija se postiže, kao što sada znamo, samo koncentriranjem potrebne količine energije na jedan atom bombardiranjem drugim atomima ili γ-kvantima. Ali čak i sa ovim eksperimentima na početku (1907) bilo je pogrešnih rezultata. Prvu pravu umjetnu transformaciju atoma ostvario je 1919. Rutherford. On je ozračio dušik α-česticama i dobio protone velikog dometa. Fotografije ovog fenomena u komori oblaka koje je snimio P. Blackett jasno pokazuju, uz dugi trag protona, i kratak trag izotopa kiseonika atomske težine 17 koji je nastao pored njega.U periodu od 1921. 1924, Rutherford i Chadwick su uspjeli dokazati postojanje ove reakcije - apsorpcije α-čestice i emisije protona - također za sve elemente od bora (redni broj 5) do kalija (redni broj 19), s izuzetkom ugljenik i kiseonik. Osim protona, ove reakcije stalno proizvode element koji je sljedeći po redu u periodnom sistemu.
M. Laue "Historija fizike"
Otkrivši protone u sastavu atomskog jezgra, Rutherford je predložio protonsko-elektronski model jezgra. Protoni su određivali masu atomskog jezgra, a elektroni su djelomično kompenzirali električni naboj protona, što je dovelo do željene vrijednosti nuklearnog naboja. Tako se, na primjer, vjerovalo da se jezgro, koje ima naboj od +2e, sastoji od 4 protona i 2 elektrona. Važan argument u prilog protonsko-elektronskom modelu bio je β - raspad atomskih jezgara. Ovaj fenomen bi se lako mogao objasniti ako uzmemo u obzir da su elektroni dio atomskog jezgra. Protonsko-elektronski model jezgra naišao je na određene zamjerke, od kojih je glavna bila da ne može objasniti značaj spinova atomskih jezgara. Međutim, postojao je do otkrića neutrona 1932. godine.
E. Rutherford, 1920:“Iz proučavanja radioaktivnosti poznato je da su jezgra radioaktivnih elemenata dijelom sastavljena od jezgara helijuma sa nabojem od 2e. Osim toga, imamo ozbiljne osnove da vjerujemo da jezgra atoma, uz pozitivno nabijene čestice, sadrže i elektrone, te da pozitivni naboj jezgra odgovara višku ukupnog pozitivnog naboja nad negativnim. Zanimljivo je primijetiti potpuno drugačiju ulogu koju imaju elektroni izvan atoma i unutar njega. U prvom slučaju, oni se nalaze na udaljenosti od jezgra, što je nesumnjivo određeno uglavnom nabojem jezgra i interakcijom njihovih vlastitih polja. Unutar jezgra, elektroni stvaraju vrlo blisku i jaku vezu s pozitivno nabijenim jedinicama, a, koliko znamo, izvan jezgra su u nestabilnom stanju. Svaki spoljašnji elektron nesumnjivo interaguje sa jezgrom kao tačkasti naboj, dok se isto ne može reći za unutrašnji elektron. Očigledno, unutrašnji elektroni pod uticajem ogromnih sila su snažno deformisani, a sile u ovom slučaju mogu biti potpuno drugačije od onih sila koje se mogu očekivati od nedeformisanog elektrona, kao, na primer, izvan jezgra. Možda zato elektron može igrati tako različitu ulogu u ova dva slučaja i čak formirati stabilne sisteme.
Diskusija o strukturi atomskog jezgra. U februaru 1929. održana je rasprava u Kraljevskom društvu u Londonu o strukturi atomskog jezgra. Ispod su skraćeni govori E. Rutherforda, J. Chadwicka i R. Fowlera.
E. Rutherford:
“Sada već možemo stvoriti sliku postepene izgradnje atomskih jezgara. Vjerovatno se u lakim elementima jezgro sastoji od kombinacije α-čestica, protona i elektrona, a razdvajanje dijelova jezgra snažno se privlače, dijelom zbog poremećaja, dijelom zbog magnetskih sila. Za sada možemo samo da gradimo ovu ili onu pretpostavku o prirodi ovih sila. Prije svega, formira se visoko koncentrirana i čvrsto vezana jezgra, a ovaj proces je praćen emisijom energije. Za atomsku težinu od približno 120, imamo najmanju masu, što znači najbližu vezu. Sa daljim povećanjem atomskog broja, dodane čestice su vezane sve manje i manje čvrsto.
Dakle, može se pretpostaviti da jezgro ima vrlo gustu strukturu blizu centra, a gustoća se postepeno smanjuje s udaljenosti od centra. Ceo ovaj sistem je okružen barijerom sile, koja obično sprečava izlazak α-čestica. Možda se ova statična tačka gledišta ne sviđa mojim prijateljima teoretima koji bi željeli dati α-čestici potpunu slobodu kretanja unutar jezgra. Ipak, ovo gledište je sasvim legitimno i u potpunosti se slaže sa idejama koje sam iznio. Drugim riječima, ako bismo mogli napraviti snimak iz kernela - sa brzinom zatvarača od oko 10 -28
sekundi, - vidjeli bismo u centru, takoreći, gusto zbijene, čvrsto vezane α-čestice, a gustina bi se smanjivala sa povećanjem udaljenosti od centra. Bez sumnje, sve α čestice su u pokretu, a njihovi talasi se odbijaju od barijera sile, a ponekad prodiru i izvan sistema. Čini mi se da je stanovište koje sam razvio sasvim opravdano i nadam se da će naši teoretski prijatelji moći detaljnije opisati cijelu sliku. Ne samo da moramo objasniti konstrukciju jezgra od α-čestica, već moramo pronaći i mjesto za elektrone, a nije tako lako zaključati elektrone u jedan kavez sa α-česticom. Međutim, toliko sam uvjeren u domišljatost naših teorijskih prijatelja da čvrsto vjerujem da će oni nekako prevladati ovu poteškoću.
Tačka gledišta koju sam izneo objašnjava, čini mi se, zašto atomi teškog uranijuma ne mogu postojati. Kako se masa povećavala, jezgro bi dobivalo sve više energije i postajalo toliko radioaktivno da bi nestalo. Očigledno, što su jezgra imala više energije, to bi prije nestala, a vjerovatno nije slučajno da su uranijum i torijum jedini preživeli predstavnici teških jezgara. Ovo nije mjesto da se dotaknemo vrlo spekulativnog pitanja o tome kako su jezgra elemenata nastala. Prije nego što se pozabavimo ovim pitanjem, moramo znati mnogo više o detaljima strukture samog jezgra.”
J. Chadwick: “Kada su određeni elementi bombardirani α-česticama, jezgra vodika ili protoni se izbacuju iz njih, što se može otkriti scintilacijom koju izazivaju na ekranu od cink sulfida. Ovi protoni nastaju zbog vještačke razgradnje jezgara ovih elemenata. Vjerujemo da do raspadanja jezgra dolazi kada α-čestica prodre u jezgro i tamo se zadrži, uslijed čega proton izleti van. Vjerovatnoća raspadanja je mala; tako, na primjer, u povoljnom slučaju kada se azot bombarduje, 20 jezgara se razgradi na svakih 10 6 α-čestice. Zbog rijetkosti ovog efekta, ali i zbog raznih eksperimentalnih poteškoća, podaci koje smo do sada dobili su još uvijek prilično oskudni. Sa izuzetkom ugljenika i kiseonika, svi elementi od bora do uključujući kalijum se razlažu kada su bombardovani α-česticama i emituju proton sa značajnom energijom. To znači da jezgra svih ovih elemenata sadrže protone. Ugljik i kisik, ako se uopće raspadaju, ne emituju čestice s energijom većom od energije raspršenih α-čestica. Moguće je da se razlažu u jezgra helijuma, ali za to još nema dokaza. Neki protoni koji se oslobađaju tokom vještačke razgradnje imaju vrlo visoke energije, na primjer, energija protona izbijenih iz aluminija α-česticama radijuma G je 40% veća od energije udarnih α-čestica. Tako se u nekim slučajevima energija oslobađa tokom raspadanja. Postoji drastična razlika u ponašanju parnih i neparnih elemenata atomskog broja. Protoni koji se emituju iz neparnih elemenata imaju mnogo veću maksimalnu energiju od protona iz parnih elemenata. U dekompoziciji koja se sastoji samo od hvatanja α-čestice i emisije protona, element s neparnim brojem prelazi u element s parnim brojem, i obrnuto. Uzimajući u obzir različito ponašanje parnih i neparnih elemenata, kao i njihovu uporednu zastupljenost u prirodi i njihove atomske mase, može se zaključiti da su parni elementi stabilniji od neparnih.
R. Fowler:
“Želio bih da vam objasnim kako nam nova kvantna teorija može pomoći u raspravi o strukturi i svojstvima jezgra. Ovo pitanje je već izneo predsedavajući u svom uvodnom obraćanju. Voleo bih da ga malo razvijem. Prva stvar koju treba imati na umu je da je nova kvantna mehanika evoluirala na logičan način, zasnovana na svojstvima elektrona u atomima. Moramo pretpostaviti da čestice imaju mnoga svojstva talasa. Da li ćemo ih nazvati česticama ili talasima, stvar je ukusa, a izbor naziva najverovatnije zavisi u svakom pojedinačnom slučaju od njihovog stanja. Budući da su čestice poput valova, treba očekivati, na primjer, da se neće uvijek odbijati od barijera određene visine. Oni mogu proći kroz barijeru, naravno, samo u nekim slučajevima..
Činjenica da čestice mogu proći kroz takvu barijeru je veoma važna za objašnjenje fenomena emisije α-čestica iz teških jezgara.
Ako zamislimo jezgro kao što smo već danas rekli, u obliku neke male kutije, okružene sa svih strana (u tri dimenzije) barijerom sile, onda možemo pretpostaviti da se unutar njega nalazi α-čestica, koja mora zamisliti kao val, čija je energija manja od potencijalne energije gornjeg dijela barijere. Prema klasičnoj teoriji, α-čestica će zauvijek ostati unutar barijere. Ali prema kvantnoj teoriji, postoji konačna vjerovatnoća da će val proći kroz tanki zid i otići u beskonačnost. Ova ideja leži u osnovi kvantne teorije emisije alfa-čestica. Ovu ideju su nezavisno izrazili Gamow, s jedne strane, i Gurney i Condon, s druge strane. Svi su je, a posebno Gamow, razradili do detalja.
Kada α-čestica prođe kroz barijeru, naravno, više se ne može identifikovati sa stajaćim talasom. Biće ispravno predstaviti α-česticu kao prigušenu oscilaciju. Imaćemo prigušenu oscilaciju unutar barijere, tj. harmonijska oscilacija sa običnim koeficijentom prigušenja, a izvan vrlo slab val koji odgovara emisiji α čestice. Zapravo, ovaj problem se može vrlo dobro riješiti, a koeficijent prigušenja se dobija u obliku imaginarnog dijela energije. To je sa velikim uspjehom uradio Gamow.
Otkrio je da za ove proračune nije bitno kakav izgled pretpostavljate za unutrašnjost barijere. Ali njegov glavni vanjski dio je dobro poznat iz eksperimenata na raspršivanju α-čestica.
Vjerovatnoća da će α-čestica prodreti kroz barijeru jako ovisi o energiji α-čestice. Što je njegova energija veća, to je barijera koju mora proći tanja, a visina je manja. Dakle, očigledno postoji vrlo bliska veza između energije alfa čestice, o kojoj sudimo na osnovu energije emitovane alfa čestice, i između verovatnoće da ova alfa čestica izađe, o kojoj sudimo na osnovu životnog veka atom. Ovo je Geiger-Nettol zakon.
U zaključku, reći ću da je ovo vrlo lijepa teorija, i da možemo biti potpuno sigurni "da je tačna generalno. Velika zasluga ove teorije je što daje Geiger-Nettolov zakon potpuno neovisno o detaljima strukture jezgra."
Kako su se pojavljivali novi eksperimentalni podaci o spinovima i magnetnim momentima atomskih jezgara, poteškoće protonsko-elektronskog modela u opisivanju ovih karakteristika atomskih jezgara su rasle. To je posebno došlo do izražaja u takozvanoj "azotnoj katastrofi". Njegova suština je bila sljedeća. Prema protonsko-elektronskom modelu, jezgro od 14 N trebalo bi da se sastoji od 14 protona i 7 elektrona. Budući da i proton i elektron imaju sopstvenu vrijednost spina J = 1/2, ukupni spin jezgra od 14 N mora imati polucijeli broj, dok je eksperimentalno izmjerena vrijednost nuklearnog spina J(14 N) = 1 Bilo je i drugih primjera neslaganja u predviđanjima proton-elektronskog modela jezgra sa rezultatima eksperimenta. Na primjer, sva atomska jezgra s parnim masenim brojem A imala su nultu ili cjelobrojnu vrijednost spina J, dok je protonsko-elektronski model jezgra u većini slučajeva predviđao polucijelu vrijednost spina. Izmjerene vrijednosti magnetnih momenata jezgara su se pokazale gotovo 1000 puta manje od predviđenih protonsko-elektronskim modelom jezgra. Postalo je jasno da protonsko-elektronski model jezgra sadrži neku vrstu netačne komponente. Određene neugodnosti stvarali su elektroni smješteni u ograničenom volumenu atomskog jezgra. Ograničenje elektrona u jezgru je u suprotnosti sa principom nesigurnosti ΔpΔx = ć.
E. Rutherford, 1932: “Stvar se čini kao da se elektron unutar jezgra ponaša sasvim drugačije od elektrona na periferiji atoma. Ovu poteškoću možemo stvoriti sami, jer mi se čini vjerovatnijim da elektron ne može postojati u slobodnom stanju u stabilnom jezgru, već uvijek mora biti povezan s protonom ili drugom mogućom masivnom jedinicom. S tim u vezi, izvanredne su indikacije o postojanju neutrona u određenim jezgrima. Beckovo zapažanje da se elektroni dodaju u parovima u konstrukciji teških elemenata od lakih je od velikog interesa i sugerira da je za formiranje stabilnog jezgra bitno neutralizirati veliki magnetni moment elektrona dodavanjem drugog elektrona. Također je moguće da su nenabijene jedinice mase 2 i neutroni mase 1 sekundarne jedinice u strukturi jezgra.”
Kao što su kasniji događaji pokazali, Rutherfordova ideja da se može formirati čvrsto vezano stanje protona i elektrona bila je pogrešna. Ipak, odigrao je odlučujuću ulogu u otkriću neutrona. Godine 1930-1932. Bothe i Becker su otkrili da kada se berilijum Be ozrači α-česticama, nastaje snažno prodorno neutralno zračenje. Sva do sada otkrivena zračenja snažno su apsorbovana od strane tankih slojeva olova, dok je zračenje berilijuma slobodno prolazilo kroz debeli olovni štit. Postojala je sumnja da se radi o novoj vrsti elektromagnetnog zračenja.
Odlučujući eksperiment izveo je 1932. Rutherfordov učenik Chadwick. Koristeći jonizacijsku komoru, izmjerio je energiju trzanja jezgri vodika i dušika pod djelovanjem neutralnog zračenja iz berilija i pokazao da je kao rezultat reakcije
formiraju se brze neutralne čestice mase približno jednake masi atoma vodika. Ove čestice, koje se nazivaju neutroni, nemaju električni naboj i slobodno prolaze kroz atome bez stvaranja jonizacije na svom putu.
J. Chadwick, 1932:
“Nedavno je otkriveno da je razgradnja elemenata berilija i bora od posebnog interesa. Bothe i Becker su otkrili da ovi elementi, bombardirani polonijumskim alfa česticama, emituju prodorno zračenje, očigledno γ tipa. Prije nekoliko mjeseci, I. Curie-Joliot i F. Joliot napravili su upečatljiva zapažanja pokazujući da ovo zračenje ima svojstvo izbacivanja protona velikim brzinama iz supstance koja sadrži vodonik. Otkrili su da protoni koje emituje berilijumsko zračenje imaju brzine do 3∙10 9
cm/sec. Curie i Joliot su sugerirali da se ovo izbacivanje protona događa zbog procesa sličnog Comptonovom efektu i došli su do zaključka da berilijumsko zračenje ima kvant sa energijom od oko 50 miliona volt-elektrona. Prihvatanje ove pretpostavke izaziva dvije ozbiljne poteškoće. Prvo, poznato je da je raspršivanje kvanta elektronom dobro opisano Klein-Nishin formulom, i nema razloga za pretpostavku da slični odnosi neće biti ispravni za raspršenje protona. Uočeno rasipanje je, međutim, preveliko u poređenju sa onim datim Klajn-Nišina formulom. Drugo, teško je razumjeti emisiju kvanta tako visoke energije tokom transformacije 9
Be+ 4
Ne → 13
C + kvantni. Stoga sam proučavao svojstva ovog zračenja koristeći poseban brojač. Utvrđeno je da zračenje emituje čestice ne samo iz vodonika, već i iz helijuma, litijuma, berilijuma itd., a vjerovatno i iz svih elemenata. U svim slučajevima, čini se da su čestice povratni atomi elementa. Očigledno je nemoguće pripisati izbacivanje ovih povratnih čestica sudaru s kvantom zračenja ako se energija i zamah očuvaju pri udaru.
Zadovoljavajuće objašnjenje eksperimentalnih rezultata može se dobiti uz pretpostavku da se zračenje ne sastoji od kvanta, već od čestica mase 1 i naboja 0 - neutrona. U slučaju dva elementa, vodonika i azota, opseg atoma trzanja je izmeren sa visokim stepenom tačnosti i iz toga su izvedene njihove maksimalne brzine. Oni su bili 3,3∙10 9
cm/sec i 4,7∙10 8
cm/sec. Neka su M, V masa i brzina čestica koje čine zračenje. Tada će maksimalna brzina koja se može izvesti u sudaru s jezgrom vodika biti:
a za azot:
odavde:
,
Unutar eksperimentalnih grešaka, M se može uzeti kao 1 i stoga:
V = 3,3∙10 9 cm/sec.
Pošto zračenje ima izuzetno veliku prodornu moć, čestice moraju imati vrlo mali naboj u poređenju sa nabojem elektrona. Pretpostavlja se da je ovaj naboj 0 i možemo pretpostaviti da se neutron sastoji od protona i elektrona u vrlo bliskoj kombinaciji.
Dostupne činjenice snažno podržavaju neutronsku hipotezu. U slučaju berilija, proces transformacije koji dovodi do emisije neutrona je 9
Budite + 4
On → 12
C + neutron. Može se pokazati da su zapažanja u skladu sa energetskim odnosima u ovom procesu. U slučaju bora, proces transformacije je vjerovatno 11
B+ 4
Ne → N 14
+
1
n; u ovom slučaju mase B 11
, N 4
e i 14
N su poznati iz Astonovih mjerenja, kinetička energija čestica se može pronaći eksperimentalno, pa je stoga moguće dobiti bližu procjenu mase neutrona. Dobijena masa je 1,0067. Uzimajući u obzir grešku u mjerenju mase, treba misliti da masa neutrona vjerovatno leži između 1,005 i 1,008. Ove vrijednosti podržavaju gledište da je neutron kombinacija protona i elektrona i daje energiju vezivanja čestice oko 1-2∙10 6
volt∙elektrona.
Neutron se može zamisliti kao mali dipol, ili možda bolje kao proton ugrađen u elektron. Na ovaj ili onaj način, "radijus" neutrona će biti između 10 -13
cm i 10 -12
vidi Polje neutrona mora biti vrlo malo, osim na vrlo malim udaljenostima, a neutroni koji prolaze kroz materiju neće biti pogođeni, osim kada direktno padnu u atomsko jezgro. Merenja prolaska neutrona kroz materiju daju rezultate koji se generalno slažu sa ovim stavovima.Sudar neutrona sa jezgrima azota proučavao je dr Feather, koji je koristio automatsku komoru za oblake. Otkrio je da pored normalnih tragova atoma azota, postoji niz grananja. To je posljedica raspadanja dušikovog jezgra. U nekim slučajevima, neutron se hvata, alfa čestica se emituje i formira se B jezgro. 11
. U drugim slučajevima mehanizam još nije sa sigurnošću poznat"
1932 J. Chadwick. Otkriće neutrona
 |
 James Chadwick (1891 - 1974) |
“Jednog jutra pročitao sam pismo od Joliot-Curiea u Comptes Rendus, u kojem je govorio o još nevjerovatnijem svojstvu zračenja iz berilijuma, izuzetno nevjerovatnom svojstvu. Nekoliko minuta kasnije [Norman] Feather, koliko i ja bio iznenađen, ušao je u moju sobu da mi skrene pažnju na ovaj članak. Nešto kasnije tog jutra, ispričao sam Rutherfordu za nju. Po davno ustaljenoj tradiciji, morao sam da dođem kod njega oko 11 sati i javim zanimljive vesti, kao i da razgovaram o stanju rada u našoj laboratoriji. Dok sam govorio o Joliot-Curiejevim zapažanjima i njihovom tumačenju, primijetio sam Rutherfordovo rastuće čuđenje; Konačno se začula eksplozija: "Ne vjerujem!" Ovako netolerantna primjedba apsolutno nije bila u duhu Rutherforda, za sve godine saradnje sa njim, ne pamtim takav slučaj. Ovo spominjem samo da naglasim naelektrizirajući učinak Joliot-Curiejevog članka. Naravno, Rutherford je bio svjestan da će morati vjerovati ovim zapažanjima, ali njihovo objašnjenje je sasvim druga stvar.
Desilo se da sam baš bio spreman za početak eksperimenta, za koji sam pripremio odličan izvor polonijuma iz baltimorskog materijala (koristeći radonsku cijev koju je vratio Feather). Počeo sam bez ikakvih predrasuda, iako su mi se, naravno, misli vrtele oko neutrona. Bio sam sasvim siguran da se Joliot-Curiejeva zapažanja ne mogu svesti na učinak Comptonovog tipa, jer sam ga više puta pokušavao otkriti. Bez sumnje, bilo je to nešto sasvim novo i neobično. Nekoliko dana napornog rada bilo je dovoljno da se pokaže da su ovi čudni efekti uzrokovani neutralnom česticom; Čak sam uspio izmjeriti njegovu masu. Neutron, koji je Rutherford postulirao 1920. godine, konačno je postao poznat.”
1935 - J. Chadwick
Za otkriće neutrona
Neutroni
J. Chadwick
Bothe i Becker su pokazali da neki laki elementi, pod uticajem bombardovanja polonijum alfa česticama, emituju zračenje koje naizgled ima karakter γ zraka. Element berilij proizvodi posebno uočljiv efekat ove vrste, a kasnija zapažanja Botheta, Irene Curie-Joliot i Webstera pokazala su da zračenje pobuđeno u beriliju ima prodornu moć mnogo veću od bilo kojeg od do sada poznatih γ-zračenja radioaktivnih elemenata.
Nedavno su I. Curie-Joliot i F. Joliot napravili zapanjujuće zapažanje da su ova zračenja berilijuma i bora sposobna da izbace protone velikom brzinom iz supstanci koje sadrže vodonik.
Kao posljedicu toga, postavio sam daljnje eksperimente s ciljem istraživanja svojstava zračenja berilijuma. Ovi eksperimenti su pokazali da berilijumsko zračenje izbacuje čestice ne samo iz vodonika, već i iz svih proučavanih lakih elemenata. Pokazalo se da je eksperimentalne rezultate vrlo teško objasniti sa stanovišta hipoteze o kvantnoj prirodi berilijumskog zračenja, ali su ovi rezultati uslijedili kao neposredne posljedice, ako pretpostavimo da se berilijumsko zračenje sastoji od čestica čija je masa približno jednaka od protona i bez efektivnog naboja, odnosno - od neutrona.
Pojava neutrona do sada je uočena samo kada su određeni elementi bombardirani alfa česticama. Ovaj proces se može predstaviti kao hvatanje α-čestice atomskim jezgrom, praćeno stvaranjem novog jezgra i oslobađanjem neutrona. Novo jezgro tada mora imati naboj od dvije jedinice i masu za tri jedinice veću od originalnog jezgra. "Prinos" neutrona je veoma mali i uporediv je sa "prinosom" protona tokom veštačke transformacije elemenata, koja nastaje pod dejstvom bombardovanja α-česticama. Berilijum ima najveći efekat, sa "prinosom" naizgled čak 30 neutrona na svaki milion polonijum alfa čestica koje bombarduju debeli sloj berilijuma.
Podvrgavajući razne supstance bombardovanju polonijum alfa česticama, Bothe i Becker su otkrili da u tim uslovima neki laki atomi emituju slabo zračenje, čija prodorna moć premašuje prodornu moć najtvrđegγ -zraci koje emituju radioaktivni elementi (1930). U početku se ovaj fenomen objašnjavao emisijomγ -zrake zbog ekscitacije jezgara, što može biti praćeno hvatanjem α-čestice. Ovaj efekat je posebno jak za berilij, ali se u manjoj meri primećuje i za Li, B, F, Na, Mg i Al. Koristeći metodu jonizacije, I. Curie i F. Joliot otkrili su novo svojstvo prodornih zraka koje emituju berilijum ili bor. Ispostavilo se da ovi zraci mogu izbaciti laka jezgra, na primjer, protone iz tvari koje sadrže jezgra vodika ili helijuma (1932). Ovo osnovno svojstvo novootkrivenog zračenja razlog je njegove apsorpcije... Postojanje fenomena izbacivanja svjetlosnih atoma potvrđeno je Wilsonovom metodom... da su zraci koji izazivaju izbacivanje svjetlosnih elemenataγ -grede.
Chadwick je pokazao da se ovaj fenomen može na zadovoljavajući način objasniti pretpostavkom da u prodornom zračenju koje emituju Be ili B postoje neutroni - čestice atomske mase blizu jedinice i nultog naboja, koje se mogu sastojati od protona i elektrona koji su čvršće povezani. nego u atomu vodonika... Neutroni su nova vrsta korpuskularnog zračenja.
M. Curie. „Radioaktivnost. Pobuđivanje prodornih zraka u svjetlosnim atomima pri sudaru s α-česticama.
D. Ivanenko, 1932:“Objašnjenje dr. J. Chadwicka misteriozne radijacije berilijuma veoma je privlačno teoretskim fizičarima. Postavlja se pitanje: zar nije moguće pretpostaviti da i neutroni igraju važnu ulogu u strukturi jezgara, s obzirom da su svi nuklearni elektroni "upakovani" ili u α-čestice ili u neutrone? Naravno, odsustvo teorije jezgara čini ovu pretpostavku daleko od konačne, ali možda neće izgledati tako nevjerojatno ako se sjetimo da elektroni, prodirući u jezgra, značajno mijenjaju svoja svojstva - gube, da tako kažem, svoju individualnost, na primjer njegov spin i magnetni moment.
Najveći interes je pitanje koliko se neutroni mogu smatrati elementarnim česticama (nešto slično protonima ili elektronima). Nije teško izbrojati broj α-čestica, protona i neutrona prisutnih u svakom jezgru i tako dobiti ideju o ugaonom momentu jezgra (pod pretpostavkom da je ugaoni moment neutrona jednak 1/2) . Zanimljivo je da u jezgrima berilija nema slobodnih protona, već samo α-čestica i neutrona.
Slobodni neutron je nestabilna čestica. Njegovo poluvrijeme je T 1/2 = 10,24 min. Neutron se raspada na proton p, elektron e i elektronski antineutrino e. U vezanom stanju u jezgru, neutron može biti stabilan. Jer postoje stabilna atomska jezgra.
Otkriće neutrona bilo je važan korak u razvoju ideja o strukturi atomskog jezgra. Protonsko-elektronski model atomskog jezgra zamijenjen je protonsko-neutronskim modelom jezgra, koji je prvi put samostalno razvijen u radovima D. Ivanenka, V. Heisenberga.
Glavna pozicija proton-neutronskog modela atomskog jezgra - atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona. Broj protona Z u jezgru određuje električni naboj jezgra. Ukupan broj protona i neutrona A = Z + N određuje masu atomskog jezgra.
Proton-neutronski model jezgra uspješno je riješio problem "azotne katastrofe". Prema proton-neutronskom modelu jezgra, izotop se sastoji od 7 protona i 7 neutrona. Pošto i proton i neutron imaju svoj spin J = 1/2, ukupni spin jezgra mora imati cjelobrojnu vrijednost, što se slaže s eksperimentom. Objašnjene su i male vrijednosti magnetnih momenata atomskih jezgri, reda veličine nekoliko nuklearnih magnetona. Ako bi elektroni bili uključeni u sastav atomskog jezgra, tada bi magnetni momenti jezgara trebali imati vrijednosti reda elektronskih Bohrovih magnetona, tj. bi hiljadama puta premašio uočene vrijednosti magnetnih momenata jezgara.
D. Ivanenko, 1932: “Neutroni se mogu uvesti u jezgro na dva načina: ili bez promjene prihvaćenog broja α-čestica u jezgru i neutralizirajući najviše tri elektrona (Perrin i Auger), ili neutralizacijom svih elektrona. Prva metoda, po mom mišljenju, dovodi do istih poteškoća u pogledu vrijednosti spina. Štaviše, počevši od određenog elementa, nastaje višak intranuklearnih elektrona, a odsustvo odgovarajućih spinova u jezgrama izgleda krajnje misteriozno. Naprotiv, drugi pristup, koji smo mi nešto ranije predložili, očigledno nam omogućava da prevaziđemo ove poteškoće. Nećemo ovdje ulaziti u opće rasprave o prednostima ovog pristupa kao generalizacije de Broglieove ideje o postojanju duboke analogije između svjetlosti i materije; intranuklearni elektroni su zaista u mnogim aspektima analogni apsorbovanim fotonima, a emisija β-čestice od strane jezgra je slična rađanju nove čestice, koja u apsorbovanom stanju nema individualnost. Naznačavamo strukturu jezgra hlora prema starom (I) gledištu i dva nova - Perrin-Auger (II) i našem (III) [α označava α-česticu, p je proton, e je elektron, n je neutron]:
37Cl = 9α + 1p + 2e (I) , 37Cl = 9α + 1n + 1e (II) , 37Cl = 8α + 1p + 4n (III).
(izotopi datog elementa razlikuju se jedni od drugih samo po broju neutrona).
Neutron ne posmatramo kao sistem elektrona i protona, već kao elementarnu česticu. Ovo nas primorava da tumačimo neutrone kao čestice sa spinom 1/2 i podložne Fermi-Dirac statistici. Na primjer, kernel 14
N (3α + 1p + 1n) treba dodijeliti spin od 1, a jezgra dušika se povinuju Bose-Einstein statistici. Ovo je sada razumljivo, pošto 14
N sadrži 14 elementarnih čestica, tj. paran broj, a ne 21 kao u staroj šemi.
Čini se da sve ove pretpostavke, koliko god bile preliminarne, vode do potpuno novih pogleda na model jezgara.
W. Heisenberg, 1932:
“Kurijev i Džoliotov eksperiment (kako ih je tumačio Chadwick) utvrdili su da nova fundamentalna čestica, neutron, igra važnu ulogu u strukturi jezgara. Ovo sugerira da su atomska jezgra građena od protona i neutrona bez sudjelovanja elektrona. Ako je ova pretpostavka tačna, onda to podrazumijeva veliko pojednostavljenje teorije strukture jezgara. Glavne poteškoće u teoriji β-raspada i statistici atomskih jezgara dušika svode se na pitanje kako se neutron raspada na proton i elektron i kojoj statistici se povinuje. Tada se struktura jezgara može opisati prema zakonima kvantne mehanike zbog interakcije između protona i neutrona.
U nastavku ćemo pretpostaviti da se neutroni povinuju Fermijevoj statistici i da imaju spin (1/2). Ova pretpostavka je neophodna za objašnjenje statistike jezgri dušika i odgovara eksperimentalnim vrijednostima nuklearnih momenata. Ako se neutron sastoji od protona i elektrona, onda bi elektron morao biti pripisan Bose statistici i nultom spinu. Čini se neprikladnim detaljnije razmatrati takvu sliku.
Umjesto toga, neutron treba smatrati nezavisnom fundamentalnom komponentom jezgra, naravno, s obzirom na to da se pod određenim uvjetima može raspasti na proton i elektron, i, najvjerovatnije, zakoni održanja energije i impulsa neće se održati. .
Od svih interakcija elementarnih čestica koje čine jezgro, prije svega ćemo razmotriti interakciju između neutrona i protona. Kada se neutron i proton približavaju na udaljenosti koja je usporediva s nuklearnom, po analogiji s ionom, mjesto negativnog naboja se mijenja frekvencijom određenom funkcijom J(r)/h, gdje je r udaljenost između čestice. Vrijednost J(r) odgovara integralu razmjene, odnosno integralu koji opisuje razmjenu koordinata u molekularnoj teoriji. Ovo preokret mjesta može se vizualizirati idejom elektrona koji nema spin i pokorava se Bose statistici. Ali vjerovatno je ispravnije pretpostaviti da integral J(r) opisuje fundamentalno svojstvo para neutron-proton, koje se ne svodi na pomake elektrona.”
Za razliku od elektronskih omotača atoma, jezgra imaju dobro definirane dimenzije. Radijus jezgra R je opisan relacijom
R = 1,3A 1/3 fm.
Atomska jezgra imaju veliku masu i pozitivan naboj. Dimenzije atomskih jezgara se obično mjere u vansistemskoj jedinici za dužinu, fermi.
1 fermi = 10 -13 cm.
Proton-neutronski model jezgra objasnio je postojanje izotopa. Izotopi su atomska jezgra koja imaju isti broj protona Z i različit broj neutrona N. Danas je poznato više od 3,5 hiljada izotopa. Obično su izotopi prikazani na N-Z dijagramu atomskih jezgara. Maseni broj izotopa A = N + Z.
E. Rutherford, 1936: “Mnogi istraživači naišli su na nevjerovatnu, gotovo nepremostivu poteškoću u razdvajanju određenih radioaktivnih tijela. Soddy se jako zainteresirao za ovaj fenomen i otkrio nekoliko radioaktivnih supstanci koje nije mogao izdvojiti. Ove supstance su bile potpuno različite i imale su karakteristična radioaktivna svojstva, ali se nisu mogle razdvojiti hemijskim postupcima. Također je skrenuo pažnju na činjenicu da u periodnom sistemu nema mjesta čak ni za veliku grupu radioaktivnih elemenata, te sugerirao da postoje elementi koji su s kemijskog gledišta neodvojivi, ali imaju različita svojstva sa stanovišta pogled na radioaktivnost. Soddy je odgovarajuće elemente ove vrste nazvao izotopima i tako je započeo veliko polje istraživanja, čemu je Aston dao ogroman doprinos.
Veličina kernela
Radijalna distribucija gustine naelektrisanja u različitim jezgrima
R = 1,3A 1/3 fm,
t = 4,4a = 2,5 fm.
Veličina jezgra i zakon sila
E. Rutherford, 1924:
“Bieler je metodom raspršenja detaljno proučavao zakon djelovanja sile u blizini svjetlosnog jezgra, odnosno u blizini jezgra aluminija. U tu svrhu, on je uporedio relativni broj α-čestica rasutih unutar istog čvrstog ugla od aluminijuma i zlata. Za ispitivani raspon uglova (do 100°) pretpostavljeno je da rasipanje zlata slijedi zakon inverzne proporcionalnosti kvadratu udaljenosti. Beeler je otkrio da omjer raspršenja u aluminijumu i raspršivanja u zlatu zavisi od brzine α-čestice. Tako je, na primjer, za α-česticu s rasponom od 3,4 cm, dobijen teoretski omjer za uglove manje od 40°, ali se pokazalo da je omjer za prosječni ugao raspršenja od 80° samo 7°/ 0
manje. S druge strane, za brže α-čestice raspona od 6,6 cm, odstupanja od teoretskog omjera su mnogo izraženija i dostižu 29% za ugao od 80°. Da bi objasnio ove rezultate, Beeler je sugerirao da je blizu jezgre aluminija privlačna sila superponirana na uobičajenu silu odbijanja. Rezultati se dobro slažu s pretpostavkom da privlačna sila varira obrnuto s četvrtom potencijom udaljenosti i da su odbojne i privlačne sile uravnotežene na udaljenosti od 3,4 10 -13
cm od centra jezgra. Unutar ovog kritičnog radijusa, sile postaju izuzetno privlačne; spolja - izuzetno odbojna.
Iako ne možemo postavljati posebne zahtjeve u pogledu tačnosti rezultirajuće figure ili rigoroznosti pretpostavljenog zakona privlačne sile, vjerovatno nećemo pogriješiti ako pretpostavimo da polumjer jezgre aluminija ne prelazi 4 10 -13
vidi Zanimljivo je primijetiti da sile interakcije između α-čestice i jezgra vodonika prolaze kroz brzu promjenu, počevši sa približno iste udaljenosti. Dakle, jasno je da su dimenzije jezgra lakih elemenata male, a u slučaju aluminijuma čak se može reći - neočekivano male, ako se prisjetimo da je u ovom neznatnom volumenu smješteno 27 protona i 14 elektrona. Pretpostavka da se sile interakcije između jezgara mijenjaju od odbijanja do privlačenja tokom vrlo bliskog približavanja izgleda vrlo uvjerljivo; Inače, vrlo je teško zamisliti kako bi teško jezgro sa velikim viškom pozitivnog naboja moglo biti sadržano u ograničenom prostoru. Vidjet ćemo da brojne druge činjenice podržavaju ovu ideju; međutim, malo je vjerovatno da se privlačne sile u blizini kompleksnog jezgra mogu izraziti bilo kojim jednostavnim zakonom moći.
Karakteristike slobodnog neutrona i protona
| Karakteristike besplatnog neutrona i protona |
n | str |
| Masa, MeV/c 2 | 939,56536±0,00008 | 938,27203±0,00008 |
| Kvantni broj - spin | 1/2 | 1/2 |
| Spin, ć = 6,58 10 -22 MeV s | ć 1/2 | ć 1/2 |
| električno punjenje, q e = (1,602176487 ± 40) 10 -19 C |
(-0,4 ± 1,1) 10 -21 |
|qp+qe |/qe< 10 -21 |
| magnetni moment, μ = eć/2m p c = 3,15 10 -18 MeV/G |
–1,9130427±0,000005 | +2,792847351 ± 000000028 |
| Električni dipolni moment d, e cm |
< 0.29·10 -25 | < 0.54 10 -23 |
| Barion naboj B | +1 | +1 |
| Radijus punjenja, fm | 0,875 ± 0,007 | |
| Radijus raspodjele magnetskog momenta, fm | 0,89 ± 0,07 | 0,86 ± 0,06 |
| Isospin I | 1/2 | 1/2 |
| Izospin projekcija I z | -1/2 | +1/2 |
| Sastav kvarka | udd | uud |
| Kvantni brojevi s ,c, b, t | 0 | 0 |
| Poluživot | 10.24 min | > 2.1 10 29 godina |
| Paritet | + | + |
| Statistika | Fermi-Dirac | |
| Shema raspadanja | n → p + e- + e | |
Tabela izotopa hemijskih elemenata
Tabela za sve detektovane hemijske elemente prikazuje serijski broj, simbol, naziv, minimalni i maksimalni maseni broj detektovanih izotopa, procenat izotopa u prirodnoj smeši (zaokružena vrednost). Hemijski elementi sa Z = 113-118 još nisu dobili nazive, oni su dati posebnim međunarodnim oznakama.
1 - serijski broj hemijskog elementa Z,
2 - simbol hemijskog elementa,
3 - naziv hemijskog elementa,
4 - minimalno-maksimalni maseni broj A izotopa hemijskog elementa,
5 je maseni broj izotopa A (postotak izotopa u prirodnoj smjesi) čiji je postotak izotopa u prirodnoj mješavini veći od 1%.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 0 | n | neutron | 1 | |
| 1 | H | vodonik | 1-7 | 1 (99,986) |
| 2 | On | helijum | 3-10 | 4 (100) |
| 3 | Li | litijum | 3-12 | 6 (7,93); 7 (92,07) |
| 4 | Budi | berilijum | 5-16 | 9 (100) |
| 5 | B | bor | 6-19 | 10 (19,8); 11 (80,2) |
| 6 | C | ugljenik | 8-22 | 12 (98,9); 13 (1,1) |
| 7 | N | nitrogen | 10-25 | 14 (99,62) |
| 8 | O | kiseonik | 12-28 | 16 (99,76) |
| 9 | F | fluor | 14-31 | 19 (100) |
| 10 | Ne | neon | 16-34 | 20 (90,0); 22 (9,73) |
| 11 | N / A | natrijum | 18-37 | 23 (100) |
| 12 | mg | magnezijum | 19-40 | 24 (77,4); 25 (11,5); 26 (11,1) |
| 13 | Al | aluminijum | 21-43 | 27 (100) |
| 14 | Si | silicijum | 22-44 | 28 (89,6); 29 (6,2); 30 (4,2) |
| 15 | P | fosfor | 24-46 | 31 (100) |
| 16 | S | sumpor | 26-49 | 32 (95,1); 34 (4,2) |
| 17 | Cl | hlor | 28-51 | 35 (75,4); 37 (24,6) |
| 18 | Ar | argon | 30-53 | 40 (99,632) |
| 19 | K | kalijum | 32-55 | 39 (93,38); 41 (6,61) |
| 20 | Ca | kalcijum | 34-57 | 40 (96,96); 44 (2,06) |
| 21 | sc | skandij | 36-60 | 45 (100) |
| 22 | Ti | titanijum | 38-63 | 46 (7,95); 47 (7,75); 48 (73,45); 49 (5,51); 50 (5,34) |
| 23 | V | vanadij | 40-65 | 51 (100) |
| 24 | Cr | hrom | 42-67 | 50 (4,49); 52 (83,78); 53 (9,43); 54 (2,30) |
| 25 | Mn | mangan | 44-69 | 55 (100) |
| 26 | Fe | gvožđe | 45-72 | 54 (6,04); 56 (91,57); 57 (2,11) |
| 27 | co | kobalt | 50-75 | 59 (100) |
| 28 | Ni | nikla | 48-78 | 58 (67,4); 60 (26,7); 61 (1,2); 62 (3,8) |
| 29 | Cu | bakar | 52-80 | 63 (70,13); 65 (29,87) |
| 30 | Zn | cink | 54-83 | 64 (50,9); 66 (27,3); 67 (3,9); 68 (17,4) |
| 31 | Ga | galijum | 56-86 | 69 (61,2); 71 (38,8) |
| 32 | Ge | germanijum | 58-89 | 70 (21,2); 72 (27,3); 73 (7,9); 74 (37,1); 76 (6,5) |
| 33 | As | arsenik | 60-92 | 75 (100) |
| 34 | Se | selen | 64-94 | 76 (9,5); 77 (8,3); 78 (24,0); 80 (48,0); 82 (9,3) |
| 35 | Br | brom | 67-97 | 79 (50,6); 80 (49,4) |
| 36 | kr | kripton | 69-100 | 80 (2,01); 82 (11,53); 83 (11,53); 84 (57,11); 86 (17,47) |
| 37 | Rb | rubidijum | 71-101 | 85 (72,8); 87 (27,2) |
| 38 | Sr | stroncijum | 73-105 | 86 (9,86); 87 (7,02); 88 (82,56) |
| 39 | Y | itrijum | 76-108 | 89 (100) |
| 40 | Zr | cirkonijum | 78-110 | 90 (48); 91 (11,5); 92 (22); 94 (17); 96 (1,5) |
| 41 | Nb | niobij | 81-113 | 93 (100) |
| 42 | Mo | molibden | 83-115 |
92
(14,9); 94 (9,4); 95 (16,1); 96 (16,6); 97 (9,65); 98 (24,1); 100 (9,25) |
| 43 | Tc | tehnecijum | 85-118 | |
| 44 | Ru | rutenijum | 87-120 |
96
(5,68); 98 (2,22); 99 (12,81); 100 (12,70); 101 (16,98); 102 (31,34); 104 (18,27) |
| 45 | Rh | rodijum | 89-122 | 103 (100) |
| 46 | Pd | paladijum | 91-124 | 104 (9,3); 105 (22,6); 106 (27,2); 108 (26,8); 110 (13,5) |
| 47 | Ag | srebro | 93-130 | 107 (52,5); 109 (47,5) |
| 48 | CD | kadmijum | 95-132 |
106
(1,4); 108 (1,0); 110 (12,8); 111 (13,0); 112 (24,2); 113 (12,3); 114 (28,0); 116 (7,3) |
| 49 | U | indijum | 97-135 | 113 (4,5); 115 (95,5) |
| 50 | lok | lim | 99-137 |
112
(1,1); 116 (15,5); 117 (9,1); 118 (22,5); 119 (9,8); 120 (28,5); 122 (5,5); 124 (6,8) |
| 51 | Sb | antimon | 103-139 | 121 (56); 123 (44) |
| 52 | Te | telur | 105-142 |
122
(2,9); 123 (1,6); 124 (4,5); 125 (6,0); 126 (19,0); 128 (32,8); 130 (33,1) |
| 53 | I | jod | 108-144 | 127 (100) |
| 54 | Xe | xenon | 109-147 |
128 (1,9); 129
(26,23); 130 (4,07); 131 (21,17); 132 (26,96); 134 (10,54); 136 (8,95) |
| 55 | Cs | cezijum | 112-151 | 133 (100) |
| 56 | Ba | barijum | 114-153 |
134
(2,42); 135 (6,59); 136 (7,81); 137 (11,32); 138 (71,66) |
| 57 | La | lantan | 117-155 | 139 (100) |
| 58 | Ce | cerijum | 119-157 | 140 (89); 142 (11) |
| 59 | Pr | praseodymium | 121-159 | 141 (100) |
| 60 | Nd | neodimijum | 124-161 | 142 (25,95); 143 (13,0); 144 (22,6); 145 (9,2); 146 (16,5); 148 (6,8); 150 (5,95) |
| 61 | pm | promethium | 126-163 | |
| 62 | sm | samarijum | 128-165 |
144
(3); 147 (17); 148 (14); 149 (15); 150 (5); 152 (26); 154 (20) |
| 63 | EU | europium | 130-167 | 151 (49,1); 153 (50,9) |
| 64 | Gd | gadolinij | 134-169 |
154
(1,5); 155 (21); 156 (22); 157 (17); 158 (22); 160 (16) |
| 65 | Tb | terbijum | 135-171 | 159 (100) |
| 66 | Dy | disprozijum | 138-173 | 160 (1,5); 161 (22); 162 (24); 163 (24); 164 (28) |
| 67 | Ho | holmijum | 140-175 | 165 (100) |
| 68 | Er | erbium | 143-177 |
164
(1,5); 166 (32,9); 167 (24,4); 168 (26,9); 170 (14,2) |
| 69 | Tm | thulium | 144-179 | 169 (100) |
| 70 | Yb | iterbijum | 148-181 |
170
(4,21); 171 (14,26); 172 (21,49); 173 (17,02); 174 (29,58); 176 (13,38) |
| 71 | Lu | lutecijum | 150-184 | 175 (97,5); 176 (2,5) |
| 72 | hf | hafnijum | 151-188 |
176
(5,3); 177 (18,47); 178 (27,13); 179 (13,85); 180 (35,14) |
| 73 | Ta | tantal | 155-190 | 181 (100) |
| 74 | W | volfram | 158-192 | 182 (22,6); 183 (17,3); 184 (30,1); 186 (29,8) |
| 75 | Re | renijum | 159-194 | 185 (38,2); 187 (61,8) |
| 76 | Os | osmijum | 162-200 |
186
(1,59); 187 (1,64); 188 (13,3); 189 (16,1); 190 (26,4); 192 (41,0) |
| 77 | Ir | iridijum | 164-202 | 191 (38,5); 193 (61,5) |
| 78 | Pt | platina | 166-203 | 194 (30,2); 195 (35,3); 196 (26,6) 198 (7,2) |
| 79 | Au | zlato | 169-205 | 197 (100) |
| 80 | hg | Merkur | 171-210 |
198
(10,1); 199 (17,0); 200 (23,3); 201 (13,2); 202 (29,6); 204 (6,7) |
| 81 | Tl | talijum | 176-212 | 203 (29,1); 205 (70,9) |
| 82 | Pb | dovesti | 178-215 | 204 (1,5); 206 (23,6); 207 (22,6); 208 (52,3) |
| 83 | Bi | bizmuta | 184-218 | 209 (100) |
| 84 | Po | polonijum | 188-220 | |
| 85 | At | astatin | 191-223 | |
| 86 | Rn | radon | 193-228 | |
| 87 | o | francium | 199-232 |
|
| 88 | Ra | radijum | 201-234 | |
| 89 | AC | aktinijum | 206-236 | |
| 90 | Th | torijum | 208-238 | 232 (100) |
| 91 | Pa | protaktinijum | 212-240 | |
| 92 | U | Uran | 217-242 | 238 (99,28) |
| 93 | Np | neptunijum | 225-244 | |
| 94 | Pu | plutonijum | 228-247 | |
| 95 | Am | americijum | 230-249 | |
| 96 | cm | curium | 232-252 | |
| 97 | bk | berkelium | 234-254 | |
| 98 | cf | kalifornij | 237-256 | |
| 99 | Es | einsteinium | 240-258 | |
| 100 | fm | fermijum | 242-260 | |
| 101 | md | mendelevium | 245-262 | |
| 102 | br | nobelijum | 248-264 | |
| 103 | lr | Lawrencium | 251-266 | |
| 104 | RF | rutherfordium | 253-268 | |
| 105 | Db | dubnium | 255-269 | |
| 106 | Sg | seaborgium | 258-273 | |
| 107 | bh | bohrium | 260-275 | |
| 108 | hs | hassium | 263-276 | |
| 109 | Mt | meitnerium | 265-279 | |
| 110 | Ds | darmstadtium | 267-281 | |
| 111 | Rg | roentgenium | 272-283 | |
| 112 | Cn | copernicus | 277-285 | |
| 113 | Uut | 278-287 | ||
| 114 | uuq | 286-289 | ||
| 115 | Gore | 287-291 | ||
| 116 | Uuh | 290-293 | ||
| 117 | Uus | 291-292 | ||
| 118 | Uuo |
|
294 |
Protonsko-elektronska teorija
Do početka $1932$ bile su poznate samo tri elementarne čestice: elektron, proton i neutron. Iz tog razloga se pretpostavljalo da se jezgro atoma sastoji od protona i elektrona (proton-elektron hipoteza). Smatralo se da sastav jezgra sa brojem $Z$ u periodičnom sistemu elemenata D. I. Mendeljejeva i masenim brojem $A$ uključuje $A$ protone i $Z-A$ neutrone. U skladu s ovom hipotezom, elektroni koji su bili dio jezgre djelovali su kao "cementirajući" agens, uz pomoć kojeg su se pozitivno nabijeni protoni zadržavali u jezgru. Pristalice protonsko-elektronske hipoteze o sastavu atomskog jezgra vjerovale su da je $\beta ^-$ - radioaktivnost - potvrda tačnosti hipoteze. Ali ova hipoteza nije mogla objasniti rezultate eksperimenta i odbačena je. Jedna od ovih poteškoća bila je nemogućnost objašnjenja da je spin jezgra azota $^(14)_7N$ jednak jedinici $(\hbar)$. Prema hipotezi proton-elektrona, jezgro azota $^(14)_7N$ trebalo bi da se sastoji od $14$ protona i $7$ elektrona. Spin protona i elektrona jednak je $1/2$. Iz tog razloga, jezgro atoma dušika, koje se prema ovoj hipotezi sastoji od $21$ čestica, mora imati spin $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Ovo neslaganje između teorije protona i elektrona naziva se "azotna katastrofa". Takođe je bilo neshvatljivo da u prisustvu elektrona u jezgru njegov magnetni moment ima mali magnetni moment u odnosu na magnetni moment elektrona.
Za 1932$, J. Chadwick je otkrio neutron. Nakon ovog otkrića, D. D. Ivanenko i E. G. Gapon iznijeli su hipotezu o proton-neutronskoj strukturi atomskog jezgra, koju je detaljno razvio V. Heisenberg.
Napomena 1
Protonsko-neutronski sastav jezgra potvrđen je ne samo teorijskim zaključcima, već i direktno eksperimentima o cijepanju jezgra na protone i neutrone. Danas je općeprihvaćeno da se atomsko jezgro sastoji od protona i neutrona, koji se također nazivaju nukleoni(iz latinskog jezgro jezgro, zrno).
Struktura atomskog jezgra
Core je središnji dio atoma, u kojem su koncentrirani pozitivni električni naboj i glavni dio mase atoma. Dimenzije jezgra su, u poređenju sa orbitama elektrona, izuzetno male: $10^(-15)-10^(-14)\ m$. Jezgra se sastoje od protona i neutrona, koji su gotovo identične mase, ali samo proton nosi električni naboj. Ukupan broj protona naziva se atomski broj $Z$ atoma, koji je isti kao i broj elektrona u neutralnom atomu. Nukleone u jezgru drže velike sile, po svojoj prirodi te sile nisu ni električne ni gravitacijske, a po veličini su mnogo veće od sila koje vežu elektrone za jezgro.
Prema protonsko-neutronskom modelu strukture jezgra:
- jezgra svih hemijskih elemenata sastoje se od nukleona;
- naboj jezgra je samo zbog protona;
- broj protona u jezgru jednak je rednom broju elementa;
- broj neutrona je jednak razlici između masenog broja i broja protona ($N=A-Z$)
Proton ($^2_1H\ ili\ p$) je pozitivno nabijena čestica: njegov naboj je jednak naboju elektrona $e=1.6\cdot 10^(-19)\ Cl$, a njegova masa mirovanja je $ m_p=1.627\cdot 10^( -27)\kg$. Proton je jezgro nukleona atoma vodika.
Da bi se pojednostavili zapisi i proračuni, masa jezgra se često određuje u jedinicama atomske mase (a.m.u.) ili u jedinicama energije (zapisivanjem odgovarajuće energije $E=mc^2$ umjesto mase u elektron voltima). Jedinica atomske mase je $1/12$ mase nuklida ugljenika $^(12)_6C$. U ovim jedinicama dobijamo:
Proton, kao i elektron, ima svoj ugaoni moment - spin, koji je jednak $1/2$ (u jedinicama $\hbar $). Potonji, u vanjskom magnetskom polju, može se orijentirati samo tako da njegova projekcija i smjer polja budu jednaki $+1/2$ ili $-1/2$. Proton je, kao i elektron, predmet Fermi-Diracove kvantne statistike, tj. pripada fermionima.
Proton karakteriše sopstveni magnetni moment, koji je za česticu sa spinom $1/2$, naelektrisanjem $e$ i masom $m$ jednaka
Za elektron je njegov vlastiti magnetni moment jednak
Da bi se opisao magnetizam nukleona i jezgara, koristi se nuklearni magneton (1836$ puta manji od Borovog magnetona):
U početku se vjerovalo da je magnetni moment protona jednak nuklearnom magnetonu, jer. njegova masa je 1836$ puta veća od mase elektrona. Ali mjerenja su pokazala da je zapravo unutrašnji magnetni moment protona 2,79$ puta veći od nuklearnog magnetrona, ima pozitivan predznak, tj. smjer se poklapa sa spinom.
Moderna fizika objašnjava ova neslaganja činjenicom da se protoni i neutroni međusobno transformišu i neko vrijeme ostaju u stanju disocijacije u $\pi ^\pm $ - mezon i još jedan nukleon odgovarajućeg predznaka:
Masa mirovanja $\pi ^\pm $ - mezona je $193,63$ MeV, tako da je njegov vlastiti magnetni moment $6,6$ puta veći od nuklearnog magnetona. U mjerenjima se pojavljuje neka efektivna vrijednost magnetnog momenta protona i $\pi ^+$ -- okoline mezona.
Neutron ($n$) -- električno neutralna čestica; njegova masa mirovanja
Iako je neutron lišen naboja, on ima magnetni moment $\mu _n=-1,91\mu _Â$. Znak "$-$" pokazuje da je iza smjera magnetni moment suprotan spinu protona. Magnetizam neutrona je određen efektivnom vrijednošću magnetskog momenta čestica na koje je u stanju da se disocira.
U slobodnom stanju, neutron je nestabilna čestica i nasumično se raspada (vrijeme poluraspada $12$ min): emitirajući $\beta $ -- česticu i antineutrino, pretvara se u proton. Shema raspada neutrona je napisana u sljedećem obliku:
Za razliku od intranuklearnog raspada neutrona $\beta $ -- raspad pripada i unutrašnjem raspadu i fizici elementarnih čestica.
Međusobna transformacija neutrona i protona, jednakost spinova, aproksimacija masa i svojstava daju osnovu za pretpostavku da je riječ o dvije varijante iste nuklearne čestice - nukleonu. Proton-neutronska teorija se dobro slaže s eksperimentalnim podacima.
Kao sastavni dijelovi jezgra, protoni i neutroni se nalaze u brojnim reakcijama fisije i fuzije.
U proizvoljnoj i komadnoj fisiji jezgara uočavaju se i tokovi elektrona, pozitrona, mezona, neutrina i antineutrina. Masa $\beta $ čestice (elektrona ili pozitrona) je $1836$ puta manja od mase nukleona. Mezoni - pozitivne, negativne i nulte čestice - zauzimaju srednje mjesto u masi između $\beta $ - čestica i nukleona; životni vijek takvih čestica je vrlo kratak i iznosi milioniti dio sekunde. Neutrini i antineutrini su elementarne čestice čija je masa mirovanja nula. Međutim, elektroni, pozitroni i mezoni ne mogu biti sastavni dijelovi jezgra. Ove svjetlosne čestice se ne mogu lokalizirati u malom volumenu, a to je jezgro poluprečnika $\sim 10^(-15)\ m$.
Da bismo to dokazali, definiramo energiju električne interakcije (na primjer, elektrona s pozitronom ili protonom u jezgru)
i uporedi je sa sopstvenom energijom elektrona
Pošto energija spoljašnje interakcije prevazilazi sopstvenu energiju elektrona, on ne može postojati i zadržati sopstvenu individualnost, u uslovima jezgra će biti uništen. Druga situacija sa nukleonima, njihova sopstvena energija je više od 900$ MeV, tako da mogu zadržati svoje karakteristike u jezgru.
Svjetlosne čestice se emituju iz jezgara u procesu njihovog prijelaza iz jednog stanja u drugo.
Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i okolnih elektrona. Atomska jezgra imaju dimenzije približno 10 -14 ... 10 -15 m (linearne dimenzije atoma su 10 -10 m).
Atomsko jezgro se sastoji od elementarnih čestica protona i neutrona. Proton-neutronski model jezgra predložio je ruski fizičar D. D. Ivanenko, a potom ga je razvio V. Heisenberg.
proton ( R) ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i masi mirovanja T str =
1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, gdje m e je masa elektrona. neutron ( n)-neutralna čestica sa masom mirovanja m n= 1,6749∙10 -27 kg 
1839T e ,.
Masa protona i neutrona se često izražava u drugim jedinicama - u jedinicama atomske mase (a.m.u., jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika 
). Mase protona i neutrona približno su jednake jednoj jedinici atomske mase. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni(od lat. jezgro-kernel). Ukupan broj nukleona u atomskom jezgru naziva se maseni broj ALI).
Radijusi jezgara rastu sa povećanjem masenog broja u skladu sa relacijom R= 1,4ALI 1/3 10 -13 cm.
Eksperimenti pokazuju da jezgra nemaju oštre granice. U središtu jezgre postoji određena gustoća nuklearne materije, koja se postepeno smanjuje na nulu s povećanjem udaljenosti od centra. Zbog nedostatka dobro definirane granice jezgra, njegov "radijus" se definira kao udaljenost od centra na kojoj je gustoća nuklearne materije prepolovljena. Pokazalo se da prosječna distribucija gustine materije za većinu jezgara nije samo sferna. Većina jezgara je deformisana. Često su jezgra u obliku izduženih ili spljoštenih elipsoida.
Karakterizirano je atomsko jezgro naplatitiZe, gdje Zbroj naplate jezgra, jednak broju protona u jezgru i koji se poklapa sa serijskim brojem hemijskog elementa u Periodnom sistemu elemenata Mendeljejeva.
Jezgro je označeno istim simbolom kao neutralni atom: 
, gdje X- simbol hemijskog elementa, Z atomski broj (broj protona u jezgru), ALI- maseni broj (broj nukleona u jezgru). Maseni broj ALI približno jednaka masi jezgra u jedinicama atomske mase.
Pošto je atom neutralan, naelektrisanje jezgra Z određuje broj elektrona u atomu. Broj elektrona ovisi o raspodjeli po stanjima u atomu. Naboj jezgra određuje specifičnosti datog hemijskog elementa, odnosno određuje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih omotača, veličinu i prirodu unutaratomskog električnog polja.
Jezgra sa istim brojevima naboja Z, ali sa različitim masenim brojevima ALI(tj. sa različitim brojem neutrona N=A-Z) nazivaju se izotopi, a jezgra sa istim ALI, ali drugačije Z- izobare. Na primjer, vodonik ( Z= l) ima tri izotopa: H - protium ( Z=l, N= 0),
H - deuterijum ( Z=l, N= 1),
H - tricijum ( Z=l, N\u003d 2), kositar - deset izotopa, itd. U velikoj većini slučajeva, izotopi istog hemijskog elementa imaju iste hemijske i gotovo iste fizičke osobine.
E, MeV
Nivoi energije
i uočeni prijelazi za jezgro atoma bora
Kvantna teorija striktno ograničava energetske vrijednosti koje sastavni dijelovi jezgri mogu imati. Skupovi protona i neutrona u jezgrima mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima karakterističnim za dati izotop.Kada elektron prelazi iz višeg u niže energetsko stanje, energetska razlika se emituje u obliku fotona. Energija ovih fotona je reda nekoliko elektron volti. Za jezgra, energetski nivoi leže u rasponu od oko 1 do 10 MeV. Tokom prelaza između ovih nivoa, emituju se fotoni veoma visokih energija (γ-kvanta). Da bismo ilustrovali takve prelaze na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet energetskih nivoa jezgra 
.Okomite linije označavaju uočene prelaze. Na primjer, γ-kvant sa energijom od 1,43 MeV se emituje tokom prelaska jezgra iz stanja sa energijom od 3,58 MeV u stanje sa energijom od 2,15 MeV.
atomsko jezgro je središnji dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona (zajedno nazvani nukleoni).
Jezgro je otkrio E. Rutherford 1911. dok je proučavao prolaz α -čestice kroz materiju. Pokazalo se da je gotovo cijela masa atoma (99,95%) koncentrisana u jezgru. Veličina atomskog jezgra je reda veličine 10 -1 3 -10 - 12 cm, što je 10 000 puta manje od veličine elektronske ljuske.
Planetarni model atoma koji je predložio E. Rutherford i njegovo eksperimentalno promatranje jezgri vodika su izbačeni α -čestice iz jezgara drugih elemenata (1919-1920), dovelo je naučnika do ideje o proton. Termin proton je uveden početkom 20-ih godina XX veka.
Proton (od grč. protona- prvo, simbol str) je stabilna elementarna čestica, jezgro atoma vodika.
Proton- pozitivno nabijena čestica čiji je naboj po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona. Masa mirovanja protona m str= 1,6726231 10 -27 kg = 1,007276470 amu
Druga čestica u jezgru je neutron.
Neutron (od lat. neuter- ni jedno ni drugo, simbol n) je elementarna čestica koja nema naboj, odnosno neutralna.
Masa neutrona je 1839 puta veća od mase elektrona. Masa neutrona je skoro jednaka (nešto veća od) mase protona: masa mirovanja slobodnog neutrona m n= 1,6749286 10 -27 kg = 1,0008664902 amu i premašuje masu protona za 2,5 mase elektrona. Neutron, zajedno sa protonom pod zajedničkim imenom nukleon dio je atomskog jezgra.
Neutron je 1932. godine otkrio D. Chadwig, učenik E. Rutherforda, tokom bombardiranja berilijuma α -čestice. Rezultirajuće zračenje velike prodorne moći (savladalo je prepreku od olovne ploče debljine 10–20 cm) pojačalo je svoj učinak pri prolasku kroz parafinsku ploču (vidi sliku). Procjena energije ovih čestica sa tragova u komori oblaka, koju je napravio Joliot-Curies, i dodatna zapažanja omogućili su da se isključi početna pretpostavka da je ovo γ -quanta. Velika moć prodiranja novih čestica, zvanih neutroni, objašnjena je njihovom električnom neutralnošću. Uostalom, nabijene čestice aktivno stupaju u interakciju s materijom i brzo gube energiju. Postojanje neutrona je predvidio E. Rutherford 10 godina prije eksperimenata D. Chadwiga. Na udaru α -čestice u jezgri berilija dolazi do sljedeće reakcije:
Evo simbola neutrona; njegov naboj je nula, a relativna atomska masa je približno jednaka jedan. Neutron je nestabilna čestica: slobodni neutron u vremenu od ~ 15 min. raspada na proton, elektron i neutrino - česticu bez mase mirovanja.
Nakon otkrića neutrona od strane J. Chadwicka 1932., D. Ivanenko i W. Heisenberg su nezavisno predložili proton-neutronski (nukleonski) model jezgra. Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Broj protona Z poklapa se sa serijskim brojem elementa u tabeli D. I. Mendeljejeva.
Core charge Q određena brojem protona Z, koji su dio jezgra, a umnožak je apsolutne vrijednosti naboja elektrona e:
Q = + Ze.
Broj Z pozvao broj nuklearnog punjenja ili atomski broj.
Maseni broj jezgra ALI naziva ukupan broj nukleona, odnosno protona i neutrona sadržanih u njemu. Broj neutrona u jezgru je označen slovom N. Dakle, maseni broj je:
A = Z + N.
Nukleonima (protonu i neutronu) se dodjeljuje maseni broj jednak jedan, a elektronu nula vrijednost.
Otkriće je olakšalo i ideju o sastavu jezgra izotopi.
Izotopi (od grč. isos jednaki, isti i topoa- mjesto) - to su vrste atoma istog hemijskog elementa, čija atomska jezgra imaju isti broj protona ( Z) i različit broj neutrona ( N).
Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi su nuklidi jedan element. Nuklid (od lat. jezgro- nukleus) - bilo koje atomsko jezgro (odnosno, atom) sa datim brojevima Z I N. Opšta oznaka nuklida je ……. gdje X- simbol hemijskog elementa, A=Z+N- maseni broj.
Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata, pa otuda i njihovo ime. U pravilu, izotopi se značajno razlikuju po svojim nuklearnim svojstvima (na primjer, u njihovoj sposobnosti da uđu u nuklearne reakcije). Hemijska (i gotovo podjednako fizička) svojstva izotopa su ista. To se objašnjava činjenicom da su kemijska svojstva elementa određena nabojem jezgre, jer upravo taj naboj utječe na strukturu elektronske ljuske atoma.
Izuzetak su izotopi lakih elemenata. Izotopi vodonika 1 H — protium, 2 H— deuterijum, 3 H — tricijum toliko se razlikuju po masi da su im fizička i hemijska svojstva različita. Deuterijum je stabilan (tj. nije radioaktivan) i uključen je kao mala nečistoća (1:4500) u obični vodonik. Deuterijum se spaja sa kiseonikom i formira tešku vodu. Vri pri normalnom atmosferskom pritisku na 101,2°C i smrzava se na +3,8°C. Tricijum β je radioaktivan s vremenom poluraspada od oko 12 godina.
Svi hemijski elementi imaju izotope. Neki elementi imaju samo nestabilne (radioaktivne) izotope. Za sve elemente, radioaktivni izotopi su umjetno dobiveni.
Izotopi uranijuma. Element uranijum ima dva izotopa - sa masenim brojevima 235 i 238. Izotop je samo 1/140 uobičajeniji.