Чтение онлайн

У водорода, например, три изотопа, схемы атомов которых приведены на рис. 3. В ядре каждого изотопа водорода есть один протон, и поэтому во всех атомах существует по одному электрону, который уравновешивает положительный заряд ядра. Дейтерий — устойчивый изотоп водорода с массовым числом 2 — содержится в природном водороде в количестве 0,02 процента. Ядро его атома состоит из одного протона и нейтрона. Ядро сверхтяжелого радиоактивного водорода — трития состоит из трех частиц: одного протона и двух нейтронов. Трития в природной смеси водорода почти нет. Но сейчас он может быть получен в довольно больших количествах искусственно в ядерных реакторах.

Рис. 3. Схема строения изотопов водорода

Число устойчивых изотопов у отдельных химических элементов, например у олова, доходит до 10.

В настоящее время физикам известно около трехсот устойчивых и примерно восемьсот радиоактивных изотопов.

Ядерные силы. Теперь мы уже знаем, что изотопов значительно больше, чем элементов. Но почему ядра одних изотопов устойчивы (и они встречаются в природе часто), а других — легко распадаются и радиоактивны?

Что удерживает частицы в атомном ядре?

Между протонами, так же как и между другими одноименно заряженными частицами, действуют отталкивающие электростатические силы, которые при малых размерах ядра должны быть достаточно велики. Конечно, эти силы не могут осуществлять связь между частицами в ядре. Для того чтобы ядро оставалось очень прочным и компактным, необходимы очень большие силы, которые притягивали бы друг к другу ядерные частицы. О природе этих сил мы пока еще знаем очень немного. Знаем, что в то время как электростатические силы (притяжения и отталкивания) действуют на довольно больших расстояниях, ядерные силы имеют существенное значение только при сближении ядерных частиц. Если радиус атома определяется электростатическими силами притяжения, действующими между отрицательно заряженным электроном и положительным ядром, и равен примерно одной стомиллионной доле сантиметра (10– 8 сантиметра), то радиус ядра определяется действием ядерных сил и приблизительно равен одной тысячемиллиардной доле сантиметра (10– 12 сантиметра)[1].

Таким образом, как ни мал атом, на его диаметре можно уложить примерно 10 тысяч ядер.

Ядерные силы, по-видимому, могут быть объяснены взаимодействием протонов и нейтронов с какой-то третьей частицей. (В дальнейшем протоны и нейтроны мы иногда будем называть нуклонами.) Эта частица появляется при преобразовании протона в нейтрон или нейтрона в протон и является общей для двух взаимодействующих нуклонов. Таким образом, ядерные силы связаны с обменом частицами. Поэтому силы подобного типа называют обменными силами. Они весьма своеобразны и недостаточно наглядны в наших обычных представлениях. Для этих сил весьма характерно то, что их действие связано с обменом, с переменой ролей между двумя участвующими в этой связи нуклонами.

Протон и нейтрон непрерывно обмениваются друг с другом частицами, которые одновременно связаны с обоими нуклонами. По всей вероятности, такими частицами являются открытые в последние годы ?-мезоны (пи-мезоны). Малый радиус действия ядерных сил объясняется тем, что ?-мезоны — тяжелые частицы — не могут надолго покидать протоны и нейтроны. Вылетев, они либо возвратятся обратно, либо поглотятся другими ядерными частицами. Для последнего надо, чтобы нуклоны находились близко один от другого. Так осуществляется связь между ядерными частицами.

Ядерные силы имеют некоторое сходство с химическими силами, которые также являются обменными. В молекулах тоже происходит обмен частицами. Для примера можно взять ион молекулы водорода (рис. 4). Здесь имеются два протона вокруг которых вращается один электрон. Такой ион является вполне устойчивым образованием, и сила, которая определяет его устойчивость, связана с взаимодействием двух протонов с одним общим электроном. По-видимому, можно считать, что электрон вращается то вокруг одного, то вокруг другого протона. Здесь, так же как и в ядерных системах, сила связана с обменом частицей, с переходом электрона от одного протона к другому.

Рис. 4. Ион молекулы водорода. Два протона обмениваются одним электроном

Прочность твердых тел, как известно, определяется электростатическими силами, действующими между атомами в веществе. Но ядерные силы в миллионы раз больше электростатических. Во столько же раз ядерное вещество прочнее самой крепкой стали. Если бы удалось изготовить из ядерного вещества ткань толщиной в одну десятую долю микрона (0,0001 миллиметра), то она была бы, безусловно, прочнее самой толстой брони. Правда, трудно представить себе военное судно, одетое такой броней, квадратный метр которой весит более 600 тысяч тонн.

Ядерное вещество обладает колоссальным удельным весом (плотностью). Мы привыкли до сих пор иметь дело с веществами, удельный вес которых не превышает 23[2], то есть один кубический сантиметр такого вещества весит не больше 23 граммов. Кубический же сантиметр ядерного вещества весит больше 100 миллионов тонн, то есть удельный вес его равен 1014 г/см3.

Эти огромные прочность и плотность объясняются ядерными силами, которые стягивают нуклоны в очень плотную и маленькую частицу — ядро.

Ядра обладают различной прочностью. Наиболее слабо связаны частицы в ядрах легких элементов, находящихся в начале таблицы Менделеева. Эта связь быстро растет с увеличением числа частиц в ядре, а следовательно, растет и прочность ядер. Как уже говорилось, ядерные силы являются короткодействующими, то есть каждая частица ядра связана только с соседними частицами. Между удаленными друг от друга частицами связи нет. Поэтому, начиная с некоторого элемента таблицы Менделеева, связь между частицами в ядрах атомов этих элементов не будет увеличиваться с увеличением числа частиц в ядре атома. Этим и объясняется то, что прочность ядер средних элементов (от кадмия до церия) приблизительно одинакова, то есть нужны примерно одинаковые силы для того, чтобы оторвать один нейтрон от любого из этих ядер. Ведь и прочность обычных веществ, например бумаги или воды, также не зависит от количества вещества. Нужно затратить одинаковое усилие для того, чтобы зачерпнуть ложку воды из ведра или из стакана, оторвать полоску бумаги от целого рулона или от небольшого листа.

В ядрах атомов тяжелых элементов, стоящих в конце таблицы Менделеева, большое значение имеют электростатические силы. Если с увеличением числа протонов и нейтронов в ядре ядерные силы существенно не увеличивают прочности ядра, то электростатические силы отталкивания при этом увеличиваются. Они расталкивают все протоны ядра, даже наиболее отдаленные друг от друга. Электростатические силы как бы разрыхляют большие ядра, делают их менее плотными. Поэтому частицы в ядрах тяжелых атомов слабее связаны между собой, чем в средних.

Энергия атомного ядра. Для того чтобы разрушить атомное ядро, оторвать ядерные частицы друг от друга, надо совершить работу, затратить энергию. Но эта же энергия выделяется в ядерных реакциях, когда протоны и нейтроны соединяются в ядро под действием ядерных сил.

Из элементарной механики известно, что при движении какого-либо тела, происходящем под действием силы, всегда выделяется энергия. В гидроэлектростанциях, например, широко используется энергия воды, движущейся под действием сил земного тяготения.