1.Склад атомних ядер

Досліди Е. Резерфорда, які утвердили ядерну модель атома, показали, що практично вся маса атома зосереджена в його ядрі, який має позитивний заряд. Подальші його дослідження взаємодії альфа-частинок з атомами Нітрогену увінчалися відкриттям протона — другої елементарної частинки, відкритої після електрона.

Вивчення властивостей протона показало, що він має позитивний заряд, який чисельно дорівнює заряду електрона е = 1,602 • 10^-19 Кл; його маса значно більша: m_р = 1,67 • 10^-27 кг. Оскільки в ядерній фізиці прийнято користуватися атомною одиницею маси (а.о.м.) та її енергетичним еквівалентом — електрон-вольтом (еВ), маса спокою протона дорівнює m_p = 1,007276470 а.о.м., що відповідає 938,2796 МеВ.

Протон (від грец. ргоtos — перший) — елементарна частинка, що є ядром атома Гідрогену; має позитивний заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона.

Відкриття на початку XX ст. ізотопів засвідчило, що їхні атомні маси кратні масі ядра атома Гідрогену. Тому Е. Резерфорд припустив, що ядра всіх хімічних елементів складаються із протонів. Протонно-електронна модель атома добре узгоджувалася з експериментальними даними щодо властивостей Гідрогену. Проте вона зіткнулася з низкою труднощів у поясненні будови ядер важчих хімічних елементів. Тому він висунув припущення про існування нейтронів — елементарних частинок, які також входять до складу ядра.

У 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік, досліджуючи властивості випромінювання, яке виникає під час бомбардування Берилію альфа-частинками, встановив, що це потік нейтральних частинок, маса яких приблизно дорівнює масі протона. Вимірювання показали, що маса спокою нейтрона m_n = 1,6749543 • 10^-27 кг = 1,008665012 а.о.м., що відповідає 939,5731 МеВ.

Ізотопи (від грец. isos — однаковий і topos — місце) — різновиди одного й того самого хімічного елемента, що відрізняються за атомними массами.

Нейтрон (від лат.— ні те, ні інше) — нестабільна електрично нейтральна, тобто така, що не має ні позитивного, ні негативного заряду, елементарна частинка.

У сучасній фізиці протони і нейтрони в ядрі називають нуклонами (від лат. шкіеш — ядро).

Число нуклонів у ядрі атома дорівнює його масовому числу А. Число протонів у ядрі атома дорівнює заряду ядра Z. Число нейтронів N = А-Z.

У тому ж році радянський вчений Д. Д. Іваненко (українець за походженням, народився в Полтаві) і німецький фізик В. Гейзенберг незалежно один від одного запропонували оболонкову протонно-нейтронну модель ядра атома. Вони припустили, що атомне ядро складається з нуклонів — протонів і нейтронів, які розміщуються певними групами й утворюють ядерні оболонки. Кожен нуклон перебуває в певному квантовому стані, який характеризується енергією та набором інших квантових величин.

Згідно з цією моделлю, загальне число нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів у ядрі атома, дорівнює масовому числу атома А; число протонів дорівнює заряду ядра атома Z, число нейтронів N = А - Z. В ядерній фізиці ізотоп хімічного елемента X прийнято позначати відповідним символом із зазначенням його масового числа А (зліва вгорі) і зарядового числа Z (зліва внизу), тобто у вигляді ^A_ZХ. Наприклад, найлегший ізотоп Гідрогену — протій, ядро якого складається з одного протона, позначають ¹₁Н, альфа-частинку, що є ядром атома Гелію, ⁴₂Не тощо.

Заповнення ядерних оболонок підлягає певній закономірності — принципу Паулі: два тотожні нуклони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані, тобто характеризуватися одним і тим самим набором квантових чисел. Тому існує ряд чисел — 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126, названих магічними, які визначають максимальне число нуклонів у заповнених оболонках.

Перехід ядра атома з одного стану в інший, наприклад із стабільного у збуджений чи навпаки, за оболонковою моделлю пояснюють як квантовий перехід нуклона з однієї оболонки на іншу. Щоразу, коли число протонів чи нейтронів стає магічним, відбувається стрибкоподібна зміна величин, які характеризують властивості ядра. Цим, зокрема, пояснюють фізичну причину існування періодичності у властивостях хімічних елементів, відображену періодичною системою Д. І. Менделєєва.

Принцип Паулі спочатку був сформульований для пояснення зако номірностей у заповненні електронних орбіталей в атомі; згодом він був поширений на всі елемен тарні частинки з напівцілим спіном. Принцип Паулі є фізичною суттю періодичного закону Д. І. Менделєєва.

Оболонкова модель атомного ядра є однією з найпродуктивніших у ядерній фізиці, зокрема в поясненні періодичності власти-востей ядер і механізму ядерних реакцій. Проте вона також має свої обмеження, оскільки неспроможна розтлумачити властивості важких ядер і пояснити всі типи взаємодії нуклонів у ядрі. Тому існують також інші моделі атомних ядер, наприклад, крапельна, згідно з якою атомне ядро уявляють у формі краплі особливої квантової рідини.