Ядрото на атома

Ядрото на атома и магическите числа

Какво е

Ядрото, магическите числа и силите

Още в 1928 г. известният физик и астроном Георгий Гамов, разработвайки теория за алфа-разпадането, въведе представи за ядрото като своеобразна капка, чиито частици са тясно свързани помежду си от сили на привличане. В 1936 г. Нилс Бор и Джон Уилър доразвиха тези идеи, създавайки капковия модел на ядрото. Аналогията е доста нагледна. Между молекулите във водната капка има сили на привличане, които действуват на много къси разстояния също като ядрените сили. Ако се пусне капка вода в друга течност със същата плътност, тя заема сферична форма. Това се дължи на повърхностното напрежение, което се създава от молекулите по повърхността на капката. Техните сили на привличане се уравновесяват отвътре, но не и отвън. Сумирани, те придават на капката сферична форма, която има най-малка площ.

5000 продукта от Knipex на склад

В атомното ядро има значителен брой протони и неутрони

В атомното ядро в изключително малък обем са съсредоточени значителен брой протони и неутрони. Те се свързват помежду си чрез полето на силното ядрено взаимодействие. Повърхностният слой нуклони остава неуравновесен и затова може да се каже, че ядрото също има повърхностно напрежение. В реалния случай тази картина се усложнява поради взаимното отблъскване между електрически заредените протони. Тъй като ядрата имат различен брой протони и неутрони, силното и електромагнитното взаимодействие се наслагват и в крайна сметка формата на ядрото става неправилна. Някои ядра имат доста удължена форма и дори слабо въздействие, като попадането на неутрон отвън, може да наруши равновесието и да доведе до разделяне на ядрото на две. Тази теория, която доста добре обясняваше деленето на атомите, бе предложена от Бор и Уилър в 1939 г.

Капковият модел на ядрото изигра голяма роля в експерименталната физика и дълги години се ползваше с голяма популярност сред учените. Натрупваха се обаче факти, които не можеха да намерят обяснение в рамките на тази проста схема.

Особени стабилни ядра

Още в 1934 г. младият немски физик Валтер Елзасер установи, че ядра, в които броят на протоните или неутроните е равен на 2, 8, 20, 50, 82 или 126, са особено стабилни. Тъй като за това нямаше обяснение, физиците нарекоха тези числа „магически“. Особено стабилни се оказаха ядрата, където броят на нуклоните бе двойно магически. Например хелий-4, два неутрона и два протона, кислород-16 с 8 протона и 8 неутрона и олово-208 е 82 протона и 126 неутрона. Тези факти, наред с някои други, дадоха основание на американския физик Бартлет да предложи слоест модел на ядрото. Тази идея обаче бе доста изпреварила времето си и затова не намери поддръжка. В 1949 г. настроението сред физиците вече беше друго и слоестият модел на ядрото, предложен от Мария Гьоперт-Майер и Ханс Йенсен, привлече всеобщо вниманието на учените.

Според тяхната теория нуклоните се движат в ядрото по орбити на определени нива, подобно на електроните в атома. И както строежът на електронната обвивка и нейното постепенно запълване стоят в основата на периодичната таблица на елементите, така и магическите числа, в съчетание със слоестия модел, доведоха до периодична таблица на ядрата. Всяко магическо число показва какъв максимален брой нуклони може да има в даден слой. Отначало тази теория трудно се възприемаше.

Слоестият модел на ядрото

Физиците не можеха да допуснат, че в свръхплътното ядро протоните и неутроните се движат независимо един от друг и запазват някаква подреденост. Но слоестият модел добре обясняваше някои явления, свързани например с устойчивостта на атома. И през 50-те години спечели болшинството от учените на своя страна. Израз на голямата популярност на ядрения модел, създаден от Мария Гьоперт-Майер и Ханс Йенсен, бе тяхното удостояване с Нобелова награда по физика за 1963 г.

Заедно с тях бе награден и американският физик от унгарски произход Юджин Уигнър. Неговото научно творчество е свързано с квантовата механика и електродинамика, с физиката на ядрата и елементарните частици. Още в 1933 г. той доказа, че ядрените сили трябва да имат малък радиус на действие. Впоследствие той публикува и други работи, свързани с взаимодействията между нуклоните. Уигнър участвуваше в групата на Ферми, която през 1942 г. пусна първия американски атомен реактор. В края на 40-те и през 50-те години той публикува важни работи върху физиката на елементарните частици и за своя цялостен принос в изследванията на ядрата и частиците и особено за прилагането на принципите на симетрия той стана Нобелов лауреат през 1963 г.

Историята на науката дава много примери как сред учените периодично се появява увлечение към една теория, а след това към нейната противоположност. Обикновено това завършва със създаването на хибридна теория, която обединява положителните качества на предишните схващания и издига представите на по-високо ниво.

Точно такъв е случаят с идеите за атомното ядро. След капковия модел на Гамов, Бор и Уилър дойде слоестият модел, който се опита да вкара протоните и неутроните в твърде строги рамки. Но още през 1952 г. датският физик 

Обобщен модел на ядрото

Оге Бор, син на Нилс Бор, заедно с американския си колега Бен Мотелсон, създаде т.нар. обобщен модел на ядрото. Малко преди тях, в 1950 г., подобни идеи бе изказал и Джеймс Рейнуотър. Според обобщената теория ядрото наистина се състои от слоеве, които постепенно се запълват при всеки следващ елемент от периодичната таблица. На повърхността обаче това подреждане се нарушава, плътността на частиците намалява и се създават условия за нестабилност. Именно в тази област около повърхността се деформират ядрата и се образуват своеобразни вълни, с които се свързва ядреното гама-излъчване и радиоактивността.

Данните за структурата на ядрата бяха получени чрез обстрелването на мишени с частици, ускорени до много високи енергии. Картината на разсейването дава представа за разпределението на протоните и неутроните вътре в ядрото. Наред с това се прилага и методът на мезоатомите. В 1953 г. Рейнуотър реши да използва обстоятелството, че мю-мезонът, който е всъщност тежък електрон, попадайки в атома, се спуска до ядрото и дори навлиза в него. При това той отделя рентгенови лъчи, които дават информация за различните структури. Така бе установено например, че ядрата имат „стратосфера“. Това е област около повърхността, в която плътността на частиците е 20 пъти по-малка, отколкото в ядрото.

През 1958 г. Оге Бор и Бен Мотелсон въведоха явленията свръхпроводимост и свръхфлуидност в моделите за ядрото. Това значително обогати тяхната теория, доближавайки я до действителността. Големите заслуги на Рейнуотър, Бор и Мотелсон за развитието на ядрената физика доведоха до тяхното удостояване с Нобелова награда през 1975 г.