Образование атомных ядер из элементарных частиц связанное состояние протона и нейтрона — дейтрон

ОБРАЗОВАНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР ИЗ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ СВЯЗАННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОТОНА И НЕЙТРОНА — ДЕЙТРОН

Протон и нейтрон удалось выделить из атомных ядер, не прибегая к помощи ускорителей — путем бомбардировки атомов ядрами гелия с энергией, не превышающей 10 МэВ. Однако сами нуклоны «устояли» перед попытками разделить их на более мелкие части, хотя энергия бомбардирующих их частиц в 70 тыс. раз превышала энергию ядер гелия. Обе эти частицы так и остались для нас «основными кирпичиками» атомных ядер. И здесь ничего не изменило ни открытие нескольких сотен других элементарных частиц, возникающих на короткое время в столкновениях с большой энергией, ни даже теория кварков, столь убедительно говорящая о составной структуре протона и нейтрона.

Существование ядер, состоящих из двух или нескольких нуклонов, доказывает, что сильные взаимодействия, ответственные за «быстрые» превращения и распады элементарных частиц, имеют характер сил притяжения, благодаря которым образуются связанные состояния из большего числа нуклонов. Энергию, выделяющуюся или поглощаемую в ядерных реакциях, — а тем самым и энергию связи нуклонов в ядрах—в принципе можно определить, измеряя кинетическую энергию частиц до и после реакции. О методах таких измерений по траекториям частиц в камере Вильсона мы говорили в гл. 3. Однако точность этих измерений невысока; ее не удалось существенно повысить даже с помощью современной значительно усовершенствованной аппаратуры, где частицы движутся в магнитном поле по искривленным траекториям. Определение энергии связи атомных ядер на основе измерения энергии частиц при ядерных реакциях требует длительных экспериментов.

Кроме того, образовавшиеся ядра после реакции остаются еще некоторое время в возбужденных состояниях, т. е. обладают избыточной энергией, которую некоторое время спустя выделяют в виде гамма-излучения. Все это тоже усложняет измерения.

Гораздо проще и точнее можно определить энергию связи нуклонов в ядре по разности между массой покоя ядра и суммой масс покоя свободных нуклонов (протонов и нейтронов), из которых состоит ядро[1].

Поскольку в дальнейшем нам потребуются наиболее точно измеренные значения масс покоя протона mр, нейтрона m_n и электрона m_е, мы приводим их здесь, причем в трех различных единицах:

m_e = (1,672614±0,000011)·10²⁷ кг= =938,2592 МэВ/с² =1,00727661 а.е.м.;

m_n = (1,674920 ± 0,000011) ·10-²⁷ кг = 939,5527 МэВ/с² =1,00866520 а.е.м.;

m_e = (9,1083±0,0003)·10-³¹ кг = 0,51097 МэВ/с² =5,48517·10^-4 а.е.м.

Атомная единица массы (а.е.м., международное обозначение u) определяется как 1/12 массы атома углерода с массовым числом 12. Следовательно, масса атома углерода в таких единицах точно равна 12. (Прежнее определение атомной единицы, основанное на массе изотопа кислород-16, имело некоторое неудобство, и от него отказались.) Массы атомов различных элементов, выраженные в атомных единицах массы, приблизительно равны их массовым числам, т. е. количеству нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре; сегодня это название нередко заменяют термином «нуклонное число»[2].

На рис. 39 представлены результаты измерения массы ионизованных атомов дейтерия и обычного водорода. Измерения проводились при помощи масс-спектрометра с высокой чувствительностью и разрешающей способностью. Масса иона молекулы водорода равна сумме масс двух протонов и одного электрона. Ион дейтерия (дейтрон), который дает вторую спектральную линию масс-спектра, представляет собой связанное состояние нейтрона и протона. В уравнениях ядерных реакций он обозначается символами ²₁Н или ²₁D либо просто d. Масса его в таком эксперименте получилась равной 3,343566-10 ^-27 кг, т. ,е. 1875,566 МэВ/с². Эта величина на 3,968.10^-30 кг= 2,226 МэВ/с ² меньше, чем сумма масс протона и нейтрона. При соединении нейтрона с протоном суммарная масса покоя обеих частиц уменьшается; следовательно, при этом должна выделяться энергия. И наоборот, чтобы вновь разделить дейтрон на свободные протон и нейтрон, очевидно, потребуется дополнительная энергия не менее 2,226 МэВ.

ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ

Выражение «выделяется энергия» употребляют довольно часто, но оно ничего не говорит о том, где и в какой форме проявляется эта энергия. Именно в случае реакции соединения (слияния, или синтеза) протона с нейтроном обычная формулировка о выделении энергии может привести к неверным представлениям.