Курс физики для вузов - часть 120

позволило обнаружить сверхтонкую
структуру спектральных линий. Ее су-
ществование В. Паули объяснил (1924)

наличием у атомных ядер собственного

момента импульса {спина) и магнитно-

го момента.

Собственный момент импульса

ядра — спин ядра — складывается из

спинов нуклонов и из орбитальных мо-
ментов импульса нуклонов (моментов
импульса, обусловленных движением
нуклонов внутри ядра). Обе эти вели-
чины являются векторами, поэтому
спин ядра представляет их
сумму. Спин ядра квантуется по закону

где / — спиновое ядерное квантовое

число (его часто называют просто спи-
ном ядра), которое принимает целые

1 3

или полуцелые значения 0, —, 1, —, ....

Ядра с четными А имеют целые  с не-
четными — полуцелые /.

Атомное ядро кроме спина обладает

магнитным моментом

 Магнит-

ный момент ядра связан со спином ядра

[см. аналогичное выражение (131.5)

для электрона]:

 =

 где

 — ко-

эффициент пропорциональности, назы-
ваемый ядерным гиромагнитным от-
ношением.

Единицей магнитных моментов ядер

служит ядерный магнетон

где

 — масса протона [ср. эту форму-

лу с магнетоном Бора (§ 131)]. Ядерный

магнетон в —-  1836 раз меньше маг-
нетона Бора, поэтому магнитные свой-

ства атомов определяются в
магнитными свойствами его электронов.

В случае эффекта Зеемана (см. § 223)

при помещении атома в магнитное поле

наблюдается расщепление энергетичес-
ких уровней и спектральных линий

{тонкая структура), обусловленное

спин-орбитальным взаимодействием
электронов. Во внешнем магнитном
поле также наблюдается расщепление
уровней энергии атома на близко рас-
положенные подуровни {сверхтонкая
структура), обусловленное взаимо-
действием магнитного момента ядра с
магнитным полем электронов в атоме.

Магнитные моменты ядер могут, та-

ким образом, определяться спектроско-
пическим методом но сверхтонкой
структуре спектральных линий. Однако
магнитные моменты ядер примерно на
три порядка меньше магнитных момен-
тов электронов [см. (253.1) и (§ 131)],
поэтому расщепление спектральных
линий, соответствующее сверхтонкой
структуре, значительно меньше рас-
щепления за счет взаимодействия меж-
ду

 и орбитальным момента-

ми электрона (тонкая структура).

Таким образом, из-за малости эф-

фекта, даже при использовании спект-
ральных приборов очень большой раз-
решающей способности,
го метода невелика. Поэтому были раз-
работаны более точные (не оптические)
методы определения магнитных мо-
ментов ядер, одним из которых являет-
ся метод ядерного магнитного резо-
нанса.

Явление ядерного магнитного резо-

нанса заключается в следующем: если
на вещество, находящееся в сильном
постоянном магнитном поле, действо-
вать слабым переменным радиочастот-
ным магнитным полем, то при частотах,
соответствующих частотам переходов
между ядерными подуровнями, возни-
кает резкий (резонансный) максимум
поглощения. Ядерный магнитный резо-
нанс обусловлен происходящими под
влиянием переменного магнитного поля

479

квантовыми переходами между ядер-
ными подуровнями.

Точность метода задается точностью

измерения напряженности постоянно-
го магнитного поля и резонансной час-

тоты, так как по их значениям вычис-
ляются магнитные моменты ядер. Так
как для измерения этих величин при-
меняются прецизионные методы, то
можно определять с высокой точностью

(до шести знаков).

Метод ядерного магнитного резо-

нанса позволяет наблюдать ядерный
резонанс на ядрах, обладающих магнит-
ным моментом порядка

 Количе-

ство вещества, необходимое для изме-
рений, должно составлять

 г (в

зависимости от значения

 Измере-

ние значений магнитных моментов
ядер часто сводится к сравнению резо-
нансных частот исследуемых ядер с ре-
зонансной частотой протонов, что по-
зволяет освободиться от точной калиб-
ровки магнитного поля, которая явля-

ется довольно трудоемкой.

§ 254. Ядерные силы. Модели ядра

Между составляющими ядро нукло-

нами действуют особые, специфические
для ядра силы, значительно превыша-
ющие кулоновские силы отталкивания
между протонами. Они называются
ядерными силами.

 помощью экспериментальных

данных по рассеянию нуклонов на яд-
рах, по ядерным превращениям и т.д.
доказано, что ядерные силы намного

превышают гравитационные, электри-

ческие и магнитные взаимодействия и

не сводятся к ним. Ядерные силы отно-
сятся к классу так называемых сильных
взаимодействий.

Перечислим основные свойства ядер-

ных сил:

1) ядерные силы являются силами

притяжения;

2) ядерные силы являются

действующими — их действие проявля-
ется только на расстоянии примерно

10~

15

 м. При увеличении расстояния

между нуклонами ядерные силы быст-
ро уменьшаются до нуля, а при рассто-
яниях, меньших их радиуса действия,
оказываются примерно в 100 раз боль-
ше кулоновских сил, действующих меж-
ду протонами на том же расстоянии;

3) ядерным силам свойственна заря-

довая независимость: ядерные силы,
действующие между двумя протонами,
или двумя нейтронами, или, наконец,
между протоном и нейтроном, одинако-
вы по величине. Отсюда следует, что
ядерные силы имеют неэлектрическую
природу;

4) ядерным силам свойственно на-

сыщение, т. е. каждый нуклон в ядре вза-
имодействует только с ограниченным
числом ближайших к нему нуклонов.

Насыщение проявляется в том, что

удельная энергия связи нуклонов в
ядре (если не учитывать легкие ядра)
при увеличении числа нуклонов не ра-
стет, а остается приблизительно посто-
янной;

5) ядерные силы зависят от взаим-

ной ориентации спинов взаимодейству-
ющих нуклонов. Например, протон и
нейтрон образуют дейтрон (ядро изото-
па

 только при условии параллель-

ной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются цент-

ральными, т. е. действующими по линии,

соединяющей центры взаимодействую-
щих нуклонов.

Сложный характер ядерных сил и

трудность точного решения уравнений
движения всех нуклонов ядра (ядро
с массовым числом А представляет со-
бой систему из А тел) не позволили до

настоящего времени разработать еди-

480

ную последовательную теорию атомно-
го ядра. Поэтому в настоящее время
прибегают к рассмотрению
ных ядерных моделей, в которых ядро
заменяется некоторой модельной сис-
темой, довольно хорошо описывающей
только определенные свойства ядра и
допускающей более или менее простую

математическую трактовку. Из большо-
го числа моделей, каждая из которых
обязательно использует подобранные
произвольные параметры, согласующи-
еся с экспериментом, рассмотрим две:
капельную

1. Капельная модель ядра (1936;

Н.Бор и Я.И.Френкель). Капельная
модель ядра является первой моделью.

Она основана на аналогии между пове-

дением нуклонов в ядре и поведением

молекул в капле жидкости.

Так, в обоих случаях силы, действу-

ющие между составными частицами —
молекулами в жидкости и нуклонами в
ядре,

 являются короткодействующи-

ми и им свойственно насыщение. Для
капли жидкости при данных внешних
условиях характерна постоянная плот-
ность ее вещества. Ядра же характери-
зуются практически постоянной удель-
ной энергией связи и постоянной плот-
ностью, не зависящей от

 нукло-

нов в ядре. Наконец, объем капли, так
же как и объем ядра [см.

 про-

порционален числу частиц.

Существенное отличие ядра от кап-

ли жидкости в этой модели заключает-
ся в том, что она трактует ядро как кап-
лю электрически заряженной несжима-
емой жидкости (с плотностью, равной

ядерной), подчиняющуюся законам

квантовой механики. Капельная модель

ядра позволила получить полуэмпири-.
ческую формулу для энергии связи

нуклонов в ядре, объяснила механизм
ядерных реакций и особенно реакции
деления ядер. Однако эта модель не

смогла, например, объяснить повышен-
ную устойчивость ядер, содержащих
магические числа протонов и нейтронов.

2. Оболочечная модель ядра

 —

1950; американский физик М. Гепперт-

Майер (1906 —

 и немецкий физик

 (1907-1973)]. Оболочечная

модель предполагает распределение
нуклонов в ядре

 дискретным энер-

гетическим уровням (оболочкам), за-
полняемым нуклонами согласно прин-
ципу Паули, и связывает устойчивость
ядер с заполнением этих уровней. Счи-
тается, что ядра с полностью заполнен-
ными оболочками являются наиболее
устойчивыми. Такие особо устойчивые

(магические) ядра действительно суще-

ствуют (см. § 252).

Оболочечная модель ядра позволи-

ла объяснить спины и магнитные мо-
менты ядер, различную устойчивость
атомных ядер, а также периодичность
изменений их свойств. Эта модель осо-
бенно хорошо применима для описания
легких и средних ядер, а также для ядер,

находящихся в основном (невозбуж-

денном)

По мере дальнейшего накопления

экспериментальных данных о свой-
ствах атомных ядер появлялись все но-
вые факты, не укладывающиеся в рам-
ки описанных моделей. Так возникли
обобщенная модель ядра (синтез ка-
пельной и оболочечной моделей), оп-
тическая модель ядра (объясняет вза-
имодействие ядер с налетающими час-
тицами) и другие модели.

§ 255. Радиоактивное излучение

и его виды

Французский физик А. Беккерель

(1852-1908) в 1896 г. при изучении

люминесценции

 урана случайно

обнаружил самопроизвольное испуска-

 6 Курс физики

481

ние ими излучения

 приро-

ды, которое действовало на фотоплас-
тинку, ионизировало воздух, проника-
ло сквозь тонкие металлические плас-
тинки, вызывало люминесценцию ряда
веществ.

Продолжая исследование этого яв-

ления, супруги Кюри — Мария

 —

1934) и Пьер (1856-1906) - обнару-

жили, что беккерелевское излучение

свойственно не только урану, но и мно-
гим другим тяжелым элементам, таким,
как торий и актиний. Они показали так-
же, что урановая смоляная обманка

(руда, из которой добывается металли-

ческий уран) испускает излучение, ин-
тенсивность которого во много раз пре-
вышает интенсивность излучения ура-
на. Таким образом удалось выделить
два новых элемента — носителя бекке-

релевского излучения: полоний

 и

радий

Обнаруженное излучение было назва-

но радиоактивным излучением, а са-
мо явление — испускание радиоактив-
ного излучения —радиоактивностью.

Дальнейшие опыты показали, что на

характер радиоактивного излучения

препарата не оказывают влияния вид
химического соединения, агрегатное
состояние, механическое давление, тем-
пература, электрические и магнитные
поля, т.е. все те воздействия, которые
могли бы привести к изменению состо-
яния электронной оболочки атома.

Следовательно, радиоактивные свой-

ства элемента обусловлены лишь
структурой его ядра.

В настоящее время под радиоак-

тивностью понимают способность не-
которых атомных ядер самопроизволь-
но (спонтанно) превращаться в другие
ядра с испусканием различных видов
радиоактивных излучений. Радиоак-
тивность подразделяется на есте-

ственную (наблюдается у неустойчи-

вых изотопов, существующих в приро-
де) и искусственную (наблюдается у
изотопов, полученных посредством
ядерных реакций). Принципиального
различия между этими двумя типами
радиоактивности нет, так как законы
радиоактивного превращения в обоих

случаях одинаковы.

Радиоактивное излучение бывает

трех типов: а-, (3- и

 Подроб-

ное их исследование позволило выяс-
нить природу и основные свойства.

 отклоняется электри-

ческим и магнитным полями, обладает
высокой ионизирующей способностью
и малой проникающей способностью

(например, поглощаются слоем алюми-

ния толщиной примерно 0,05 мм).

 представляет собой поток

ядер гелия; заряд

 равен

а масса совпадает с массой ядра изото-
па гелия

 По отклонению

в электрическом и магнитном полях

был определен их

 заряд

значение которого подтвердило пра-
вильность представлений об их природе.

 отклоняется электри-

ческим и магнитным полями; его иони-
зирующая способность значительно

 (примерно на два порядка), а

проникающая способность гораздо
больше (поглощается слоем алюминия

толщиной примерно 2 мм), чем у а-ча-

стиц.

 представляет собой

поток быстрых электронов (это вытека-
ет из определения их удельного заряда).

Поглощение потока электронов с

одинаковыми скоростями в однород-
ном веществе подчиняется экспоненци-
альному закону

 где

 N—

число электронов на входе и выходе
слоя вещества толщиной х,  — коэф-

фициент поглощения.
сильно рассеивается в веществе, поэто-
му  зависит не только от вещества, но

482