Нейтрона в 1932 году Джеймс Чедвик

Открытие нейтрона в 1932 году (Джеймс Чедвик) можно считать началом современной ядерной физики.^[1]
Боровская модель атома представляет из себя положительно заряженное ядро, где сконцентрирована почти вся масса атома (оно состоит из нейтронов и протонов), в окружении нескольких оболочек из очень лёгких отрицательно заряженных частиц (электронов). Размер атома оказывается порядка ангстрема (10⁻¹⁰ м), в то время как размеры ядра составляют от одного до нескольких ферми (10⁻¹⁵ м), то есть ядро меньше атома в 100 000 раз.
Электрически нейтральные атомы содержат одинаковое число электронов и протонов. Химический элемент однозначно определяется числом протонов в ядре, это число называется атомным номером (Z). Число нейтронов (N) в ядрах атомов данного элемента может варьироваться. Для малых Z это число у бета-стабильных ядер близко к числу протонов (N ≈ Z), но с увеличением Z, чтобы ядро оставалось стабильным, число нейтронов должно расти быстрее, чем Z. Атомы, которые отличаются только числом нейтронов в ядре, называются изотопами одного и того же элемента. Общее число нуклонов (то есть протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом A = Z + N.
Для названия изотопа обычно используется буквенное обозначение химического элемента с верхним индексом — атомной массой и (иногда) нижним индексом — атомным номером; например, изотоп уран-238 может быть записан в виде {\displaystyle {}_{92}^{238}\mathrm {U} .}
Нуклоны, из которых состоят ядра, обладают относительно малой массой (около 1 а.е.м.), электрический заряд протона положителен, а нейтрон не заряжен. Поэтому, если учитывать только существование электромагнитных и гравитационных сил, ядро будет нестабильно (одноимённо заряженные частицы будут отталкиваться, разрушая ядро, а массы нуклонов недостаточно велики, чтобы гравитация могла противодействовать кулоновскому отталкиванию), что делало бы невозможным существование материи. Из очевидного факта существования материи вытекает, что в модель необходимо добавить третью силу, которую назвали сильным взаимодействием (строго говоря, между нуклонами в ядре действует главным образом не само сильное взаимодействие как таковое, а остаточные ядерные силы, обусловленные сильным взаимодействием). Эта сила должна, в частности, быть очень интенсивной, притягивающей на очень коротких расстояниях (на расстояниях порядка размеров ядра) и отталкивающей на ещё более коротких расстояниях (порядка размеров нуклона), центральной в определённом диапазоне расстояний, зависящей от спина и не зависящей от типа нуклона (нейтроны или протоны). В 1935 году Хидеки Юкава создал первую модель этой новой силы, постулировав существование новой частицы, пиона. Легчайший из мезонов он отвечает за бо́льшую часть потенциала между нуклонами на расстоянии порядка 1 фм. Потенциал Юкавы, который адекватно описывает взаимодействие двух частиц со спинами {\displaystyle s_{1}}  и {\displaystyle s_{2}} , можно записать в виде:
{\displaystyle V(r)={\frac {g_{\pi }^{2}(m_{\pi }c^{2})^{3}}{3(Mc^{2})^{2}{\hbar }^{2}}}\left[s_{1}s_{2}+S_{12}1+{\frac {3R}{r}}+{\frac {3R^{2}}{r^{2}}}\right]{\frac {e^{-{\frac {r}{R}}}}{\frac {r}{R}}}.}
Другие эксперименты, проводившиеся на ядрах, показали, что их форма должна быть приблизительно сферической с радиусом {\displaystyle R=1,5\cdot A^{1/3}}  фм, где A — атомная масса, то есть количество нуклонов. Отсюда вытекает, что плотность ядер (и количество нуклонов на единицу объёма) постоянна. В самом деле, {\displaystyle V\sim R^{3}\sim A,}  то есть объём пропорционален А. Так как плотность рассчитывается путём деления массы на объём, {\displaystyle \rho ={\frac {A}{V}}={\rm {{const}.}}}  Это привело к описанию ядерной материи как несжимаемой жидкости и к появлению капельной модели ядра как фундаментальной модели, необходимой для описания деления ядер.
Энергия связи[править | править код]

Зависимость удельной энергии связи (то есть энергии связи, приходящейся на один нуклон) от числа нуклонов в ядре.
Хотя ядро состоит из нуклонов, однако масса ядра — это не просто сумма масс нуклонов. Энергия, которая удерживает вместе эти нуклоны, наблюдается как разница в массе ядра и массах составляющих его отдельных нуклонов, с точностью до коэффициента c², связывающего массу и энергию уравнением {\displaystyle E=m\cdot c^{2}.}  Таким образом, определив массу атома и массу его компонент, можно определить среднюю энергию на нуклон, удерживающую вместе различные ядра.
Из графика можно видеть, что очень лёгкие ядра имеют меньшую энергию связи на нуклон, чем ядра, которые немного тяжелее (в левой части графика). Это является причиной того, что в термоядерных реакциях (то есть при слиянии лёгких ядер) выделяется энергия. И наоборот, очень тяжёлые ядра в правой части графика имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем ядра средней массы. В связи с этим деление тяжёлых ядер также энергетически выгодно (то есть происходит с выделением ядерной энергии). Следует отметить также, что при слиянии (в левой части) разница масс гораздо больше, чем при делении (в правой части).
Энергия, которая требуется, чтобы разделить полностью ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи E_с ядра. Удельная энергия связи (то есть энергия связи, приходящаяся на один нуклон, ε = E_с/A, где A — число нуклонов в ядре, или массовое число), неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у лёгких ядер (дейтерий) до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом А ≈ 100). У тяжёлых ядер (А ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение лёгких ядер в более тяжёлые ядра даёт ещё больший энергетический выигрыш в расчёте на нуклон. Так, например, реакция соединения ядер дейтерия и трития
{\displaystyle \mathrm {{_{1}}D^{2}+{_{1}}T^{3}\rightarrow {_{2}}He^{4}+{_{0}}n^{1}} }
сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ, то есть 3,5 МэВ на нуклон^[2].