Размеры ядра и распределение плотности ядерной материи

Первые представления о размерах ядра были получены Резерфордом при экспериментальном изучении рассеяния а-частиц с энергией — 5 МэВ при прохождении через тонкую фольгу золота. Наблюдалось рассеяние некоторых а-частиц на очень большие углы в, почти до i8o°. На этом основании в 1911 г. Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома имеется область положительного электрического заряда, связанная с большой массой, сконцентрированной в очень малом объёме (по сравнению с объёмом атома).

Размеры заряженной части ядра — порядка ю^-14 м, что намного меньше радиуса атома, Ю'^ю м. Радиус ядра пропорционален А^х>з, т. е. плотность ядерного вещества почти постоянна. (Она равна 2,3-ю¹⁴ г/смз, для сравнения: плотность золота 19,32 г/см-з). Это говорит об огромных силах, которые необходимы для скрепления вещества такой плотности. Поэтому любое изменение в ядре (через распад или реакции) может освободить большое количество энергии.

Ядро, как квантовомеханическая система, не имеет определенной границы. Размеры ядер определяют рассеянием а-частиц, быстрых нейтронов или быстрых электронов на ядрах, по энергетическому спектру а-частиц и др. Наиболее точными считаются оценки размеров ядра по результатам рассеяния ядрами быстрых нейтронов и электронов.

Ядро имеет почти сферическую форму. Радиус его определяется через массовое число А как где Го = (1,2*1,4)10-*зсм.

Высокая точность современных методов исследования с помощью рассеяния быстрых электронов с кинетической энергией Е_к«ш>500 МэВ позволяет оценить не только размер области, занятой протонами, но и распределение плотности р^ электрического заряда по ядру. Ядро не является твёрдой сферой. Распределение ядерной материи по объёму (радиусу) ядра в центральной области постоянно, но у периферии резко уменьшается до нуля. Положения центра масс и центра заряда ядра отличаются на од фм. Функция р (г) подчиняется распределению Ферми:

где р₀ — плотность ядерной материи в центре ядра, /?₀=1,о8−10^_1зЛ¹/з см — радиус ядра, г — расстояние, на котором плотность ядерной материи уменьшается в два раза, г~ 0,55−10^_1зсл^ - параметр диффузности (скорость убывания плотности ядерного вещества). Уменьшение плотности ядерного вещества от 0,9р_а до o, ip₀ для всех ядер происходит на одинаковых расстояниях d = 2,4-ю*¹ з см. Поэтому у лёгких ядер отсутствует область, где плотность ядерного вещества примерно постоянна.

Так как тяжёлые ядра имеют примерно на 50% больше нейтронов, чем протонов, то массовый радиус больше зарядового. Менее плотный приповерхностный слой ядра имеет иной состав, чем основная материя. Можно ожидать, что протоны вытесняются наружу протонным отталкиванием, а нейтроны смещаются во внутреннюю область ядра.

Плотность ядерной материи в центре ядра почти одинакова у всех ядер, она не зависит от числа нуклонов и составляет -0.17 нукл./фмз.

Плотность ядра вычисляется по формуле:

Толщина поверхностного слоя у всех ядер тоже почти одинакова и равна 2.4 фм.

Атомные ядра вблизи долины стабильности — довольно компактные объекты. Их радиусы меняются от 2−3 фм для самых лёгких ядер до 7−8 фм для самых тяжёлых. Однако для ядер, удалённых от долины стабильности, ситуация иная. Для некоторых ядер, перегруженных нейтронами (протонами), наблюдается так называемый нейтронный (протонный) слой — область вблизи поверхности ядра, в которой с учётом фактора нормировки N/Z р_п>рр (рр>рп).

В лёгких ядрах с большим отношением N/Z существует нейтронное гало. Оно наблюдается в ядрах, у которых энергия связи нейтрона В_п <1.5 МэВ. В гало-ядрах наряду с приповерхностным слоем (кором), для которого плотность распределения протонов и нейтронов совпадают, существует большая область на периферии ядра, в которой плотность распределения нейтронов р_п существенно больше плотности распределения протонов Рр (р_п>>Рр). Обнаружены также ядра, имеющие протонное гало.

Нейтронное облако, окружающее кор ядра, простирается на гораздо большие расстояния, чем радиус ядра, определяемый соотношением ^=1.3А¹/з. Так, для гало-ядра ⁿLi пространственное распределение двух нейтронов, образующих ядерное гало вокруг кора 'Li, простирается столь далеко, что радиус ядра «Li оказывается сравним с радиусом ядра ^2о8РЬ.