А́томное ядро́, центральная, компактная часть атома, в которой сосредоточен весь его положительный заряд и более 99,94 % массы. Размер атомного ядра 10^–15–10^–14 м, что примерно в 10⁵ раз меньше размера атома. Атомное ядро состоит из $Z$ протонов $(p)$ и $N$ нейтронов $(n),$ имеет положительный заряд $Q = Z \cdot |e|,$ где $e$ – элементарный электрический заряд. Число $Z$ равно числу электронов в нейтральном атоме и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе химических элементов. Атомное ядро было обнаружено в 1911 г. Э. Резерфордом в опытах по рассеянию альфа-частиц атомами тяжёлых химических элементов. Состав атомного ядра был установлен в 1932 г. после открытия нейтрона Дж. Чедвиком. Протон и нейтрон объединяют термином «нуклон».

Важнейшими характеристиками ядра являются его энергетическое состояние, а также спин, чётность, изотопический спин. Кроме того, атомные ядра могут иметь различные электрические и магнитные моменты (например, квадрупольный момент ядра) и разную форму – как сферическую, так и отличную от неё.

Соотношение нуклонов в ядре и карта атомных ядер

Атомное ядро обозначают символом химического элемента $(^A_Z\text{X}),$ в состав атома которого оно входит. Верхний и нижний левые индексы указывают соответственно полное число $A$ нуклонов в нём (массовое число ${A = Z + N}$) и число протонов $Z$ (равное заряду ядра в единицах заряда электрона). Так, например, ядро алюминия $(\text{Al}),$ имеющее 13 протонов и 14 нейтронов, обозначают $^{27}_{13}\text{Al}.$ Ядра с одинаковыми $Z,$ но разными $A$ называют изотопами, с одинаковыми $A,$ но разными $Z$ – изобарами. Известно около 3 тыс. нуклидов – ядер, отличающихся друг от друга либо значением $A$, либо $Z$, либо тем и другим. Более 90 % из них получены искусственным путём и обладают свойством радиоактивности. В природных образцах найдено 262 стабильных и 25 радиоактивных долгоживущих нуклидов (их период полураспада больше 0,5 млрд лет). Все они представлены на рис. 1 в виде т. н. ${NZ}$-диаграммы, которую можно рассматривать как своеобразную карту атомных ядер. Каждому нуклиду отвечает отдельная точка на плоскости с осями чисел нейтронов $(N)$ и протонов $(Z).$ Совокупность этих точек образует линию стабильности атомных ядер.

Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25).Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25).Лёгкие стабильные ядра ($A ≤ 20$) располагаются вдоль линии $N \approx Z.$ С ростом $A$ в ядрах, лежащих на линии стабильности, относительное число нейтронов увеличивается. У самых тяжёлых устойчивых нуклидов число нейтронов в ядре примерно в 1,5 раза превышает число протонов. Это объясняется возрастанием сил кулоновского отталкивания протонов с ростом $Z.$ Эти силы стремятся разрушить атомное ядро. Поэтому восстановление устойчивости тяжёлых ядер достигается увеличением в них доли электрически нейтральных нейтронов.

Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ.Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ.К самым тяжёлым стабильным ядрам относятся четыре изотопа свинца $^{204}_{82}\text{Pb},$ $^{206}_{82}\text{Pb},$ $^{207}_{82}\text{Pb},$ $^{208}_{82}\text{Pb}$ и изотоп висмута $^{209}_{83}\text {Bi}.$ Самые тяжёлые природные изотопы – это радиоактивные долгоживущие ядра тория $(^{232}_{90}\text{Th})$ и три изотопа урана $^{234}_{92}\text{U},$ $^{235}_{92}\text{U},$ $^{238}_{92}\text{U}.$ Они показаны четырьмя красными точками в правом верхнем углу диаграммы рис. 1. Искусственным путём получено множество радиоактивных ядер, отсутствующих в природе. Их число примерно в 10 раз превышает число стабильных и долгоживущих ядер, представленных на рис. 1. Благодаря экспериментам по получению искусственных нуклидов известны ядра со значением $Z$ до 118 и $A$ до 294. Таким образом, количество известных химических элементов увеличилось примерно на 30 %. Эти элементы получили название трансурановых ($Z$ = 93–100) и трансфермиевых $(Z > 100).$ Трансфермиевые элементы венчают современный существенно расширенный вариант таблицы Менделеева. Они перечислены на рис. 2. Четыре трансфермиевых элемента $(\text{Db},$ $\text{Fl},$ $\text{Mc}$ и $\text{Og})$ синтезированы в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и получили соответствующие названия. Элементы Flerovium и Oganesson названы в честь академиков Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна, которые руководили экспериментами по синтезу новых элементов.

Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных).Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных).Вся совокупность известных атомных ядер представлена на ${NZ}$-диаграмме (рис. 3). Области вне линии стабильности занимают искусственно полученные нестабильные радионуклиды, испытывающие радиоактивный распад. Цветом отмечены разные типы этого распада ( $\beta ^+$, $\beta ^-$ – бета-распад; $\alpha$ – альфа-распад; деление атомного ядра; испускание протона или нейтрона). Реализация этих распадов возвращает вновь образованные ядра на линию стабильности.

Структура ядра

Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ.Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ.Расстояния в ядерной физике принято измерять в ферми (Фм; 1 Фм = 10^–15 м, т. е. совпадает по величине с фемтометром). Атомное ядро представляет собой систему плотно упакованных нуклонов, среднее расстояние между которыми (1,5–2,0 Фм) сравнимо с размером нуклона. Нуклоны в ядре удерживаются мощными и короткодействующими ядерными силами притяжения, возникающими вследствие сильного взаимодействия между кварками и глюонами, из которых состоят нуклоны. Нуклон-нуклонное взаимодействие внутри атомного ядра реализуется путём обмена мезонами, прежде всего π-мезонами (рис. 4), которые, как и нуклоны, являются адронами, т. е. состоят из кварков и глюонов. Последовательное описание такого взаимодействия возможно лишь в рамках квантовой хромодинамики. Решение этой важнейшей проблемы ядерной физики до сих пор актуально.

Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ.Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ.Форма атомных ядер может быть различной. Но в любом случае это системы с центром симметрии. Есть ядра, имеющие сферическую форму. Большинство же ядер имеют форму, слегка отличающуюся от сферической. Несферические ядра (их также называют деформированными ядрами) имеют форму, близкую к аксиально симметричному эллипсоиду, сплюснутому или вытянутому (рис. 5).

Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ.Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ.Для ядер с $A ≥ 20$ средняя плотность нуклонов меняется мало, т. е. объём ядра пропорционален $A,$ а его радиус $R$ пропорционален $\text A^{⅓},$ т. е. $R = r_0A.$ Константа $r_0$ лежит в пределах 1,0–1,2 Фм. Плотность заряда и вещества максимальна в центре ядра и спадает к его границе (рис. 6), причём толщина поверхностного слоя, характеризующая этот спад, практически одинакова у различных ядер и составляет около 2,4 Фм. Средняя плотность ядерного вещества – около 10¹⁷ кг/м³.

Энергия связи ядра

Энергетической характеристикой атомного ядра является его энергия связи – минимальная энергия, которая необходима для расщепления ядра на свободные нуклоны:

$E_{св} = (Zm_p + Nm_n)c^2 – Mc^2,$где $M,$ $m_p,$ $m_n$ – масса ядра, протона и нейтрона соответственно, $c$ – скорость света. $E_{св}$ ядра тем больше, чем больше $A,$ а удельная энергия связи (энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон) для большинства ядер лежит в интервале энергий 7–9 МэВ (рис. 7). Такая особенность удельной энергии связи атомного ядра объясняется короткодействием ядерных сил: нуклон в ядре, как правило, взаимодействует лишь со своим ближайшим окружением.

Постоянство плотности и удельной энергии связи позволяет рассматривать атомное ядро как каплю заряженной жидкости, что привело к разработке капельной модели ядра. На основе этой модели немецкий физик К. Ф. фон Вайцзеккер в 1935 г. предложил полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра, названную формулой Вайцзеккера:

$E_{св} = a_1A – a_2A^{2/3} – a_3Z(Z–1)A^{–1/3} – a_4(N–Z)^2A^{–1} + a_5A^{–3/4},$где $a_1,$ $a_2,$ $a_3,$ $a_4,$ $a_5$ – эмпирические коэффициенты, имеющие размерность энергии.

В дальнейшем были обнаружены ядра, у которых наблюдались значительные отклонения от формулы Вайцзеккера. Это магические ядра, проявляющие наибольшую устойчивость, т. е. имеющие аномально большую энергию связи по сравнению с близкими по составу нуклидами и повышенную распространённость в природе. Их форма близка к сферической, а число нейтронов и/или протонов в них равно 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Обнаружение и исследование магических ядер привело к созданию оболочечной модели ядра.

Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ.Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ.Атомное ядро – потенциальный источник огромной энергии. Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов (рис. 7) имеет максимум при $A\approx$ 50–60, где располагаются наиболее устойчивые ядра. Поэтому существуют два возможных процесса, позволяющих извлечь ядерную энергию: деление тяжёлых ядер и синтез (слияние) лёгких ядер. В обоих процессах удельная энергия связи конечных ядер возрастает и возникающий при этом избыток энергии освобождается. Первый процесс, проходящий при возникновении неуправляемой цепной ядерной реакции деления, может привести к ядерному взрыву, а идущий в контролируемом режиме используется в ядерных реакторах. Второй процесс (термоядерные реакции) имеет место в звёздах и был реализован человечеством в термоядерном оружии (водородной бомбе). Предпринимаются попытки создания термоядерного реактора для использования этой самой большой (при расчёте на единицу массы топлива) энергии в мирных целях.

Энергетические состояния ядра

Атомные ядра могут находиться в различных энергетических состояниях: невозбуждённом (с наименьшей энергией) и возбуждённых состояниях. Возбуждённые состояния образуют спектр ядерных уровней, который дискретен до энергии возбуждения около 10 МэВ. При бóльших энергиях этот спектр становится непрерывным за счёт возрастающей плотности уровней и их ширины. Область ядерных возбуждений лежит в интервале 0–100 МэВ. Выше этой энергии в ядре начинают проявляться возбуждённые состояния отдельных нуклонов. Сведения о различных ядерных состояниях собраны в базах данных международных ядерных центров.

Методы описания атомного ядра

Несмотря на то что атомное ядро открыто более 100 лет назад, его изучение ещё далеко от завершения. Это связано с необычайной сложностью ядра, включающего до 300 нуклонов, которые также имеют сложную внутреннюю структуру. Причём нуклоны размером около 10^–15 м плотно сжаты в пространстве размером не более 10^–14 м, где они движутся со скоростями, достигающими 20 % скорости света, и испытывают самые сильные из известных взаимодействий. При теоретическом описании атомного ядра используют приближённые методы решения задачи многих тел; широко распространён феноменологический подход, в основе которого лежат ядерные модели, отражающие различные свойства атомного ядра. Обусловлено это тем, что в разных процессах атомное ядро проявляет различные и, на первый взгляд, несовместимые друг с другом свойства. Оно похоже на газ (вырожденный ферми-газ), и в то же время большая плотность роднит его с ферми-жидкостью. В ряде случаев атомное ядро проявляет свойства, сближающие его и с плазмой, и с твёрдым телом. В нём присутствуют как одночастичные возбуждения, характерные для атомов, так и коллективные, присущие молекулам и макроскопическим объектам. Поэтому в физике атомного ядра часто используют идеи из других областей физики (атомной и молекулярной физики, гидродинамики, физики твёрдого тела и элементарных частиц). Теоретический аппарат ядерной физики также весьма разнообразен – от классической электродинамики и статистической физики до квантовой механики и квантовой теории поля.