1. Атомное ядро – связанная система нейтронов и протонов

    Атомное ядро – центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточена практически вся его масса и весь положительный электрический заряд.
    Ядро, удерживая вблизи себя кулоновскими силами электроны в количестве, компенсирующем его положительный заряд, образует нейтральный атом. Большинство ядер имеют форму, близкую к сферической. Ядро имеет размер ≈ 10^-12 см, что на четыре порядка меньше размера атома (10^-8 см). Плотность вещества в ядре – около 230 млн. тонн/см³.
    Атомное ядро было открыто в 1911 г. в результате серии экспериментов по рассеянию α-частиц тонкими золотыми и платиновыми фольгами, выполненных в Кембридже (Англия) под руководством Э. Резерфорда. Оказалось, что угловое распределение α-частиц, рассеянных на атоме, имеет вид

где Z_α - электрический заряд α-частицы, Z_ядра – электрический заряд ядра, E – кинетическая энергия α-частицы, θ – угол рассеяния α-частицы.
    Это означало, что в атоме имеется точечное положительно заряженное ядро, содержащее в себе практически всю массу ядра. В 1914 году Э.Резерфорд показал, что в состав атомного ядра входят протоны – ядра атома водорода.
    В 1932 г. после открытия Дж.Чедвиком нейтрона стало ясно, что ядро состоит из протонов и нейтронов (В. Гейзенберг, Д.Д. Иваненко, Э. Майорана).
    Атомные ядра представляют собой квантовые системы нуклонов, связанных между собой ядерным взаимодействием. Свойства атомных ядер определяются совместным действием сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий.
    Атомные ядра состоят из нейтронов n и протонов p. Свойства свободных  нейтрона и  протона приведены в Табл. 1.
    Для обозначения атомного ядра используется символ химического элемента атома, в состав которого входит ядро. Левый верхний индекс у этого символа показывает суммарное число нейтронов и протонов в данном ядре, а левый нижний – число протонов в нём. Например, ядро никеля, содержащее 58 нуклонов, из которых 28 протонов, обозначается .  Это же ядро  обозначают  ⁵⁸Ni,  либо Ni-58.
    Ядро – система плотно упакованных протонов и нейтронов, двигающихся со скоростью ~10⁹ см/сек и удерживаемых мощными и короткодействующими ядерными силами взаимного притяжения. Область действия ядерных сил ограничена размером ~10^-13 см. Протоны и нейтроны имеют размер около 10^-13 см и рассматриваются как два разных состояния одной частицы, называемой нуклоном. Радиус ядра можно приближённо оценить по формуле R ≈ 1.3 А^1/3·10^-13 см, где А – число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре.

Таблица 1. Свойства свободных нейтрона и протона

Свойства свободных нейтрона и протона	n	p
Масса, МэВ/c2	939.56536 ± 0.00008	938.27203 ± 0.00008
Квантовое число - спин	1/2	1/2
Спин, ћ = 6.58·10-22 МэВ·c	ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2	ћ[1/2(1/2 + 1)]1/2
Электрический заряд, qe = (1.602176487 ± 40)·10-19 Кл	(-0.4 ± 1.1)·10-21	|qp + qe|/qe < 10-21
Магнитный момент,	-1.9130427 ± 0.000005	+2.792847351 ± 000000028
Электрический дипольный момент d, e · см	< 0.29 10-25	< 0.54 10-23
Барионный заряд В	+1	+1
Зарядовый радиус, Фм		0.875 ± 0.007
Радиус распределения магнитного момента, Фм	0.89 ± 0.07	0.86 ± 0.06
Изоспин I	1/2	1/2
Проекция изоспина Iz	-1/2	+1/2
Кварковый состав	udd	uud
Квантовые числа s ,c, b, t	0	0
Среднее время жизни	(885.7 ± 0.8) с	> 2.1±1029 лет
Четность	+	+
Статистика	Ферми-Дирака
Схема распада	n → p + e- + e

    Ядерное взаимодействие (взаимодействие между нуклонами в ядре) возникает за счёт того, что нуклоны обмениваются мезонами. Это взаимодействие – проявление более фундаментального сильного взаимодействия между кварками, из которых состоят нуклоны и мезоны.
    Мир ядер очень разнообразен. Известно около 3500 ядер, отличающихся друг от друга либо числом протонов, либо числом нейтронов, либо тем и другим. Большинство из них получено искусственным путём.
    264 ядра стабильны, т.е. не испытывают со временем никаких самопроизвольных превращений.
    Остальные ядра испытывают различные виды радиоактивного распада – альфа-распад (испускание альфа-частицы, т.е. ядра атома гелия); бета-распад (одновременное испускание – электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино, а также поглощение атомарного электрона с испусканием нейтрино); гамма-распад (испускание фотона), деление и другие.
    Простейшим приближением распределения ядерной материи является распределение Ферми (рис. 1).

где ρ₀ - плотность ядерной материи в центре ядра, R - радиус ядра (расстояние от центра ядра, на котором плотность ядерной материи спадает в два раза), t – толщина поверхностного слоя ядра (расстояние, на котором плотность ядерной материи спадает от 0.9ρ₀ до 0.1ρ₀).
Параметры a и t связаны соотношением t ≈ 4.4a.

Рис. 1. Распределение плотности ядерной материи.

    Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены следующие закономерности:

• пространственные распределения протонов и нейтронов в ядре практически совпадают;
• плотность ядерной материи в центре ядра ρ₀ приблизительно одинакова у всех ядер и составляет ~ 0.17 нукл./Фм³ (см. рис. 2);
• толщина поверхностного слоя t (спад плотности от 0.9ρ₀  до  0.1ρ₀)  у  всех  ядер  примерно  одинакова – t ≈ 4.4 a ≈ 2.5 Фм;
• величина радиуса ядра определяется числом нуклонов A в ядре, R ≈ 1.3 A^1/3 Фм (см. рис. 3).

Рис. 2. Плотность распределения ядерной материи ядер, расположенных вблизи долины стабильности.

Рис. 3. Радиусы атомных ядер, полученные в экспериментах по рассеянию электронов на ядрах.

Рис. 4. Нейтронный слой ядра 22С: ρn – плотность пространственного распределения нейтронов, ρp – плотность пространственного распределения протонов.

    Атомные ядра вблизи долины стабильности представляют собой довольно компактные объекты. Их радиусы изменяются от 1.5 до 3 Фм для самых легких ядер и от 7 до 8 Фм для самых тяжелых.
    Однако для ядер, удаленных от долины стабильности, ситуация иная. Для некоторых ядер, перегруженных нейтронами, наблюдается так называемый нейтронный слой - область вблизи поверхности ядра, в которой, с учетом фактора нормировки N/Z плотность нейтронов больше плотности протонов - ρ_n > ρ_p (см. рис. 4).
    В легких ядрах с большим отношением N/Z было открыто нейтронное гало. Нейтронное гало наблюдается в ядрах, у которых энергия связи нейтрона B_n < 1 - 1.5 МэВ. Оказалось, что в гало-ядрах наряду с кором, для которого плотности распределения протонов и нейтронов с точностью до фактора Z/A совпадают, существует довольно большая область периферии ядра, в которой плотность распределения нейтронов ρ_n существенно больше плотности распределения ρ_p протонов – ρ_n > ρ_p.
    Примерами ядер, имеющих нейтронное гало, являются изотопы ⁸He, ¹¹Li, ¹⁴Be, ¹⁷B.
    Радиус нейтронного облака, окружающего кор ядра, оказывается существенно большим, чем радиус ядра, определяемый соотношением R ≈ 1.3 A^1/3 Фм. Так для гало-ядра ¹¹Li пространственное распределение двух нейтронов, образующих ядерное гало вокруг кора ⁹Li, простирается столь далеко, что радиус ядра ¹¹Li оказывается сравним с радиусом ядра ²⁰⁸Pb (рис. 5).

Рис. 5. Распределение нейтронной плотности в гало-ядрах 8He и 11 Li.

    Обнаружены также ядра, имеющие протонное гало – ⁹C, ¹⁷F, ¹⁷Ne.
    Наиболее подробную информацию о распределении электрических зарядов и токов в атомных ядрах получают в экспериментах по рассеянию на ядрах быстрых электронов.
    Данные о плотности распределения ядерной материи извлекаются из экспериментов по рассеянию на ядрах адронов.