На главную
Содержание

ЯДЕРНЫЙ-ЯДРО

ЯДЕРНЫЙ ЗАРЯД, устройство, содержащее запас ядерной энергии, заключённой в определённых веществах, и приспособления, к-рые обеспечивают быстрое освобождение энергии для осуществления ядерного взрыва. Я. з. бывают двух типов, один из к-рых по традиции наз. атомным, другой - водородным. Действие Я. з. 1-го типа (атомной бомбы) основано на освобождении ядерной энергии при делении нек-рых тяжёлых ядер (урана 235U, плутония 239Pu, см. Ядерный взрыв)', действие Я. з. 2-го типа (водородной бомбы) - на термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более лёгких ядер (дейтерия, трития или их смеси с 6Li), при к-рой выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при распаде одинакового по массе количества делящегося вещества. Испытывались Я. з. мощностью от неск. кт до неск. десятков Mm тротилового эквивалента. Мощность Я. з. определяется как количеством содержащегося в заряде делящегося вещества или изотопов водорода, так и его конструкц. особенностями, создающими условия для вступления в ядерную реакцию макс, количества вещества. Важным элементом конструкции Я. з. является инициирующий заряд, создающий сверхкритич. условия для делящегося вещества в атомном заряде и необходимую темп-ру в водородном заряде (в последнем случае в качестве инициирующего заряда применяется атомный заряд). При конструктивном оформлении Я. з. помещают в стальную оболочку, так что общая его масса вместе с инициирующими устройствами составляет обычно от неск. сотен кг до неск. т. При употреблении Я. з. в качестве ядерного оружия его для доставки к месту назначения помещают в авиац. бомбу, боевую головку ракеты, в торпеду и т. п.

Я. з. применялись в мирных целях для различных крупномасштабных взрывных работ, при добыче полезных ископаемых и т. д.

Лит. см. при ст. Ядерный взрыв.

ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯКР), резонансное поглощение электромагнитной энергии в кристаллах, обусловленное переходами между энергетич. уровнями, образующимися в результате взаимодействия ядер, обладающих электрич. квадрупольным моментом, с электрич. кристаллическим полем. ЯКР является частным случаем ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в кристаллах. Т. н. "чистый" ЯКР наблюдается в отсутствии постоянного магнитного поля.

Взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутр. электрич. полем Е кристалла приводит к появлению энергетич. состояний, соответствующих различным ориентациям ядерного спина S относительно кристаллографич. осей. Радиочастотное магнитное поле, так же как и в случае ЯМР, вызывает вынужденные магнитные дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение электромагнитной энергии. Т. к. энергия квадрупольного взаимодействия изменяется в широких пределах в зависимости от свойств ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кгц до тысяч Мгц. Положение энергетич. уровней не зависит от ориентации осей кристалла относительно прибора, что позволяет пользоваться поликристаллич. образцами. Аппаратура, применяемая для исследования ЯКР, принципиально не отличается от спектрометров ЯМР.

При исследовании ЯКР измерения в отсутствии постоянного магнитного поля Но дополняются измерениями в поле Но. В зависимости от соотношения между энергией квадрупольного взаимодействия ядра с полем Е и энергией магнитного взаимодействия с полем Но говорят о квадрупольном расщеплении линий

ЯМР или о зеемановском расщеплении в ЯКР.

Метод ЯКР применяется в ядерной физике для определения квадрупольных моментов ядер. Методом ЯКР исследуются также симметрия и строение кристаллов, степень упорядоченности макромолекул и характер хим. связи. Исследования кристаллов осн. на связи между структурой кристаллов и значениями градиентов поля Е. Если в случае ЯМР структура кристаллов определяет только возмущения зеемановских уровней, приводящие к уширению и расщеплению линий, то в случае ЯКР структура кристалла определяет сами резонансные частоты. Для ЯКР характерна сильная зависимость ширины линий от наличия дефектов в кристалле. Измерение ширины линий позволяет исследовать внутр. напряжения, присутствие примесей и явления упорядочения в кристаллах.

Лит.: Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Гречи шк и н В. С., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Сём и н Г. К., Бабушкина Т. А., Якобсон Г. Г., Применение ядерного квадрупольного резонанса в химии, Л., 1972.

ЯДЕРНЫЙ МАГНЕТОН, см. Магнетон.

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. ЯМР - один из методов радиоспектроскопии. Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле Но, на к-рое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле Hi Но.Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения J - М и магнитным моментом;

Ц = У1. (1) Здесь / - спин ядра, у - гиромагнитное отношение (величина, характерная для данного вида ядер), h - Планка постоянная. Частота, на к-рой наблюдается ЯМР:

шо = уНо. (2) Для протонов в поле Но = 104 э ш/2я = = 42,57 Мгц; для большинства ядер эти значения лежат в диапазоне 1-10 Мгц. Порядок величины резонансного поглощения определяется равновесной ядерной намагниченностью вещества (ядерным парамагнетизмом): U0 = Хо Н0, где xо - статич. ядерная восприимчивость.

ЯМР, как и др. виды магнитного резонанса, можно описать классич. моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле Но пара сил, обусловленная магнитным моментом ц, вызывает прецессию магнитного и механич. моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент д прецессирует вокруг направления Но с частотой шо = уНо, угол прецессии в остаётся неизменным (рис. 1). В результате воздействия радиочастотного поля Hi резонансной частоты шо уголв изменяется со скоростью yH1pad/сек, что приводит к значит, изменениям проекции и на направление поля Но даже в слабом поле H1.

С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных ди-польных моментов ядра с полем Но. В простейшем случае изолированных, свободных от др. воздействий ядерных спинов, условие Е= -уhНот (т = 1, /- 1,..., ..., -/) определяет систему (21 + 1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле Н0. Частота ш0 соответствует переходу между двумя соседними уровнями.

Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, напр, кристаллич. решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации). Релаксац. процессы характеризуются постоянными T1 и Тз, к-рые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле Но (спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутр. взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения T1 лежат в пределах от 10-4 сек для растворов парамагнитных солей до неск. ч для очень чистых диамагнитных кристаллов. Значения Тг изменяются от 10-4 сек для кристаллов до неск. сек для диамагнитных жидкостей. T1 и Т2 связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T1и Т2, как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значит, уменьшением Т2. Большие Tt в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутр. магнитных полей. В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах осн. механизм релаксации - взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот (см. Най-товский сдвиг).

Резонансная линия имеет ширину &ш = 2/Т2 (рис. 2). В сильных полях Hi наступает "насыщение" - увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при |y|Hi > (TtT^)~'l2. Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем Hi. Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.

Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрич. квадру-польного момента ядер Q с локальным электрич. полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (напр., 73Ge в тетраэдрич. молекуле GeCls). В кристаллах квадру-польное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР t^niHo. В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадруполъным резонансом.

Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином / = '/а и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения). Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер l9F, 13C, 31Р и нек-рых др. ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (напр., линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линий (рис. 3), что связано с двумя эффектами. Первый, т. н. химический сдвиг,- результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем Но.

Возмущение состояний электронов вызывает уменьшение постоянной составляющей поля, действующего на ядра, пропорциональное Но. Величина хим. сдвига зависит от структуры электронных оболочек и, т. о., от характера хим. связей, что позволяет судить о структуре молекул по спектру ЯМР. Вторым эффектом является непрямое спин-спиновое взаимодействие. Непосредственное магнитное взаимодействие ядер в подвижных жидкостях затруднено из-за броуновского движения молекул; непрямое спин-спиновое взаимодействие обусловлено поляризацией электронных оболочек полем ядерных моментов. Величина расщеплений в этом случае не зависит от Н0.

Наблюдение спектров ЯМР осуществляется путём медленного изменения частоты ш поля Hi или напряжённости поля Но. Часто применяется модуляция поля Но полем звуковой частоты. При исследованиях кристаллов лучшую чувствительность даёт метод "быстрой модуляции": поле Но модулируется звуковой частотой так, что процессы, определяемые временем релаксации Т1, не успевают завершиться за период модуляции, и состояние системы спинов нестационарно. Применяются также импульсные методы (воздействие поля Hi ограничено во времени короткими импульсами). Важнейшие из них-метод спинового эха и фуръе-спектроскопия.

Эдс индукции пропорциональна HV Поэтому обычно эксперименты выполняют в сильном магнитном поле. Основным элементом радиочастотной аппаратуры, применяемой для наблюдения ЯМР, является настроенный на частоту прецессии контур, в катушку индуктивности к-рого помещается исследуемое вещество. Катушка выполняет 2 функции: создаёт действующее на исследуемое вещество радиочастотное магнитное поле Н" и воспринимает эдс, наведённые прецессией ядерных моментов. Контур включается в радиочастотный мост или в генератор, работающий на пороге генерации. Методом ЯМР были измерены моменты атомных ядер, впервые исследованы состояния с инверсной заселённостью уровней. Исследования релаксац. процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой наряду с инфракрасной спектроскопией стандартный метод определения строения органич. молекул. Тесная связь формы сигналов с внутр. движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования заторможённых вращений в молекулах и кристаллах. ЯМР используется также для изучения механизма и кинетики хим. реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля (см. Квантовый магнитометр). За открытие и объяснение ЯМР (1946) Ф. Блоху и Э. Пёрселлу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1952. Лит.: В 1 о с h F., "Physical Review", 1946, v. 70, № 7-8, p. 460; В 1 о e m Ь е гg e n N., Purcell E. M., P о u n d R. V., там же, 1948, v. 73, № 7, p. 679; A 6 p aгам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Александров И. В., Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках, М., 1975; Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса с примерами из физики твердого тела, [пер.], М., 1967; ПоплД., ШнейдерВ., Бернстейн Г., Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., М., 1962; ЭмслиДж., ФинейДж., С а т к л и Ф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., т. 1-2, М., 1968-69; Ф a p p a p Т., Б е кк e p Э., Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, пер. с англ., М., 1973.

К. В. Владимирский.

ЯДЕРНЫЙ ПАРАМАГНЕТИЗМ, магнетизм веществ, обусловленный магнитными моментами атомных ядер. В постоянном магнитном поле Но существование магнитных моментов ядер приводит к слабому парамагнетизму в виде небольшой добавочной ядерной намагниченности Мо = %Но, где 1 - магнитная ядерная восприимчивость. Намагниченность Л/о в 106 - 108 раз меньше, чем в случае электронного парамагнетизма. Я. п. впервые обнаружен в 1937 Л. В. Шубниковым и Б. Г. Лазаревым (СССР) в твёрдом водороде. Изучается методом ядерного магнитного резонанса.

ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЯРД), ракетный двигатель, в к-ром тяга создаётся за счёт энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде или ядерной реакции. Соответственно типу происходящей в ЯРД ядерной реакции выделяют радиоизотопный ракетный двигатель, термоядерный ракетный двигатель и собственно ЯРД (используется энергия деления ядер). ЯРД состоит из реактора, реактивного сопла, турбонасосного агрегата (ТНА) для подачи рабочего тела в реактор из бака двигательной установки (где оно хранится в жидком состоянии), управляющих агрегатов и др. элементов. В ядерном реакторе рабочее тело превращается в высокотемпературный газ, при истечении к-рого создаётся тяга. Газ для привода ТНА можно получить нагревом осн. рабочего тела в реакторе. Сопло ТНА и мн. др. агрегаты ЯРД аналогичны соответств. элементам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Принципиальное отличие ЯРД от ЖРД - в наличии ядерного реактора вместо камеры сгорания (разложения). Достоинство ЯРД - в их высоком удельном импульсе благодаря большой скорости истечения рабочего тела, достигающей 50 км/сек и более. По удельному импульсу ЯРД значительно превосходят химические ракетные двигатели, у к-рых скорость истечения рабочего тела не превышает 4,5 км/сек. В стадии тех-нич. разработки (1977) экспериментальный амер. ЯРД "Нерва-I" ("Nerva-1"); при массе 11 т развивает тягу св. 300 ки при удельном импульсе 8,1 км/сек. К 1978 созданы экспериментальные образцы радиоизотопных ЯРД с тягой до неск. и. Использование всех типов ЯРД предусматривается только в космосе. Лит.: Бассард Р. В., Де-Лауэр Р. Д., Ракета с атомным двигателем пер. с англ., М., 1960; и х ж е, Ядерные двигатели для самолётов и ракет, пер. с англ., М., 1967.

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР, устройство, в к-ром осуществляется управляемая ядерная цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый Я. р. построен в декабре 1942 в США под руководством Э. Ферми. В Европе первый Я. р. пущен в декабре 1946 в Москве под руководством И. В. Курчатова. К 1978 в мире работало уже ок. тысячи Я. р. различных типов. Составными частями любого Я. р. являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окружённая отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиац. защита, система дистанц. управления (рис. 1). Осн. характеристикой Я. р. является его мощность. Мощность в 1 Мет соответствует

цепной реакции, в к-рой происходит 3*1016 актов деления в 1 сек.

В активной зоне Я. р. находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия. Состояние Я. р. характеризуется эффективным коэфф. К3ф размножения нейтронов или реактивностью р:

Р = (Каф - 1)/Кэф. (1)

Если Хэф > 1, то цепная реакция нарастает во времени, Я. р. находится в н а дкритичном состоянии и его реактивность р > 0; если Кэ& < 1, то реакция затухает, реактор - подкритич е н, р < 0; при К0ф= 1, р = 0 реактор находится в критич. состоянии, идёт стационарный процесс и число делений постоянно во времени. Для инициирования цепной реакции при пуске Я. р. в активную зону обычно вносят источник нейтронов (смесь Ra и Be, 252Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деление ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции приХэф> 1.

В качестве делящегося вещества в большинстве Я. р. применяют 233U. Если активная зона, кроме ядерного топлива (природный или обогащённый уран), содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и др. вещества, содержащие лёгкие ядра, см. Замедление нейтронов), то осн. часть делений происходит под действием тепловых нейтронов (тепловой реактор). В Я. р. на тепловых нейтронах может быть использован природный уран, не обогащённый 235U (такими были первые Я. р.). Если замедлителя в активной зоне нет, то осн. часть делений вызыват ется быстрыми нейтронами с энергией Еп > Ю кэв (быстрый реактор). Возможны также реакторы на п р о м е ж уточных нейтронах с энергией 1 - 1000 эв.

По конструкции Я. р. делятся на гетерогенные реакторы, в к-рых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между к-рыми находится замедлитель нейтронов (рис. 2), и гомогенные реакторы, в к-рых ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном Я. р., наз. тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ'ами), образуют правильную решётку; объём, приходящийся на один ТВЭЛ, наз. ячейкой. По характеру использования Я. р. делятся на энергетические реакторы и исследовательские реакторы. Часто один Я. р. выполняет неск. функций (см. Двухцелевой реактор).

Условие критичности Я. р. имеет вид: К,Ф = КХ-Р=1, (1), где 1 - Р - вероятность выхода (утечки) нейтронов из активной зоны Я. р., Кх- коэфф. размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый для тепловых Я. р. так наз. "формулой 4 сомножителей":

Кх = мефв. (2) Здесь v - среднее число вторичных (быстрых) нейтронов, возникающих при делении ядра 235U тепловыми нейтронами, е - коэфф. размножения на быстрых нейтронах (увеличение числа нейтронов за счёт деления ядер, гл. обр. ядер 238U, быстрыми нейтронами); ср - вероятность того, что нейтрон не захватится ядром 238U в процессе замедления, & - вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление. Часто пользуются величиной Т| = v/(l + а), где а - отношение сечения радиац. захвата ар к сечению деления ад.

Условие (1) определяет размеры Я. р. Напр., для Я. р. из естеств. урана и графита v = 2,4, е " 1,03, ЕфО и 0,44, откуда К" = 1,08. Это означает, что для Кас> 1 необходимо Р< 0,93, что соответствует (как показывает теория Я. р.) размерам активной зоны Я. р. ~5-10 м. Объём совр. энергетич. Я. р. достигает сотен м3и определяется гл. обр. возможностями теплосъёма, а не условиями критичности. Объём активной зоны Я. р. в критич. состоянии наз. критическим объёмом Я. р., а масса делящегося вещества - критич. массой. Наименьшей критич. массой обладают Я. р. с топливом в виде растворов солей чистых делящихся изотопов в воде и с водяным отражателем нейтронов. Для 235U эта масса равна 0,8 кг, для 239Ри - 0,5 кг. Наименьшей критич. массой обладает 231 Cf (теоретически 10 г). Критич. параметры графитового Я. р. с естеств. ураном: масса урана 45 т, объём графита 450 м3. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферич. или близкую к сферич. форму, напр, цилиндр с высотой порядка диаметра или куб (наименьшее отношение поверхности к объёму).

Величина v известна для тепловых нейтронов с точностью 0,3% (табл. 1). При увеличении энергии Еn нейтрона, вызвавшего деление, v растёт по закону: v = = VT + 0,15 Еn(En в Мэв), где VT соответствует делению тепловыми нейтронами.

Табл. 1.-В еличины v и TI для тепловых нейтронов (по данным на 1977)
 
233U

v 2,479 кпд 2,283

235U

2,416 2,071

239Pu

2,862 2,106

241Pu

2,924 2,155

Величина (Е - 1) обычно составляет лишь неск. % , тем не менее роль размножения на быстрых нейтронах существенна, поскольку для больших Я. р. (Коо- 1) <К 1 (графитовые Я. р. с естеств. ураном, в к-рых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

Максимально возможное значение в достигается в Я. р., к-рый содержит только делящиеся ядра. Энергетич.. Я. р. используют слабо обогащённый уран (концентрация 235U ~ 3-5% ), и ядра 238U поглощают заметную часть нейтронов. Так, для естеств. смеси изотопов урана макс, значение vd = 1,32. Поглощение нейтронов в замедлителе и конструкц. материалах обычно не превосходит 5-20% от поглощения всеми изотопами ядерного топлива. Из замедлителей наименьшим поглощением нейтронов обладает тяжёлая вода, из конструкц. материалов - А1 и Zr.

Вероятность резонансного захвата нейтронов ядрами 238U в процессе замедления (1 -ф) существенно снижается в гетерогенных Я. р. Уменьшение (1 -ф) связано с тем, что число нейтронов с энергией, близкой к резонансной, резко уменьшается внутри блока топлива и в резонансном поглощении участвует только внешний слой блока. Гетерогенная структура Я. р. позволяет осуществить цепной процесс на естеств. уране. Она уменьшает величину в, однако этот проигрыш в реактивности существенно меньше, чем выигрыш из-за уменьшения резонансного поглощения.

Для расчёта тепловых Я. р. необходимо определить спектр тепловых нейтронов. Если поглощение нейтронов очень слабое и нейтрон успевает много раз столкнуться с ядрами замедлителя до поглощения, то между замедляющей средой и нейтронным газом устанавливается термодинамич. равновесие (термализация нейтронов), и спектр тепловых нейтронов описывается Максвелла распределением. В действительности поглощение нейтронов в активной зоне Я. р. достаточно велико. Это приводит к отклонению от распределения Максвелла - средняя энергия нейтронов больше ср. энергии молекул среды. На процесс термализации влияют движения ядер, хим. связи атомов и др.

Выгорание и воспроизводство ядерного топлива. В процессе работы Я. р. происходит изменение состава топлива, связанное с накоплением в нём осколков деления (см. Ядра атомного деление) и с образованием трансурановых элементов, гл. обр. изотопов Ри. Влияние осколков деления на реактивность Я. р. наз. отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыван и е м (для стабильных). Отравление обусловлено гл. обр. 135Хе, к-рый обладает наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6-106 барн). Период его полураспада Ti/f= 9,2 ч, выход при делении составляет 6-7% . Осн. часть 135 Хе образуется в результате распада 1351 (!Пд = 6,8 ч). При отравлении КэФ изменяется на 1-3% . Большое сечение поглощения <Э5Хе и наличие промежуточного изотопа 1351 приводят к двум важным явлениям: 1) к увеличению концентрации 135Хе и, следовательно, к уменьшению реактивности Я. р. после его остановки или снижения мощности ("йодная яма"). Это вынуждает иметь дополнительный запас реактивности в органах регулирования либо делает невозможным кратковременные остановки и колебания мощности. Глубина и продолжительность йодной ямы зависят от нотока нейтронов Ф: при Ф = 5-Ю13 нейтрон' ел2 • сек продолжительность йодной ямы ~ 30 ч, а глубина в 2 раза превосходит стационарное изменение Каф, вызванное отравлением 135Хе. 2) Из-за отравления могут происходить пространственно-временные колебания нейтронного потока Ф, а значит - и мощности Я. р. Эти колебания возникают при Ф> 1013 нейтронов/ел2 • сек и больших размерах Я. р. Периоды колебаний ~ 10 ч.

Число различных стабильных осколков, возникающих при делении ядер, велико. Различают осколки с большими и малыми сечениями поглощения по сравнению с сечением поглощения делящегося изотопа. Концентрация первых достигает насыщения в течение неск. первых суток работы Я. р. (гл. обр. 149Sm, изменяющий К,ф на 1% ). Концентрация вторых и вносимая ими отрицательная реактивность возрастают линейно во времени.

Образование трансурановых элементов в Я. р. происходит по схемам:
30-32-1.jpg

Здесь з означает захват нейтрона, число под стрелкой - период полураспада.

Накопление 239Ри (ядерного горючего) в начале работы Я. р. прэисходит линейно во времени, причём к-м быстрее (при фиксированном выгорании 235U), чем меньше обогащение урана. Затем концентрация 2Э9Ри стремится к постоянной величине, к-рая не зависит от степени обогащения, а определяется отношением сечений захвата нейтронов 238U и 239Ри. Характерное время установления равновесной концентрации 239Ри ~ 3/Ф лет (Ф в ед. 1013 нейтронов/ел2сек). Изотопы 240Pu, 241Pu достигают равновесной концентрации только при повторном сжигании горючего в Я. р. после регенерации ядерного топлива.

Выгорание ядерного топлива характеризуют суммарной энергией, выделившейся в Я. р. на 1 т топлива. Для Я. р., работающих на естеств. уране, макс, выгорание ~ 10 Гвт-сут/т (тяжеловодные Я. р.). В Я. р. со слабо обогащённым ураном (2-3% 235U) достигается выгорание ~20-30 Гвт-сут/т. В Я. р. на быстрых нейтронах - до 100 Гвт • сут/т. Выгорание 1 Гвт • сут/т соответствует сгоранию 0,1% ядерного топлива.

При выгорании ядерного топлива реактивность Я. р. уменьшается (в Я. р. на естеств. уране при малых выгораниях происходит нек-рый рост реактивности). Замена выгоревшего топлива может производиться сразу из всей активной зоны или постепенно по ТВЭЛ'ам так, чтобы в активной зоне находились ТВЭЛ'ы всех возрастов - режим непрерывной перегрузки (возможны промежуточные варианты). В первом случае Я. р. со свежим топливом имеет избыточную реактивность, к-рую необходимо компенсировать. Во втором случае такая компенсация нужна только при первоначальном запуске, до выхода в режим непрерывной перегрузки. Непрерывная перегрузка позволяет увеличить глубину выгорания, поскольку реактивность Я. р. определяется средними концентрациями делящихся нуклидов (выгружаются ТВЭЛ'ы с миним. концентрацией делящихся нуклидов). В табл. 2 приведён состав извлекаемого ядерного топлива (в кг) в водоводяном реакторе мощностью 3 Гвт. Выгружается одновременно вся активная зона после работы Я. р. в течение 3 лет и "выдержки" 3 лет (Ф = 3- 1013 нейтрон/ел"2сек ). Начальный состав: 238U - 77350, 235U - 2630, 234U - 20.

Табл. 2. -Состав выгружаемого топлива, кг
 
238 U
238U
239Tu
238U
240Pu
75400
640
420
360
170
241Рu 70
237Np 39
242Pu 30
238Pu 14
211 Am 13
234 U
243Am
244Cm
Более тяжёлые изотопы
Осколки 2821 (в т. ч.отделения
10
8
2
0,2
!35U- 1585)

Общая масса загруженного топлива на 3 кг превосходит массу выгруженного (выделившаяся энергия "весит" 3 кг). После остановки Я. р. в топливе продолжается выделение энергии сначала гл. обр. за счёт деления запаздывающими нейтронами, а затем, через 1-2 мин, гл. обр. за счёт (3- и -/-излучений осколков деления и трансурановых элементов. Если до остановки Я. р. работал достаточно долго, то через 2 мин после остановки выделение энергии (в долях энерговыделения до остановки) 3% , через 1ч - 1% , через сутки - 0,4% , через год - 0,05% .

Коэфф. конверсии Ккназ. отношение количества делящихся изотопов Ри, образовавшихся в Я. р., к количеству выгоревшего 235U. Табл. 2 даёт Кк = 0,25. Величина Кк увеличивается при уменьшении обогащения и выгорания. Так, для тяжеловодного Я. р. на естеств. уране, при выгорании 10 Гвт-сут/т Кк = 0,55, а при совсем малых выгораниях (в этом случае Кк наз. начальным плутониевым коэфф.) Кк = 0,8. Если Я. р. сжигает и производит одни и те же изотопы (реактор-размножитель), то отношение скорости воспроизводства к скорости выгорания наз. коэфф. воспроизводства КВ. В Я. р. на тепловых нейтронах Кв < 1, а для Я. р. на быстрых нейтронах К, может достигать 1,4-1,5. Рост К, для Я. р. на быстрых нейтронах объясняется гл. обр. тем, что для быстрых нейтронов v растёт, а а падает (особенно для 23ЭРи, см. Реактор-размножитель).

Управление Я. р. Для регулирования Я. р. важно, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием. Доля таких запаздывающих нейтронов невелика (0,68% для "3U, 0,22% для 239Ри; в табл. 1 v - сумма числа мгновенных нейтронов Vo и запаздывающих v3 нейтронов). Время запаздывания Г3ап от 0,2 до 55 сек. Если (Кэф - 1) < v3/vo, то число делений в Я. р. растёт эф > 1) или падает аф < 1), с характерным временем 3. Без запаздывающих нейтронов эти времена были бы на неск. порядков меньше, что сильно усложнило бы управление Я. р.

Для управления Я. р. служит система управления и защиты (СУЗ). Органы СУЗ делятся на: аварийные, уменьшающие реактивность (вводящие в Я. р. отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов; автоматич. регуляторы, поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (а значит - и мощность); компенсирующие (компенсация отравления, выгорания, температурных эффектов). В большинстве случаев это стержни, вводимые в активную зону Я. р. (сверху или снизу) из веществ, сильно поглощающих нейтроны (Cd, В и др.). Их движение управляется механизмами, срабатывающими по сигналу приборов, чувствительных к величине нейтронного потока. Для компенсации выгорания могут использоваться выгорающие поглотители, эффективность к-рых убывает при захвате ими нейтронов (Cd, В, редкоземельные элементы), или растворы поглощающего вещества в замедлителе. Стабильности работы Я. р. способствует отрицательный температурный коэфф. реактивности (с ростом темп-ры р уменьшается). Если этот коэфф. положителен, то работа органов СУЗ существенно усложняется.

Я. р. оснащается системой приборов, информирующих оператора о состоянии Я. р.: о потоке нейтронов в разных точках активной зоны, расходе и темп-ре теплоносителя, уровне ионизирующего излучения в различных частях Я. р. и в вспомогательных помещениях, о положении органов СУЗ и др. Информация, получаемая с этих приборов, поступает в ЭВМ, к-рая может либо выдавать её оператору в обработанном виде (функции учёта), либо на основании матем. обработки этой информации выдавать рекомендации оператору о необходимых изменениях в режиме работы Я. р. (машинасоветчик), либо, наконец, осуществлять управление Я. р. в определённых пределах без участия оператора (управляющая машина).

Классификация Я. р. По назначению и мощности Я. р. делятся на неск. групп: 1) экспериментальный реактор (критич. сборка), предназначенный для изучения различных физич. величин, значение к-рых необходимо для проектирования и эксплуатации Я. р.; мощность таких Я. р. не превышает неск. кет; 2) исследовательские реакторы, в к-рых потоки нейтронов и у-квантов, генерируемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиац. химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (вт. ч. деталей Я. р.), для произ-ва изотопов. Мощность исследовательского Я. р. не превосходит 100 Мвт; выделяющаяся энергия, как правило, не используется. К исследовательским Я. р. относится импульсный реактор; 3) изотопные Я. р., в к-рых потоки нейтронов используются для получения изотопов, в т. ч. Ри и 3Н для воен. целей (см. Ядерное оружие); 4) энергетич. Я. р., в к-рых энергия, выделяющаяся при делении ядер, используется для выработки электроэнергии, теплофикации, опреснения мор. воды, в силовых установках на кораблях и т. д. Мощность (тепловая) совр. энергетич. Я. р. достигает 3-5 Гвт (см. Ядерная энергетика, Атомная электростанция).

Я. р. могут различаться также по виду ядерного топлива (естеств. уран, слабо обогащённый, чистый делящийся изотоп), по его хим. составу (металлический U, UOz, UC и т. д.), по виду теплоносителя (Н2О, газ, Е>2О, органич. жидкости, расплавл. металл), по роду замедлителя (С, Н2О, D2O, Be, BeO, гидриды металлов, без замедлителя). Наиболее распространены гетерогенные Я. р. на тепловых нейтронах с замедлителями - Н2О, С, DaO и теплоносителями - Н2О, газ, D2O. В ближайшие десятилетия будут интенсивно развиваться быстрые реакторы. В них "сжигается" 238U, что позволяет лучше использовать ядерное топливо (в десятки раз) по сравнению с тепловыми Я. р. Это существенно увеличивает ресурсы ядерной энергетики.

Лит.: Вейнберг А., В и г н е р Е., Физическая теория ядерных реакторов, пер. с англ., М., 1961; Крамеров А. Я., Ш евелёв Я. В., Инженерные расчёты ядерных реакторов, М., 1964; Бать Г. А., К оч е н о в А. С., Кабанов Л. П., Исследовательские ядерные реакторы, М., 1972; Белл Д.,ГлссстонС., Теория ядерных реакторов, пер. с англ., >М., 1974; Гончаров 13. В., 30-летие первого советского ядерного реактора, "Атомная энергия", 1977, т. 42, в. 1. А. Д. Галанин.

ЯДЕРНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ, то же, что фотоядерные реакции.

ЯДОВИТЫЕ ЖИВОТНЫЕ, содержат в организме постоянно или периодически вещества, токсичные для особей др. видов. Введённый даже в малых дозах в организм др. животного яд вызывает болезненные расстройства, а иногда - смерть. Всего существует ок. 5 тыс. видов Я. ж.: простейших - ок. 20, кишечнополостных - ок. 100, червей - ок. 70, членистоногих - ок. 4 тыс., моллюсков - ок. 90, иглокожих - ок. 25, рыб - ок. 500, земноводных - ок. 40, пресмыкающихся - ок. 100, млекопитающих - 1 вид. В СССР - ок. 1500 видов. Из Я. ж. наиболее изучены змеи, скорпионы, пауки, жуки-нарывники и нек-рые др.; наименее - земноводные, пыбы, моллюски и кишечнополостные. Од:ш из Я. ж. имеют особые железы, вырабатывающие яд, др. содержат токсич. вещества в тех или иных тканях тела. У части животных имеется ранящий аппарат (т. н. вооружённые Я. ж.), способствующий введению яда в тело врага или жертвы. У простейших (напр., инфузорий) это трихоцисты, у кишечнополостных (гидры, актинии, медузы) - стрекательные клетки, у "жгучих" гусениц - на теле одноклеточные кожные железы с колющими хрупкими волосками, у ряда членистоногих (скорпионов, пчёл, ос) - многоклеточные кожные железы, связанные с жалом, а у рыб - такие же железы, соединённые с шипами на плавниках (напр., скорпеновые) и жаберных крышках (мор. драконники). У мн. животных (многоножки, пауки, нек-рые двукрылые, клопы, а также змеи) ядовитые железы связаны с ротовыми органами, и яд вводится в тело жертвы при укусе или уколе. Вооружённым Я. ж. яд служит для защиты и для нападения. У Я. ж., имеющих ядовитые железы, но не имеющих спец. аппарата для введения яда в тело жертвы, напр, у земноводных (саламандр, тритонов, жаб и др.), железы расположены в различных участках кожи; при раздражении животного яд выделяется на поверхность кожи и действует на слизистые оболочки хищника. У Я. ж., не имеющих спец. ядовитых желез, ядовитость вызвана свойствами тех или иных тканей. Она оказывает влияние только при поедании этих животных другими. Ядовиты могут быть половые железы (у нек-рых жуков и кольчатых червей), а также икра ряда рыб (усачей, маринок), сыворотка крови (напр., угря, мурены, скатов). Многие внутр. паразиты животных также являются Я. ж. Например, паразитические круглые черви анкилостомиды выделяют токсические вещества, растворяющие эритроциты. Яд при поступлении в организм прежде всего оказывает местное действие, а по мере всасывания сказывается и общее его влияние на организм. В одних случаях местное действие очень сильное, а общее - слабое (ужаливание пчелы), в других - наоборот (укус кобры). Местное действие проявляется в отёке в области укуса, сильной боли, образовании пузырей, разрушении ткани (некроз) и пр. Общее действие обычно сказывается на. нервной системе, сердечно-сосудистой и др. и проявляется в параличе сердца, дыхательного центра, в воспалении почек, свёртывании крови и пр., что иногда приводит к смертельному исходу. Напр., укус самки каракурта вызывает тяжёлую, местную и общую реакции; последняя проявляется в возбуждении, судорогах, частичном параличе и иногда кончается гибелью пострадавшего. Действие нек-рых ядов буквально молниеносно-

Так, у гусеницы сразу наступает паралич, как только жало ядовитой осы аммофилы проколет узел нервной цепочки; мышь погибает через 3-4 сек после укуса гюрзы. Сила действия яда зависит от его природы, дозы, а также от пути его поступления в организм; яд, попавший в кровь, обычно действует гораздо быстрее, чем при попадании в ткани, бедные кровеносными сосудами (всасывание яда при этом происходит очень медленно). Чувствительность разных животных к одному и тому же яду различна (одно и то же кол-во яда гремучей змеи смертельно для 24 собак, 60 лошадей, 600 кроликов, 800 крыс, 2000 мор. свинок, 300 000 голубей). Степень отравления зависит также от величины тела животного и его возраста. Нек-рые животные малочувствительны к тем или иным ядам, напр, свиньи - к яду гремучей змеи, ежи - к яду гадюки, грызуны, обитающие в пустынях,- к яду скорпионов. Нек-рые птицы (аисты, вороны, кондоры, птицысекретари) поедают ядовитых змей; ядовитые змеи (напр., лахезис) - др. ядовитых змей (коралловую змею), неядовитая змея муссурана - ядовитых змей. Нек-рые птицы могут поедать жгучих гусениц; куры - каракурта, а сам каракурт может поедать шпанских мушек, кантаридт к-рых для него не опасен. Т. о., не существует Я. ж., опасных для всех остальных животных; их ядовитость относительна. Человек и животные могут стать невосприимчивы к яду, к-рый длительное время в небольших дозах вводился в их организм. Так, иногда пчеловоды становятся нечувствительны к яду пчёл. Малые дозы змеиного яда, пчелиного яда и нек-рых др. используются для лечебных целей. См. также Токсины. Илл. см. на вклейке к стр. 320-321.

Лит.: Павловский Е. Н., Ядовитые животные Средней Азии и Ирана. Таш., 1942; Мариковский П. И., Тарантул в каракурт, Фр., 1956; Захаров В. И., Жабий яд, Киш., 1960; Кассирс к и и И. А., Плотников Н. Н., Болезни жарких стран, 2 изд., М., 1964; П и г улевский С. В., Ядовитые животные. Токсикология позвоночных, Л., 1966; его же, Ядовитые животные. Токсикология беспозвоночных, Л., 1975; Баркаган 3. С., Перфильев П. П., Ядовитые змеи и их яды, Барнаул, 1967; Талызин Ф. Ф., Ядовитые животные суши и моря, М., 1970; Halstead В. W., Dangerous marine animals, Camb., 1959; M a n s о n sir P a t r i c, Tropical diseases: a manual of the diseases of warm climates, 16 ed., L., 1966; С аr as R. A., Venomous animals of the world, Englewood Cliffs, 1974. Ф. Ф. Талызин.

ЯДОВИТЫЕ РАСТЕНИЯ, растения, вырабатывающие и накапливающие в процессе жизнедеятельности яды. Вызывают отравления животных и человека. В мировой флоре известно более 10 тыс. видов Я. р., гл. обр. в тропиках и субтропиках, много их и в странах умер, и холодного климатов; в СССР ок. 400 видов. Я. р. встречаются среди грибов, хвощей, плаунов, папоротников, голосеменных и покрытосеменных растений. В странах умер, климата наиболее широко они представлены в сем. лютиковых, маковых, молочайных, ластовневых, кутровых, паслёновых, норичниковых, ароидных. Мн. растит, яды в небольших дозах - ценные леч. средства (морфин, стрихнин, атропин, физостигмин и др.).

Осн. действующие вещества Я. р.- алкалоиды, гликозиды (в т. ч. сапонины), эфирные масла, органич. к-ты и др. Они содержатся обычно во всех частях растений, но часто в неодинаковых кол-вах, и при общей токсичности всего растения одни части бывают более ядовиты, чем другие. Напр., у веха ядовитого, видов аконита, чемерицы особенно ядовито корневище, у картофеля - цветки, болиголова - плоды, у софоры, куколя, гелиотропа - семена, у наперстянки - листья. Нек-рые растит, яды накапливаются и образуются только в одном органе растения (напр., гликозид амигдалин - в семенах горького миндаля, вишни, сливы).

Бывает, что нек-рые части Я. р. неядовиты (напр., клубни картофеля, кровелька семян тисса, семена мака снотворного). Содержание ядовитых веществ в растениях зависит от условий произрастания и фазы развития растения. Как правило, Я. р., растущие на Ю., накапливают действующих веществ больше, чем произрастающие на С. Одни растения более токсичны перед зацветанием, др.- в период цветения, третьи - при плодоношении. Наиб, ядовиты растения в свежем виде. При высушивании, отваривании, силосовании токсичность может снижаться, а иногда утрачивается совсем. Однако у большинства Я. р. токсичность сохраняется и после переработки, поэтому примесь их в фураже нередко бывает источником сильных отравлений с.-х. животных (при силосовании трав с примесью чемерицы алкалоиды из последней выщелачиваются, пропитывают силосную массу и делают её ядовитой). Животные, как правило, не поедают Я. р., однако при бескормице и весной после длительного стойлового содержания они с жадностью поедают свежую зелень, в т. ч. и Я. р. (часты отравления животных, перевезённых в районы, где встречаются незнакомые для них Я. р.). Растений, обладающих абсолютной ядовитостью, в природе, по-видимому, не существует. Напр., белладонна и дурман ядовиты для человека, но безвредны для грызунов, кур, дроздов и др. птиц, мор. лук, ядовитый для грызунов, безвреден для др. животных, пиретрум ядовит для насекомых, но безвреден для позвоночных и т. д. Обычно отравление Я. р. происходит при попадании растений через рот, органы дыхания (при вдыхании пылевидных частиц Я. р. или выделяемых ими летучих веществ), а также через кожу в результате соприкосновения с Я. р., их соками. Отравления людей через дыхательные пути обычно относят к профессиональным; наблюдаются у сборщиков хмеля, столяров при работе с нек-рыми видами древесины (напр., древесиной бересклета), людей, имеющих дело с лекарств, растениями (напр., с белладонной, секуринегой, лимонником и т. п.). Реже наблюдаются бытовые отравления летучими веществами, выделяемыми Я. р. Большие букеты магнолий, лилий, черёмухи, мака, тубероз могут вызвать недомогание, головокружение, головную боль. Нередки отравления детей соблазнительными на вид ядовитыми плодами. Отравление после поедания Я. р. может проявиться через неск. минут, напр, после употребления хвои тисса, в др. случаях - через неск. дней и даже недель. Нек-рые Я. р. (напр., хвойник) могут быть ядовиты лишь при длительном их употреблении, т. к. действующие начала их в организме не разрушаются и не выводятся, а накапливаются. Большинство Я. р. одновременно действуют на различные органы, однако какой-то орган или центр обычно бывает поражён сильнее. По действию на организм животных различают Я. р., вызывающие поражение: центральной нервной системы (виды аконита, безвременника, белены, болиголова, ветренницы, веха и др.), сердца (виды ландыша, наперстянки, обвойника и др.), печени (виды гелиотропа, крестовника, люпина и др.), одновременно органов дыхания и пищеварения (горчица полевая, желтушник левкойный, триходесма седая) и т. д. В профилактике отравлений Я. р. человека важное значение имеет санитарное просвещение населения; животных - уничтожение Я. р. на пастбищах. Мн. растит, яды в небольших (т. н. терапевтия.) дозах применяются как лекарств, средства (напр., сердечные гликозиды, получаемые из наперстянки и ландыша, атропин - из белены). Из нек-рых Я. р. получают инсектициды (напр., пиретрум - из ромашки далматской).

Илл. см. на вклейке к стр. 432-433.

Лит.: Кречетович Л. М., Ядовитые растения СССР, М., 1940; Ядовитые растения лугов и пастбищ, М.- Л., 1950; Г у с ын и н И. А., Токсикология ядовитых растений, 4 изд., М., 1962; Дударь А. К., Ядовитые и вредные растения лугов, сенокосов и пастбищ, М.,1971;ВильнерА. М., Кормовые отравления, 5 изд.. Л., 1974. В. Н. Вехов.

ЯДОЗУБЫ (Helodermatidae), семейство ядовитых ящериц. Туловище валькова-тое, плотное; хвост толстый, короткий. Дл. до 80 см. Тело сверху покрыто крупной бугорчатой чешуёй. Окраска пёстрая, с тёмным рисунком на оранжево-красном или беловато-жёлтом фоне. Зубы длинные, бороздчатые. Нижнечелюстные железы вырабатывают яд, смертельный для мелких позвоночных животных; известны случаи гибели людей. Два вида: жилатъе и эскорпион. Распространены от юго-запада США до юго-запада Мексики. Населяют сухие каменистые предгорья и полупустыни. Ведут сумеречный и ночной образ жизни. Питаются насекомыми, ящерицами, змеями, грызунами, птенцами, яйцами птиц и пресмыкающихся. Самка откладывает 3-12 яиц.

ЯДОХИМИКАТЫ, то же, что пестициды.

ЯДРА АТОМНОГО ДЕЛЕНИЕ, процесс расщепления атомного ядра на неск. более лёгких ядер-"осколков", наиболее часто - на 2 осколка, близких по массе. В 1938 нем. учёные О. Ган и Ф. Штрасман установили, что при бомбардировке урана нейтронами образуются ядра щёлочноземельных элементов, в частности - ядра Ва. Несколько позднее австр. физики Л. Майтнер и О. Фриш показали, что ядро 235U делится под действием нейтрона на 2 осколка. Они ввели термин "деление ядер", имея в виду сходство этого явления с делением клеток в биологии. Они же дали первое качеств, объяснение Я. а. д.

Начальная стадия деления - медленное изменение формы ядра, при к-ром появляется шейка, соединяющая 2 ещё не полностью сформированных осколка (рис. 1, а, 6). Время прохождения этой стадии (10~14-К)-18 сек) зависит от того, насколько сильно возбуждено делящееся ядро. Постепенно шейка утоньшается, и в нек-рый момент происходит её разрыв (рис. 1,в). Образующиеся осколки с большой энергией разлетаются в противоположные стороны (ряс. 1,г).

Деформация ядра при делении сопровождается изменением его потенциальной энергии (рис. 2). Для того чтобы ядро достигло формы, предшествующей его разрыву, необходима затрата определённой энергии для преодоления потенциального барьера, наз. барьером деления. Эту энергию обычно ядро получает извне, в результате той или иной ядерной реакции (напр., при захвате нейтрона). Я. а. д. наблюдается для всех ядер тяжелее Ag, однако вероятность его во много раз больше для самых тяжёлых элементов. В случае 235U деление происходит при захвате даже тепловых нейтронов.

В 1940 Г. Н. Флёров и К. А. Петржак (СССР) обнаружили самопроизвольное (спонтанное) Я. а. д., при к-ром происходит туннельное проникновение через барьер деления (см. Туннельный эффект). Спонтанное деление - разновидность радиоактивного распада ядер (см. Радиоактивность) и характеризуется периодом полураспада (периодом деления). Вероятность спонтанного деления зависит от высоты барьера деления. Для изотопов U и соседних с ним элементов барьер деления ~6 Мэв. Высота барьера, а следовательно, и период спонтанного деления ядер зависят от отношения Z2/A (рис. 3). При изменении Z2/A от 34,3 для 232Th до 41,5 для 2s°Ku период спонтанного деления уменьшается ~ в 1030 раз.

Деление тяжёлых ядер сопровождается выделением энергии. В тяжёлых ядрах из-за больших сил электростатич. расталкивания нуклоны связаны друг с другом слебее, чем в осколках - ядрах середины периодической системы элементов. Поэтому масса тяжёлого ядра больше суммы масс образующихся осколков. Разница в массах соответствует энергии, выделяемой при делении (см. Относительности теория). Значит, часть этой энергии выделяется в виде кинетич. энергии осколков, равной энергии электростатич. отталкивания двух соприкасающихся осколков в момент разрыва ядра на две части (рис. 1,е). Суммарная кинетич. энергия осколков неск. увеличивается по мере возрастания Z делящегося ядра и составляет для ядер U и трансурановых элементов величину ~200 Мэв. Осколки быстро тормозятся в среде, вызывая её нагревание, ионизацию и нарушая её структуру. После соответствующей хим. обработки под микроскопом могут быть замечены характерные следы осколков деления (рис. 4). Преобразование кинетич. энергии осколков деления в тепловую энергию (нагревание ими окружающей среды) является основой использования ядерной энергии (см. Ядерный реактор, Ядерный взрыв).

В момент разрыва ядра осколки сильно деформированы, но по мере их удаления друг от друга деформация уменьшается, что приводит к увеличению их внутр. энергии. В дальнейшем энергия возбуждения осколков уменьшается в результате испускания ими нейтронов и -у-квантов (рис. 1,г). Когда энергия возбуждения осколков становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, эмиссия нейтронов прекращается и начинается интенсивное испускание -у-квантов. В среднем наблюдается 8-10 у-квантов на 1 акт деления.

Т. к. разрыв шейки ядра может происходить по-разному, то масса, заряд и энергия возбуждения осколков флуктуируют от одного акта деления к другому. Число нейтронов v, испущенных при делении, также флуктуирует. При бомбардировке U медленными нейтронами число нейтронов на 1 акт деления v ~ 2,5. Для более тяжёлых элементов V увеличивается. Значит. превышение v над 1 - чрезвычайно важный факт. Именно это обстоятельство позволяет осуществлять ядерную цепную реакцию и накапливать в ядерных реакторах энергию, выделяющуюся при Я. а. д. в макроскопич. масштабах. Приближённо энергетич. спектр нейтронов можно считать максвелловским со средней энергией ~ 1,3 Мэв (см. Максвелла распределение).

Ядра, образующиеся при делении, перегружены нейтронами и являются радиоактивными (изотопы Ва и др.). Соотношение между числами протонов Z и нейтронов N = А - Z в них зависит от энергии возбуждения делящегося ядра. При достаточно высоком возбуждении соотношение N и Z в осколках остаётся обычно тем же, что у начального делящегося ядра. При малой энергии возбуждения делящегося ядра нейтроны и протоны распределяются между осколками таким образом, что в обоих осколках происходит примерно одинаковое число (3-распадов, прежде чем они превратятся в стабильные ядра. В отдельных случаях (приблизительно 0,7% по отношению к общему числу делений) образующееся при b-распаде возбуждённое дочернее ядро испускает нейтрон. Эмиссия этого нейтрона из возбуждённого ядра - процесс быстрый (t < 10-16 сек), однако он запаздывает по отношению к моменту делений ядра на время, к-рое может достигать десятков сек; нейтроны, испускаемые при этом, наз. запаздывающими нейтронами.

Деление наз. асимметричным, когда отношение масс наиболее часто возникающих осколков ~ 1,5 (рис. 5). По мере увеличения энергии возбуждения ядра всё большую роль начинает играть симметричное деление на два осколка с примерно равной массой. Для нек-рых спонтанно делящихся ядер (U, Pu) характерно асимметричное деление, но по мере увеличения А деление приближается к симметричному. Наиболее отчётливо это проявляется у 256Fm. Значительно реже наблюдается деление на 3 осколка, обычно сопровождающееся испусканием сс-частицы, ядер 6Не, "Не, Li, Be и др. Предельный случай - деление на 3 равных осколка - наблюдался при бомбардировке ядер ускоренными тяжёлыми ионами (40Аг и др.).

Теоретич. объяснение Я. а. д. впервые было дано Н. Бором и Дж. А. Уилером (США) и независимо от них Я. И. Френкелем. Они развили капельную модель ядра, согласно к-рой ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. На нуклоны в атомном ядре действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатич. силы отталкивания (между протонами), стремящиеся разорвать ядро. Деформация ядра нарушает равновесие; при этом, однако, возникают силы, стремящиеся вернуть ядро к начальной форме аналогично поверхностному натяжению жидкой капли. Деформация ядра при делении сопровождается увеличением его поверхности и, как в жидкой капле, силы поверхностного натяжения возрастают, препятствуя дальнейшей деформации. После прохождения через вершину барьера деления энергетически выгодным становится образование 2 капель меньшего размера, и с этого момента формирование осколков деления идёт быстро и необратимым образом. Уменьшение барьера деления для ядер с большими Z2/A отчётливо проявляется в уменьшении периодов спонтанного деления.

Капельная модель описывает лишь усреднённые свойства ядер. В действительности же характер процесса деления может существенно зависеть от внутр. структуры ядра и состояния отдельных нуклонов. В частности, из-за этого барьер деления больше для ядер с нечётным числом нуклонов, чем для соседних четно-чётных ядер (с чётными Z и N). Особенно заметно это повышение барьера сказывается на периодах спонтанного деления ядер: периоды спонтанного деления четно-чётных ядер в среднем более чем в 100 раз короче периода спонтанного деления соседних ядер с нечётным N. Увеличение барьера деления из-за нечётного нуклона видно на примере деления изотопов урана. Деление ядер 238U становится достаточно вероятным лишь в том случае, когда кинетич. энергия нейтронов превышает нек-рый порог, а в случае 235U даже при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения составного ядра 236U уже превышает барьер деления (рис. 6). Влияние структуры ядра на Я. а. д. видно при сравнении периодов спонтанного деления четно-нечётных ядер. Вместо регулярного увеличения периода спонтанного деления с массой нуклида иногда наблюдается резкое уменьшение периода спонтанного деления. Особенно чётко этот эффект проявляется при числе нейтронов N=152, что не может быть объяснено в рамках капельной модели и свидетельствует о влиянии на Я. а. д. оболочечной структуры ядра.

Нуклонные оболочки оказывают влияние не только на преодоление барьера деления, они заметно сказываются и на последней стадии формирования осколков в момент, когда происходит разрыв ядра. Изменение формы ядра при делении происходит медленно (по сравнению с движением нуклонов в ядре), в результате чего нуклонные орбиты перестраиваются адиабатически. Измерения спектра масс осколков, их суммарной кинетич. энергии, а также зависимости v от соотношения масс осколков указывают на формирование нуклонных оболочек в осколках перед разрывом.

Большое влияние на развитие представлений о протекании процесса деления оказала идея О. Бора о существовании т. н. каналовых эффектов. Оказалось, барьер деления для изомерных состояний мал, и это объясняет высокую вероятность спонтанного деления изомеров.

При возбуждении ядра до энергии чуть ниже высоты барьера, разделяющего две потенциальные ямы, начинается сильное смешение состояний с разной равновесной деформацией. Смешение состояний с разной формой ядра приводит к появлению групп делительных резонансов, разделённых расстояниями, равными расстояниям между уровнями составного ядра в седловой точке.

Сильное влияние оболочечных эффектов на барьер деления позволяет ожидать что при делении, вызванном быстрыми частицами, осколки разлетаются анизотропно, но всегда симметрично относительно угла 90° по отношению к пучку частиц, вызывающих деление. Вблизи порога деления наблюдаются довольно причудливые угловые распределения осколков, к-рые часто резко меняются при сравнительно небольшом изменении энергии захватываемой ядром частицы. Эти явления были объяснены в 1955 Бором как проявление квантовых каналов деления, связанных с отдельными состояниями внутр. движения нуклонов в сильно "охлаждённом" ядре в момент преодоления энергетич. барьера (внутр. энергия возбуждения уменьшается здесь на величину порога деления). Исследования каналов деления стали одним из важных источников информации о структуре внутр. квантовых состояний ядра вблизи порога деления.

В 1962 в Объединённом ин-те ядерных исследований (СССР) был открыт новый вид метастабильных (изомерных) состояний ядер с высокой вероятностью спонтанного деления. Известно ок. 30 ядер (изотопы U, Pu, Am, Cm, Bk), для к-рых вероятность спонтанного деления в изомерном состоянии больше, чем в основном, примерно в 102J раз. Представляется вероятным, что форма ядра в этом изомерном состоянии сильно отличается от формы ядра в основном состоянии (изомерия формы ядр а). В 1968 были обнаружены т. н. п о д б а р ь е р н ы е делительные резонанс ы при захвате нейтронов ядрами 240Ри и 237 Np. Явления спонтанного деления из изомерного состояния и наличие подбарьерных делительных резонансов объясняются моделью, предложенной В. М. Струтинским (СССР), учитывающей формирование нуклонных оболочек у сильно деформированных ядер. Она приводит к форме барьера деления, показанной на рис. 7, с дополнит, минимумом потенциальной энергии при деформации ядра. Существование этого минимума может объяснить природу спонтанно делящихся изомеров. Нижнее состояние во второй потенциальной яме на барьере деления должно быть изомерным. Электромагнитные переходы из этого состояния в основное (лежащее в первой яме) должны быть запрещены из-за потенциального барьера, разделяющего обе потенциальные ямы. В то же время нек-рых особенностей у ещё не синтезированных трансурановых элементов. Согласно капельной модели, атомные ядра
30-32-2.jpg

должны быть неустойчивы в распадаться спонтанным делением за время ~ 10-21 сек. Учёт влияния нуклонных оболочек на барьер деления приводит к выводу, что появление новых заполненных оболочек (по-видимому, с Z=114 и N=184) будет сопровождаться возрастанием высоты барьера деления до неск. Мэв. На этом основано предположение о существовании -"острова стабильности" сверхтяжёлых трансурановых элементов вблизи Z=114. He исключено, что для нек-рых изотопов этого "острова" время жизни превысит десятки тысяч лет. Следует, однако, иметь в виду, что пока наличие островов стабильности остаётся чисто гипотетич. возможностью, опирающейся на определённые предположения о деталях структуры ядер сверхтяжёлых трансурановых элементов.

Лит.: Hahn О., Strassman F., "Naturwissenscbaften", 1939, Jg 27, № 1, S. 11; П е т р ж а к К. А., Ф л е р о в Г. Н., "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1940, т. 10, в. 9 - 10, с. 1013; Френкель Я. И., там же, 1939, т. 9, в. 6, с. 641; Петржак К. А., Флеров Г. Н., "Успехи физических наук", 1961, т. 73, в. 4, с. 655, Струтинский В. М., Деление ядер, "Природа", 1976, № 9; Л и х м а н Р. Б., Деление ядра, в кн.: Физика атомного ядра п плазмы, пер. с англ., М., 1974.

ЯДРА ГАЛАКТИК, компактные массивные сгущения вещества в центральных частях многих галактик. Оптич. светимость Я. г. колеблется в широких пределах и, как правило, ядра ярче у галактик, имеющих большую светимость. Обычно светимость Я. г. составляет неск. процентов от светимости галактики, в отдельных случаях сравнима с её полным излучением, а у большинства галактик ядро в оптич. диапазоне вообще не наблюдается. Известны галактики, лишённые ядер, напр. Большое и Малое Магеллановы Облака - спутники нашей звёздной системы (Галактики), карликовые галактики типа Скульптора и Печи.

В центральных областях ряда достаточно ярких (абс. звёздная величина меньше -15) и массивных галактик наблюдаются крупные эллипсоидальной формы сгущения, получившие назв. "балдж" (от англ, bulge - выпуклость). Я. г. располагается внутри балджа и на его фоне выделяется как более яркое образование. В балджах и Я. г. обнаружены звёзды, газ и пыль. Внутри собственно ядер иногда видны звездообразные ядрышки - керны (некоторые астрономы именно их называют Я. г.). Керны обнаружены пока лишь в 4 ближайших галактиках: Туманности Андромеды, в двух её спутниках и в спиральной галактике МЗЗ. Размеры кернов составляют неск. пс, массы -10; -108 MQ (масс

Солнца), их абс. звёздные величины заключены в пределах от -9 до -12. Керны вращаются гораздо быстрее центральных областей галактик и имеют сплюснутую форму (рис. 1).

До сер. 20 в. изучению Я. г. уделяли сравнительно мало внимания. В 1958 В. А. Амбарцумяи подчеркнул наличие у Я. г. особых свойств и указал на важную роль ядер в эволюции галактик. Интерес к Я. г. возрос в связи с открытием активности ядер, проявляющейся: в мощном нетепловом излучении, охватывающем практически все диапазоны (рис. 2) от метровых радиоволн до жёсткого рентгеновского излучения (оно связано с наличием частиц очень высоких энергий); в переменности потока излучения; в бурных движениях газа; в извержении струй и сгустков (конденсаций) вещества. Данные о мощности излучения Я. г. в нек-рых диапазонах длин волн приведены в след. таблице.
 
Тип объекта
Мощность излучения, эрг/сек
Х=22 мкм, инфракрасный диапазон
Х=2- 5А, рентгеновский диапазон
Квазар ЗС 273 ..............
5,1*1045
3,8*1044
1,4*1 013 
1,36*1043
5*1019
4,5*1041
5,6*1040
1039
~1038
~1034
Радиогалактика NGC 1275........
Эллиптическая галактика М87 .....
Сейфертовская галактика NGC 4151 . .
Ядро нашей Галактики ..........

Среди спиральных галактик наибольшая активность ядер наблюдается у т. н. сейфертовских галактик, среди эллиптич. галактик - у N-галактик и радиогалактик. Особенно высока активность квазаров, к-рые по совр. представлениям являются ядрами далёких гигантских галактик. Источники энергии, ответственные за активность Я. г., как и процессы, приводящие к ускорению в Я. г. заряженных частиц до релятивистских скоростей, пока окончательно не установлены. Т. о., Я. г.- не просто массивные гравитационно связанные компактные комплексы, состоящие из звёзд, межзвёздного газа и пыли, а образования, обладающие рядом специфич. свойств. Существует неск. гипотез о природе активности Я. г. и квазаров.

1) Я. г.- компактное (~1 пс) массивное (~107М„) звёздное скопление, в к-ром поддерживается звездообразование за счёт попадания в ядерную область газа или за счёт слияния мелких звёзд в более крупные при частых столкновениях в условиях большой плотности звёзд в ядрах (~ 10 Мф/яс3). Массивные звёзды быстро эволюционируют, вспыхивают как сверхновые и превращаются в нейтронные звёзды или "чёрные дыры". При этом выделяется гравитац. энергия, обусловливающая активность Я. г. Нейтронные звёзды, проявляющие себя как пульсары, могут порождать потоки релятивистских частиц, необходимые для достижения наблюдаемой мощности излучения. За активность Я. г. могут быть ответственны также "вспышки" звездообразования - рождение большого числа (десятки звёзд в год) молодых горячих звёзд, к-рые своим мощным ультрафиолетовым и корпускулярным излучением имитируют активность ядер.

2) Я. г.- компактное массивное быстро-вращающееся тело (т. н. ротатор или спинор), обладающее сильным магнитным (квазидипольным) полем. Это поле, подобно полю пульсаров, ускоряет частицы до релятивистских скоростей и обусловливает их мощное летепловое излучение. Энергия в этом случае черпается из запасов энергии вращения спинора.

3) Я. г.- "чёрная дыра" с массой М > 103 MQ, на к-рую происходит падение (аккреция) окружающего газа и звёзд. В принципе механизм аккреции может обусловить выделение гравитац. энергии в количестве 1054 (M/MQ) эрг, достаточном для объяснения активности Я. г.

4) По гипотезе В. А. Амбарцумяна, активность Я. г. обусловлена распадом находящегося в них гипотетич. "дозвёздного вещества". Распад происходит взрывообразно и сопровождается выделением значит, энергии. По Амбарцумяну, активность Я. г. играет определяющую роль в эволюции галактик.

Различия в активности Я. г. указывают, по-видимому, что у галактик разных типов она может достигать разных степеней и что в процессе эволюции галактик стадия активности их ядер может повторяться.

Центральную область нашей Галактики исследуют методами радио-, инфракрасной и рентгеновской астрономии, т. к. из-за сильного поглощения света межзвёздной пылью оптич. исследования галактич. центра невозможны. Ядро Галактики совпадает с западным компонентом радиоисточника Стрелец А. В центр, области ядра и вблизи неё обнаружены компактные источники нетеплового радиоизлучения (~0,01 пс в поперечнике). По радиоизлучению ионизованного водорода установлено, что в центре Галактики есть область расширяющегося газа поперечником ~300 пс и более протяжённая (~600 пс) область инфракрасного излучения (облака пыли). В центр, области есть также звёздное скопление эллипсоидальной формы с размерами полуосей 800 X 300 пс, масса к-рого ~10°MQ.

Ядро Галактики окружено вращающимся газовым диском (диаметром 1600 пс и ср. толщиной ок. 400 пс). По своим свойствам ядро Галактики относится к активным, что резко отличает её от ближайшей спиральной галактики Туманность Андромеды, у к-рой признаков активности в ядре не обнаружено.

Лит.: Происхождение и эволюция галактик и звезд. Сб. ст., под ред. С. Б. Пикельнера, М., 1976.

Ю. Н. Дрожжин-Лабинский, Б. В. Комберг.

ЯДРА КОНДЕНСАЦИИ, мельчайшие нейтральные частицы или ионы, на к-рых происходит конденсация паров. Только благодаря наличию Я. к. в атмосфере возможны конденсация водяного пара и образование облаков. Я. к. служат гигроскопич. частицы, содержащие хлориды, сульфиты, сульфиды, нитраты и нитриты. Их размер 10~7-10~5см, а концентрация в среднем в 1 см3 над океаном 103, над сушей вне городов 104, а в городах ~ 1,5-105. С высотой концентрация Я. к. обычно уменьшается.

ЯДРИН, город, центр Ядринского р-на Чуваш. АССР. Пристань на лев. берегу р. Суры, в 60 км к С. от ж.-д. станции Шумерля (на линии Муром - Канаш) и в 87 км к Ю.-З. от г. Чебоксары. Спиртовой, маслосыродельный, кирпичный з-ды, швейная ф-ка, пище- и промкомбинаты.^

ЯДРИЩЕ (археол.), см. Нуклеус.

ЯДРО клеточное, обязательная, наряду с цитоплазмой, составная часть клетки у простейших, многоклеточных животных и растений, содержащая хромосомы и продукты их деятельности. По наличию или отсутствию в клетках Я. все организмы делят на эукариот и прокариот. У последних нет оформленного Я. (отсутствует его оболочка), хотя дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) имеется. В Я. хранится осн. часть наследственной информации клетки; содержащиеся в хромосомах гены играют гл. роль в передаче наследственных признаков в ряду клеток и организмов. Я. находится в постоянном и тесном взаимодействии с цитоплазмой; в нём синтезируются молекулы-посредники, переносящие генетич. информацию к центрам белкового синтеза в цитоплазме. Т. о., Я. управляет синтезами всех белков и через них - всеми физиологич. процессами в клетке. Поэтому получаемые экспериментально безъядерные клетки и фрагменты клеток всегда ж огибают; при переездке Я. в такие клетки их жизнеспособность восстанавливается. Я. впервые наблюдал чеш. учёный Я. Пуркине (1825) в яйцеклетке курицы; в растит, клетках Я. описал англ, учёный Р. Броун (1831-33), в животных клетках - нем. учёный Т. Шванн (1838-39).

Обычно Я. в клетке одно, находится близ её центра, имеет вид сферич. или эллипсоидного пузырька (см. вклейку к стр. 321, фигуры 1-3, 5, 6). Реже Я. бывает неправильной (фигура 4) или сложной формы (напр., Я. лейкоцитов, макронуклеусы инфузорий). Нередки двух- и многоядерные клетки, обычно образующиеся путём деления Я. без деления цитоплазмы или путём слияния неск. одноядерных клеток (т. н. симпласты, напр, поперечнополосатые мышечные волокна). Размеры Я. варьируют от ~ 1 мкм (у нек-рых простейших) до ~ 1 мм (нек-рые яйцеклетки).

Я. отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой (ЯО), состоящей из 2 параллельных липопротеидных мембран толщиной 7-8 нм, между к-рыми находится узкое перинуклеарное пространство. ЯО пронизана порами диам. 60-100 нм, на краях к-рых наружная мембрана ЯО переходит во внутреннюю. Частота пор различна в разных клетках: от единиц до 100-200 на 1 мкм2 поверхности Я. По краю поры располагается кольцо плотного материала - т. н. аннулус. В просвете поры часто имеется центр, гранула диам. 15-20 нм, соединённая с аннулусом радиальными фибриллами. Вместе с порой эти структуры составляют поровый комплекс, к-рый, по-видимому, регулирует прохождение макромолекул через ЯО (напр., вход в Я. белковых молекул, выход из Я. рибонуклеопротеидных частиц и т. п.). Наружная мембрана ЯО местами переходит в мембраны эндоплазматической сети; она обычно несёт белоксинтезирующие частицы - рибосомы. Внутр. мембрана ЯО иногда образует впячивания в глубь Я. Содержимое Я. представлено ядерным соком (кариолимфой, кариоплазмой) и погруженными в него оформленными элементами - хроматином, ядрышками и др. Хроматин - это б. или м. разрыхлённый в неделящемся Я. материал хромосом, комплекс ДНК с белками - т. н. дезоксирибо-нуклеопротеид (ДНП). Он выявляется с помощью цветной реакции Фёльгена на ДНК (фигуры 1 и 8). При делении Я. (см. Митоз) весь хроматин конденсируется в хромосомы; по окончании митоза большая часть участков хромосом опять разрыхляется; эти участки (т. н. эухроматин) содержат в основном уникальные (неповторяющиеся) гены. Другие участки хромосом остаются плотными (т. н. гетерохроматин); в них располагаются гл. обр. повторяющиеся последовательности ДНК. В неделящемся Я. большая часть эухроматина представлена рыхлой сетью фибрилл ДНП толщиной 10- 30 нм, гетерохроматин - плотными глыбками (хромоцентрами), в к-рых те же фибриллы плотно упакованы. Часть эухроматина также может переходить в компактное состояние; такой эухроматин считается неактивным в отношении синтеза РНК. Хромоцентры обычно граничат с ЯО или ядрышком. Есть данные о том, что фибриллы ДНП закреплены на внутр. мембране ЯО.

В неделящемся Я. происходит синтез (репликация) ДНК, изучаемый путём регистрации включённых в Я. меченных радиоактивными изотопами предшественников ДНК (обычно тимидина). Показано, что по длине хроматиновых фибрилл имеется множество участков (т. н. репликонов), каждый со своей точкой начала синтеза ДНК, от к-рой репликация распространяется в обе стороны. Вследствие репликации ДНК удваиваются и сами хромосомы.

В хроматине Я. происходит считывание закодированной в ДНК генетич. информации путём синтеза на ДНК молекул матричной, или информационной, РНК (см. Транскрипция), а также молекул др. типов РНК, участвующих в белковом синтезе. Спец. участки хромосом (и соответственно хроматина) содержат повторяющиеся гены, к-рые кодируют молекулы рибосомной РНК; в этих местах Я. формируются богатые рибонуклеопротеидами (РНП) ядрышки, осн. функция к-рых - синтез РНК, входящей в состав рибосом. Наряду с компонентами ядрышка в Я. есть и др. виды частиц РНК. К ним относятся перихроматиновые фибриллы толщиной 3-5 нм и перихроматиновые гранулы (ПГ) диам. 40-50 нм, расположенные на границах зон рыхлого и компактного хроматина. И те и другие, вероятно, содержат матричную РНК в соединении с белками, а ПГ отвечают её неактивной форме; наблюдался выход ПГ из Я. в цитоплазму через поры ЯО. Имеются также интерхроматиновые гранулы (20-25 нм), а иногда и толстые (40-60 нм) нити РНП, скрученные в клубки. В ядрах амёб имеются нити РНП, скрученные в спирали (30-35 нм X X 300 нм)', спирали могут выходить в цитоплазму и, вероятно, содержат матричную РНК. Наряду с ДНК- и РНК-содержащими структурами нек-рые Я. содержат чисто белковые включения в виде сфер (напр., в Я. растущих яйцеклеток мн. животных, в Я. ряда простейших), пучков фибрилл или кристаллоидов (напр., в ядрах мн. тканевых клеток животных и растений, макронуклеусах ряда инфузорий). В Я. обнаружены также фосфолипиды, липопротеиды, ферменты (ДНК-полимераза, РНК-полимераза, комплекс ферментов оболочки Я., в т. ч. аденозинтрифосфатаза, и др.).

В природе встречаются различные спец. типы Я.: гигантские Я. растущих яйцеклеток, особенно рыб и земноводных; Я., содержащие гигантские политенные хромосомы (см. Политения), напр, в клетках слюнных желез двукрылых насекомых; компактные, лишённые ядрышек Я. сперматозоидов и микронуклеусы инфузорий, сплошь заполненные хроматином и не синтезирующие РНК; Я., в к-рых хромосомы постоянно конденсированы, хотя ядрышки образуются (у нек-рых простейших, в ряде клеток насекомых); Я., в к-рых произошло дву-или многократное увеличение числа наборов хромосом (полиплоидия; фигуры 7, 9).

Осн. способ деления Я.- митоз, характеризующийся удвоением и конденсацией хромосом, разрушением ЯО (исключение - мн. простейшие и грибы) и правильным расхождением сестринских хромосом в дочерние клетки. Однако Я. нек-рых специализир. клеток, особенно полиплоидные, могут делиться простой перешнуровкой (см. Амитоз). Высокополиплоидные Я. могут делиться не только на 2, но и на много частей, а также почковаться (фигура 7). При этом может происходить разделение целых хромосомных наборов (т. н. сегрегация геномов).

Лит.: Руководство по цитологии, т. 1, М.- Л., 1965; Райков И. Б., Кариология простейших, Л., 1967; Р о б е ртис Э., Н о в'и н с к и и В., Саэс Ф., Биология клетки, пер. с англ., М., 1973; Ченцов Ю. С., Поляков В. Ю., Ультраструктура клеточного ядра, М., 1974; The nucleus, ed. A. J. Dalton, F. Haguenau, N. Y.- L., 1968; The cell nucleus, ed. H. Busch, v. 1-3, N. Y.- L., 1974.

И. Б. Райков.

ЯДРО (матем.), функция К(х, у), задающая интегральное преобразование
30-32-3.jpg

к-рое переводит функцию Т (у) в функцию Ф(.г). Теория таких преобразований связана с теорией линейных интегральных уравнений.

ЯДРО (воен.), шаровидный сплошной снаряд ударного действия в гладкоствольной артиллерии. С сер. 14 в. Я. были каменные, с 15 в. железные, затем чугунные (для орудий большого калибра) и свинцовые (для орудий малого калибра). С 16 в. применялись зажигательные "калёные" Я. В 17 в. получили распространение снаряжавшиеся порохом полые разрывные Я.- снаряды (гранаты). Во 2-й пол. 19 в. в связи с заменой гладкоствольных орудий нарезными вышли из употребления.

ЯДРО АТОМНОЕ, центр, массивная часть атома, вокруг к-рой по квантовым орбитам обращаются электроны. Масса Я. а. примерно в 4*103 раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размер Я. а. очень мал (10-12- 10-13см), что приблизительно в 10s раз меньше диаметра всего атома. Электрич. заряд положителен и по абс. величине равен сумме зарядов атомных электронов (т. к. атом в целом электрически нейтрален).

Существование Я. а. было открыто Э. Резерфордом (1911) в опытах по рассеянию а-частиц при прохождении их через вещество. Обнаружив, что а-частицы чаще, чем ожидалось, рассеиваются на большие углы, Резерфорд предположил, что положит, заряд атома сосредоточен в малом по размерам Я. а. (до этого господствовали представления Дж. Томсона, согласно к-рым положит, заряд атома считался равномерно распределённым по его объёму). Идея Резерфорда была принята его современниками не сразу (гл. препятствием была убеждённость в неизбежном падении атомных электронов на ядро из-за потери энергии на электромагнитное излучение при движении по орбите вокруг Я. а.). Большую роль в её признании сыграла знаменитая работа Н. Бора (1913), положившая начало квантовой теории атома. Бор постулировал стабильность орбит как исходный принцип квантования движения атомных электронов и из него затем вывел закономерности линейчатых оптич. спектров, объяснявших обширный эмпирич. материал (Бальмера серия и др.). Неск. позже (в кон. 1913) ученик Резерфорда Г. Мозли экспериментально показал, что смещение коротковолновой границы линейчатых рентгеновских спектров атомов при изменении порядкового номера Z элемента в периодической системе элементов соответствует теории Бора, если допустить, что электрич. заряд Я. а. (в единицах заряда электрона) равен Z. Это открытие полностью сломало барьер недоверия: новый физ. объект - Я. а. оказался прочно связанным с целым кругом на первый взгляд разнородных явлений, получивших теперь единое и физически прозрачное объяснение. После работ Мозли факт существования Я. а. окончательно утвердился в физике.

Состав ядра. Ко времени открытия Я. а. были известны только две элементарные частицы - протон и электрон, В соответствии с этим считалось вероятным, что Я. а. состоит из них. Однако в кон. 20-х гг. 20 в. протонно-электронная гипотеза столкнулась с серьёзной трудностью, получившей назв. "азотной катастрофы": по протонно-электронной гипотезе ядро азота должно было содержать 21 частицу (14 протонов и 7 электронов), каждая из к-рых имела спин 1/2. Спин ядра азота должен был быть полуцелым, а согласно данным по измерению оптич. молекулярных спектров спин оказался равным 1.

Состав Я. а. был выяснен после открытия Дж. Чедвиком (1932) нейтрона. Масса нейтрона, как выяснилось уже из первых экспериментов Чедвика, близка к массе протона, а спин равен '/2 (установлено позже). Идея о том, что Я. а. состоит из протонов и нейтронов, была впервые высказана в печати Д. Д. Иваненко (1932) и непосредственно вслед за этим развита В. Гейзенбергом (1932). Предположение о протонно-нейтронном составе ядра получило в дальнейшем полное экспериментальное подтверждение. В совр. ядерной физике протон (р) и нейтрон (п) часто объединяются общим названием нуклон. Общее число нуклонов в Я. а. наз. массовым числом А, число протонов равно заряду ядра Z (в единицах заряда электрона), число нейтронов N - А - Z. У изотопов одинаковое Z, но разные А и N, у ядер-изобар одинаковое А и разные Z и N.

В связи с открытием новых частиц, более тяжёлых, чем нуклоны, т. н. нуклонных изобар (см. Резонансы), выяснилось, что они также должны входить в состав Я. а. (внутриядерные нуклоны, сталкиваясь друг с другом, могут превращаться в нуклонные изобары). В простейшем ядре - дейтроне, состоящем из одного протона и одного нейтрона, нуклоны ~ 1% времени должны пребывать в виде нуклонных изобар. Ряд наблюдаемых явлений (особенно ядерных реакций под действием частиц высоких энергий) свидетельствует в пользу существования таких изобарных состояний в ядрах. Помимо нуклонов и нуклонных изобар, в ядрах периодически на короткое время (10~23- 10-24 сек) появляются мезоны, в т. ч. легчайшие из них - я-мезоны (см. Пи-мезоны). Взаимодействие нуклонов сводится к многократным актам испускания мезона одним из нуклонов и поглощения его другим. Возникающие т. о. обменные мезонные токи сказываются, в частности, на электромагнитных свойствах ядер. Наиболее отчётливое проявление обменных мезонных токов обнаружено в реакции расщепления дейтрона электронами высоких энергий и 7-квантами.

Взаимодействие нуклонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, наз. ядерными. Это самые сильные из всех известных в физике взаимодействий (см. Сильные взаимодействия). Ядерные силы, действующие между двумя нуклонами в ядре, по порядку величины в сто раз интенсивнее электростатич. взаимодействия между протонами. Важным свойством ядерных сил является их изотопическая инвариантность, т. е. независимость от зарядового состояния нуклонов: ядерные взаимодействия двух протонов, двух нейтронов или нейтрона и протона одинаковы, если одинаковы состояния относит, движения этих пар частиц. Величина ядерных сил зависит от расстояния между нуклонами, от взаимной ориентации их спинов, от ориентации спинов относительно орбитального момента вращения и радиуса-вектора, проведённого от одной частицы к другой. В соответствии с этим различают ядерные силы центральные, спин-спиновые, спин-орбитальные и тензорные.

Ядерные силы характеризуются определённым радиусом действия: потенциал этих сил убывает с расстоянием г между частицами быстрее, чем г-2, а сами силы- быстрее, чем г-3. Из рассмотрения физ. природы ядерных сил следует, что они должны убывать с расстоянием экспоненциально. Радиус действия ядерных сил определяется т. н. комптоновской длиной волны г0 мезонов, к-рыми обмениваются нуклоны в процессе взаимодействия:

r0 = h/tic, (1), здесь ц - масса мезона, ft - Планка постоянная, с - скорость света в вакууме. Наибольший радиус действия имеют силы, обусловленные обменом я-мезонами. Для них Го = 1,41 ф (1 ф = Ю-13 см). Межнуклонные расстояния в ядрах имеют именно такой порядок величины, однако существ, вклад в ядерные силы вносят обмены и более тяжёлыми мезонами (л-, р-, ш-мезоны и др.). Точная зависимость ядерных сил между двумя нуклонами от расстояния и относит, вклад ядерных сил, обусловленных обменом мезонов разных типов, с определённостью не установлены. В многонуклонных ядрах возможны силы, к-рые не сводятся к взаимодействию только пар нуклонов. Роль этих т. н. многочастичных сила структуре ядер остаётся пока не выясненной. Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов. Средняя плотность числа р нуклонов в ядре (их число в единице объёма) для всех многонуклонных ядер (А > 0) практически одинакова. Это означает, что объём ядра пропорционален числу нуклонов А, а его линейный размер . Эффективный радиус ядра R определяется соотношением:

R = аА1/\ (2) где константа а близка к г0, но отличается от него и зависит от того, в каких физ. явлениях измеряется R. В случае т. н. зарядового радиуса ядра, измеряемого по рассеянию электронов на ядрах или по положению энергетич. уровней \1-мезоатомов: а= 1,12 ф. Эффективный радиус, определённый из процессов взаимодействия адронов (нуклонов, мезонов, сс-частиц и др.) с ядрами, неск. больше зарядового: от 1,2 ф до 1,4 ф.

Плотность ядерного вещества фантастически велика сравнительно с плотностью обычных веществ: она равна примерно 1014г/см3. В ядре р почти постоянно в центр, части и экспоненциально убывает к периферии. Для приближённого описания эмпирич. данных иногда принимают след, зависимость р от расстояния г от центра ядра:

р(г) = р„/(1 + e(r-R")/b. (3) Эффективный радиус ядра R равен при этом Ro +6.Величина Ъ характеризует размытость границы ядра, она почти одинакова для всех ядер ("0,5 ф). Параметр ро - удвоенная плотность на -"границе" ядра, определяется из условия нормировки (равенства объёмного интеграла от р числу нуклонов А). Из (2) следует, что размеры ядер варьируются по порядку величины от Ю-13 ел до Ю-12 см для тяжёлых ядер (размер атома -~ Ю-8см). Однако формула (2) описывает рост линейных размеров ядер с увеличением числа нуклонов лишь огрублённо, при значит, увеличении А. Изменение же размера ядра в случае присоединения к нему одного или двух нуклонов зависит от деталей структуры ядра и может быть иррегулярным. В частности (как показали измерения изотопич. сдвига атомных уровней энергии), иногда радиус ядра при добавлении двух нейтронов даже уменьшается.

Энергия связи и масса ядра. Энергией связи ядра Есвв наз. энергия, к-рую необходимо затратить на расщепление ядра на отд. нуклоны. Она равна разности суммы масс входящих в него нуклонов и массы ядра, умноженной на с2 (см. Относительности теория):

Есв = (Zmp + Nmn - М) с2. (4)

Здесь Тор, Топ и М - массы протона, нейтрона и ядра. Замечательной особенностью ядер является тот факт, что Есв приблизительно пропорциональна числу нуклонов, так что удельная энергия связи Есв/А слабо меняется при изменении А (для большинства ядер Есв/А = = 6-8 Мэв). Это свойство, наз. насыщением ядерных сил, означает, что каждый нуклон эффективно связывается не со всеми нуклонами ядра (в этом случае энергия связи была бы пропорциональна А2 при А1), а лишь с нек-рыми из них. Теоретически это возможно, если силы при изменённом расстоянии изменяют знак (притяжение на одних расстояниях сменяется отталкиванием на других). Объяснить эффект насыщения ядерных сил, исходя из имеющихся данных о потенциале взаимодействия двух нуклонов, пока не удалось (известно около 50 вариантов ядерного межнуклонного потенциала, удовлетворительно описывающих свойства дейтрона и рассеяние нуклона на нуклоне; ни один из них не может описать эффект насыщения ядерных сил в многонуклонных ядрах).

Независимость плотности р и удельной энергии связи ядер от числа нуклонов А создаёт предпосылки для введения понятия ядерной материи (безграничного ядра). Физ. объектами, отвечающими этому понятию, могут быть не только макроскопич. космич. тела, обладающие ядерной плотностью (напр., нейтронные звёзды), но, в определённом аспекте, и обычные ядра с достаточно большими А.

Зависимость ?сяот А и Z для всех известных ядер приближённо описывается полуэмпирич. массовой формулой (впервые предложенной нем. физиком К. Ф. Вейцзеккером в 1935):
30-32-4.jpg

Здесь первое (и наибольшее) слагаемое определяет линейную зависимость Есв от А; второй член, уменьшающий Есв, обусловлен тем, что часть нуклонов находится на поверхности ядра. Третье слагаемое - энергия электростатич. (куло-новского) отталкивания протонов (обратно пропорциональна радиусу ядра и прямо пропорциональна квадрату его заряда). Четвёртый, член учитывает влияние на энергию связи неравенства числа протонов и нейтронов в ядре, пятое слагаемое 8(Л, Z) зависит от чётности чисел А и Z; оно равно:
30-32-5.jpg

Эта сравнительно небольшая поправка оказывается, однако, весьма существенной для ряда явлений и, в частности, для процесса деления тяжёлых ядер. Именно она определяет делимость ядер нечётных по А изотопов урана под действием медленных нейтронов (см. Ядра атомного деление), что и обусловливает выделенную роль этих изотопов в ядерной энергетике. Все константы, входящие в формулу (5), подбираются так, чтобы наилучшим образом удовлетворить эмпирич. данным. Оптимальное согласие с опытом достигается при Е = = 14,03 Мэв, а = 13,03 Мэв, (3 = = 0,5835 Мэв, у = 77,25 Мэв. Формулы (5) и (6) могут быть использованы для оценки энергий связи ядер, не слишком удалённых от полосы стабильности ядер. Последняя определяется положением максимума Ав как функции Z при фиксированном А. Это условие определяет связь между Z и Л для стабильных ядер:

Z = Л(1,98 + 0,15Л2/3Г'. (7)

Формулы типа (5) не учитывают квантовых эффектов, связанных с деталями структуры ядер, которые могут приводить к скачкообразным изменениям Есв вблизи некоторых значений Л и Z (см. ниже).

Структурные особенности в зависимости Есв от А и Z могут сказаться весьма существенно в вопросе о предельном возможном значении Z, т. е. о границе периодич. системы элементов. Эта граница обусловлена неустойчивостью тяжёлых ядер относительно процесса деления. Теоретич. оценки вероятности спонтанного деления ядер не исключают возможности существования "островов стабильности" сверхтяжёлых ядер вблизи Z = 114 и Z = 126.

Квантовые характеристики ядер. Я. а. может находиться в разных квантовых состояниях, отличающихся друг от друга значением энергии и др. сохраняющихся во времени физ. величин. Состояние с наименьшей возможной для данного ядра энергией наз. основным, все остальные - возбуждёнными. К числу важнейших квантовых характеристик ядерного состояния относятся спин 1 и чётность Р. Спин / - целое число у ядер с чётным А и полуцелое при нечётном. Чётность состояния Р = ± 1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отображении пространства. Эти две характеристики часто объединяют единым символом /р или I+. Имеет место след, эмпирич. правило: для осн. состояний ядер с чётными Л и Z спин равен 0, а волновая функция чётная (1Р = 0+). Квантовое состояние системы имеет определённую чётность Р, если система зеркально симметрична (т. е. переходит сама в себя при зеркальном отражении). В ядрах зеркальная симметрия неск. нарушена из-за наличия слабого взаимодействия между нуклонами, не сохраняющего чётность (его интенсивность по порядку величины ~ 10-5% от осн. сил, связывающих нуклоны в ядрах). Однако обусловленное слабым взаимодействием смешивание состояний с разной чётностью мало и практически не сказывается на структуре ядер.

Помимо I и Р, ядерные состояния характеризуются также квантовыми числами, возникающими вследствие динамич. симметрии ядерных взаимодействий. Важнейшей из них является изотопич. инвариантность ядерных сил. Она приводит к появлению у лёгких ядер (Z <= 20) квантового числа, наз. изотопическим спином, или изоспином. Изоспин ядра Т - целое число при чётном Л и полуцелое-при нечётном. Различные состояния ядра могут иметь разный изо-спин: Т >=(А - 22)12. Известно эмпирич. правило, согласно к-рому изоспины осн. состояний ядер минимальны, т. е. равны (Л - 22)12. Изоспин характеризует свойства симметрии волновой функции данного состояния ядра относительно замены р = n п. С изоспином связано существование изотопич. ядерных мультиплетов или аналоговых состояний у ядер с одним и тем же Л. Эти состояния, хотя и принадлежат разным ядрам (отличающимся по Z и N), имеют одинаковую структуру и, следовательно, одинаковые /р и Т. Число таких состояний равно 2Т + 1. Легчайшее после протона ядро - дейтрон имеет изоспин Т = 0 и поэтому не имеет аналогов. Ядра 3iH и 3зНе образуют изотопич. дублет с Т = 1/2. В случае более тяжёлых ядер членами одного изотопич. мультиплета являются как основные, так и возбуждённые состояния ядер. Это связано с тем, что при изменении Z меняется кулоновская энергия ядра (она растёт с числом протонов), и, кроме того, при замене р = n на полной энергии ядра сказывается разность масс протона и нейтрона. Примером изотопич. мультиплета, содержащим как основные, так и возбуждённые состояния, является триплет с Т = 1: 146С (оси) - U7N(2,31 Мэв) -* 148О (оси) (в скобках указана энергия возбуждения). Полуразность числа нейтронов и протонов, наз. проекцией изоспнна, обозначается символом Тз. Для членов изотопич. мультиплета Тз принимает 2Т + 1 значений, отличающихся друг от друга на единицу и лежащих в интервале -Т^Тз ^ Т. Величина Тз для ядер определена так, что для протона Тз = -'/2, а для нейтрона Тз = + '/2. В физике же элементарных частиц протону приписывается положит, значение Тз, а нейтрону - отрицательное. Это чисто условное различие в определениях вызвано соображениями удобства (при избранном в ядерной физике определении Тз эта величина положительна для большинства ядер).

"Чистота" состояний лёгких ядер по изоспину велика - примеси по порядку величины не превосходят 0,1-1% . Для тяжёлых ядер изоспин не является хорошим квантовым числом (состояния с разным изоспином смешиваются гл. обр. из-за электростатич. взаимодействия протонов). Тем не менее, ощутимые следы изотопич. симметрии остаются и в этом случае. Она проявляется, в частности, в наличии т. н. аналоговых р езонансов (аналоговых состояний, не стабильных относительно распада с испусканием нуклонов).

Кроме 1,РчТ, ядерные состояния могут характеризоваться также квантовыми числами, связанными с конкретной моделью, привлекаемой для приближённого описания ядра (см. ниже).

Электрические и магнитные моменты ядер. В различных состояниях ядро может иметь разные по величине магнитные дипольные и квадоупольные электрические моменты. Последние могут быть отличны от нуля только в том случае, когда спин / > '/2. Ядерное состояние с определённой чётностью Р не может обладать электрич. дипольным моментом. Более того, даже при несохранении чётности для возникновения электрич. дипольного момента необходимо, чтобы взаимодействие нуклонов было необратимо во времени - неинвариантно). Поскольку по экспериментальным данным Г-неинвариантные межнуклонные силы (если они вообще есть) по меньшей мере в 103 раз слабее осн. ядерных сил, а эффекты несохранения чётности также очень малы, то электрич. дипольные моменты либо равны нулю, либо столь малы, что их обнаружение находится вне пределов возможности совр. ядерного эксперимента. Ядерные магнитные дипольные моменты имеют порядок величины ядерного магнетона. Электрич. квадрупольные моменты изменяются в очень широких пределах: от величин порядка е*10-27 см2(лёгкие ядра) до е*10-23 см2 (тяжёлые ядра, е - заряд электрона). В большинстве случаев известны лишь магнитные и электрич. моменты осн. состояний, поскольку они могут быть измерены оптич. и радиоспектроскопич. методами (см. Ядерный магнитный резонанс). Значения моментов существенно зависят от структуры ядра, распределения в нём заряда и токов. Объяснение наблюдаемых величин магнитных дипольных и электрич. квадрупольных моментов является пробным камнем для любой модели ядра.

Структура ядра и модели ядер. Многочастичная квантовая система с сильным взаимодействием, каковой является Я. а., с теоретич. точки зрения объект исключительно сложный. Трудности связаны не только с количественно точными вычислениями физ. величин, характеризующих ядро, но даже с качеств, пониманием осн. свойств ядерных состояний, спектра энергетич. уровней, механизма ядерных реакций. Тяжелые ядра содержат много нуклонов, но всё же их число не столь велико, чтобы можно было с уверенностью воспользоваться методами статистической физики, как это делается в теории конденсированных сред (см. Жидкость, Твёрдое тело). К математич. трудностям теории добавляется недостаточная определённость исходных данных о ядерных силах. Поскольку межнуклонное взаимодействие сводится к обмену мезонами, объяснение свойств ядра в конечном счёте должно опираться на релятивистскую квантовую теорию элементарных частиц, к-рая сама по себе в современном её состоянии не свободна от внутр. противоречий и не может считаться завершённой. Хотя сравнительно небольшие в среднем скорости нуклонов в ядре (0,1 с) неск. упрощают теорию, позволяя строить её в первом приближении на основе нерелятивистской квантовой механики, ядерная задача многих тел остаётся пока одной из фундаментальных проблем физики. По всем этим причинам до сих пор, исходя из "первых принципов", рассматривалась только структура простейших ядер - дейтрона и трёхнуклонных ядер 3Н и 3Не. Структуру более сложных ядер пытаются понять с помощью ядерных моделей, в к-рых ядро гипотетически уподобляется к.-л. более простой и лучше изученной физ. системе.

Оболочечная модель. Её прообразом является многоэлектронный атом. Согласно этой модели, каждый нуклон находится в ядре в определённом индивидуальном квантовом состоянии, характеризуемом энергией, моментом вращения j, его проекцией т на одну из координатных осей и орбитальным моментом вращения / = j± */2 [чётность состояния нуклона Р = (-1)']. Энергия уровня не зависит от проекции момента вращения на внешнюю ось. Поэтому в соответствии с Паули принципом на каждом энергетич. уровне с моментами j, / может находиться (2/ +1) тождественных нуклонов (протонов и нейтронов), образующих "оболочку" (/',/). Полный момент вращения заполненной оболочки равен нулю. Поэтому если ядро составлено только из заполненных протонных и нейтронных оболочек, то его спин будет также равен нулю. Всякий раз, когда количество протонов или нейтронов достигает магич. числа, отвечающего заполнению очередной оболочки, возникает возможность скачкообразного изменения нек-рых характеризующих ядро величин (в частности, энергии связи). Это создаёт подобие периодичности в свойствах ядер в зависимости от А и Z, аналогичной периодич. закону для атомов. В обоих случаях физ. причиной периодичности является принцип Паули, запрещающий двум тождественным фермионам (частицам с полуцелыми спинами) находиться в одном и том же состоянии. Однако оболочечная структура у ядер проявляется значительно слабее, чем в атомах. Происходит это гл. обр. потому, что в ядрах индивидуальные квантовые состояния частиц ("орбиты") возмущаются взаимодействием ("столкновениями") их друг с другом гораздо сильнее, чем в атомах. Более того, известно, что большое число ядерных состояний совсем не похоже на совокупность движущихся в ядре независимо друг от друга нуклонов, т. е. не может быть объяснено в рамках обол очечной модели. Наличие таких коллективных состояний указывает на то, что представления об индивидуальных нуклонных орбитах являются скорее методич. базисом теории, удобным для описания нек-рых состояний ядра, чем физ. реальностью.

В этой связи в оболочечную модель вводится понятие квазичастиц - элементарных возбуждений среды, эффективно ведущих себя во многих отношениях подобно частицам. При этом Я. а. рассматривается как квантовая жидкость, точнее как ферми-жидкость конечных размеров. Ядро в осн. состоянии рассматривается как вырожденный ферми-газ квазичастиц, к-рые эффективно не взаимодействуют друг с другом, поскольку всякий акт столкновения, изменяющий индивидуальные состояния квазичастиц, запрещён принципом Паули. В возбуждённом состоянии ядра, когда 1 или 2 квазичастицы находятся на более высоких индивидуальных энергетич. уровнях, эти частицы, освободив орбиты, занимавшиеся ими ранее внутри ферми-сферы (см. Ферми поверхность), могут взаимодействовать как друг с другом, так и с образовавшейся дыркой в нижней оболочке. В результате взаимодействия с внешней квазичастицей может происходить переход квазичастиц из заполненных состояний в незаполненное, вследствие чего старая дырка исчезает, а новая появляется; это эквивалентно переходу дырки из одного состояния в другое, Т. о., согласно оболочечной модели, основывающейся на теории квантовой ферми-жидкости, спектр нижних возбуждённых состояний ядер определяется движением 1-2 квазичастиц вне ферми-сферы и взаимодействием их друг с другом и с дырками внутри ферми-сферы. Этим самым объяснение структуры многонуклонного ядра при неболыных энергиях возбуждения фактически сводится к квантовой проблеме 2-4 взаимодействующих тел (квазичастица - дырка или 2 квазичастицы - 2 дырки). Применение теории ферми-жидкости к Я. а. было развито А. Б. Мигдалом (1965). Трудность теории состоит, однако, в том, что взаимодействие квазичастиц и дырок не мало и потому нет уверенности в невозможности появления низкоэнергетич. возбуждённого состояния, обусловленного большим числом квазичастиц вне ферми-сферы.

В др. вариантах оболочечной модели вводится эффективное взаимодействие между квазичастицами в каждой оболочке, приводящее к перемешиванию первоначальных конфигураций индивидуальных состояний. Это взаимодействие учитывается по методике теории возмущений (справедливой для малых возмущений). Внутр. непоследовательность такой схемы состоит в том, что эффективное взаимодействие, необходимое теории для описания опытных фактов, оказывается отнюдь не слабым. Кроме того, как показывает сравнение теоретич. и экспериментальных данных, в разных оболочках приходится вводить разные эффективные взаимодействия, что увеличивает число эмпирически подбираемых параметров модели.

Осн. теоретич. разновидности модели оболочек модифицируются иногда введением различного рода дополнит, взаимодействий (напр., взаимодействия квазичастиц с колебаниями поверхности ядра) для достижения лучшего согласия теории с экспериментом.

Т. о., совр. оболочечная модель ядра фактически является полуэмпирич. схемой, позволяющей понять нек-рые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра. В частности, ввиду перечисленных трудностей непросто выяснить теоретически порядок заполнения оболочек, а следовательно, и "магические числа", к-рые служили бы аналогами периодов таблицы Менделеева для атомов. Порядок заполнения оболочек зависит, во-первых, от характера силового поля, к-рое определяет индивидуальные состояния квазичастиц, и, во-вторых, от смешивания конфигураций. Последнее обычно принимается во внимание лишь для незаполненных оболочек. Наблюдаемые на опыте магические числа нейтронов (2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126) и протонов (2, 8, 20, 28, 50, 82) отвечают квантовым состояниям квазичастиц, движущихся в прямоугольной или осцилляторной потенциальной яме со спин-орбитальным взаимодействием (именно благодаря ему возникают числа 28, 40, 82 и 126). Объяснение самого факта существования магических чисел было крупным успехом модели оболочек, впервые предложенной М. Гёпперт-Майер и И. X. Д. Йенсеном в 1949-50.

Др. важным результатом модели оболочек даже в простейшей форме (без учёта взаимодействия квазичастиц) является получение квантовых чисел осн. состояний нечётных ядер и приближённое описание данных о магнитных дипольных моментах таких ядер. Согласно оболочечной модели, эти величины для нечётных ядер определяются состоянием (величинами ;', /) последнего "несларенного" нуклона. В этом случае / = ;', Р = (-1)'. Магнитный дипольный момент и. (в ядерных магнетонах), если неспаренным нуклоном является нейтрон, равен:
30-32-6.jpg

В случае неспаренного протона:
30-32-7.jpg

Здесь ц„ = 1,913 и мР = 2,793 - магнитные моменты нейтрона и протона. Зависимости и. от ;' при данном I = 4/з наз. линиями Шмидта. Магнитные дипрльные моменты практически всех нечётных ядер, согласно опытным данным, лежат между линиями Шмидта, но не на самих линиях, как это требуется простейшей оболочечной моделью (рис.

1,2). Тем не менее близость экспериментальных значений магнитных дипольных моментов ядер к линиям Шмидта такова, что, зная j = 1 и м можно в большинстве случаев однозначно определить /. Данные о квадрупольных электрич. моментах ядер значительно хуже описываются оболочечной моделью как по знаку, так и по абс. величине. Существенно, однако, что в зависимости квадрупольных моментов от А и Z наблюдается периодичность, соответствующая магич. числам.

Все эти сведения о ядрах (значения 1Р, электрич. и магнитных моментов осн. состояний, магич. числа, данные о возбуждённых состояниях) позволяют принять схему заполнения ядерных оболочек, приведённую на рис. 3.

Несферичность ядер. Ротационная модель. Согласно экспериментальным данным в области массовых чисел 150<Л< < 190 и Л>200, квадрупольные моменты О ядер с/>4/2 чрезвычайно велики, они отличаются от значений, предсказываемых оболочечной моделью, в 10-100 раз. В этой же области значений А зависимость энергии нижних возбуждённых состояний ядер от спина ядра оказывается поразительно похожей на зависимость энергии вращающегося волчка от его момента вращения. Особенно чётко это выражено у ядер с чётными А и Z. В этом случае энергия / возбуждённого уровня со спином / даётся соотношением:
30-32-8.jpg

где J - величина, практически не зависящая от / и имеющая размерность момента инерции. Спины возбуждённых состояний в (10) принимают, как показывает опыт, только чётные значения: 2, 4, 6,... (соответствует осн. состоянию). Эти факты послужили основанием для ротационной модели несферического ядра, предложенной амер. физиком Дж. Рейнуотером (1950) и развитой в работах датского физика О. Бора и амер. физика Б. Моттельсона. Согласно этой модели, ядро представляет собой эллипсоид вращения. Его большая (ai) и малая (аг) полуоси выражаются через параметр деформации |3 ядра соотношениями:
30-32-9.jpg

Электрич. квадрупольный момент О не-сферич. ядра выражается через (J. Параметры р, определенные из данных по квадрупольным моментам (не только по статическим, но и динамическим - т. е. по вероятности испускания возбуждённым ядром электрич. квадрупольного излучения), оказываются по порядку величины равными 0,1, но варьируются в довольно широких пределах, достигая у нек-рых ядер редкоземельных элементов значений, близких к 0,5. От параметра (3 зависит также момент инерции ядра. Как показывает сравнение опытных данных по энергии возбуждённых состояний несферич. ядер с формулой (10), наблюдаемые значения J значительно меньше моментов инерции твёрдого эллипсоида вращения относительно направления, перпендикулярного оси симметрии. Нет также ротационных уровней, соответствующих вращению эллипсоида вокруг оси симметрии. Эти обстоятельства исключают возможность отождествить вращение несферич. ядра с квантовым вращением симметрич. твердотельного волчка в буквальном смысле слова. Для ротационной модели несферич. ядер принимается схема, аналогичная квантованию движения двухатомной молекулы с идентичными бесспиновыми ядрами: вращат. момент ядер такой молекулы относительно её центра тяжести всегда перпендикулярен оси симметрии (линии, соединяющей ядра). Из-за свойств симметрии волновой функции относительно перестановки ядер допустимы только чётные значения момента вращения (0, 2, 4 и т. д.), что как раз соответствует значениям / для ротационных состояний несферич. ядер с чётными А и Z. Для ядер с небольшими значениями параметров деформации |3, наблюдаемые значения / близки к моменту инерции той части эллипсоида вращения, к-рая находится вне вписанного в эллипсоид шара. Такой момент инерции мог бы иметь идеальный газ, помещённый в сосуд в форме эллипсоида вращения, или, что то же самое, частицы, движущиеся независимо друг от друга в несферич. эллипсоидальной потенциальной яме. С ростом (3 момент инерции ядра в такой модели растёт довольно быстро, достигая твердотельного значения. Это противоречит опытным данным, согласно к-рым рост / с увеличением 3 происходит значительно медленнее, так что для реальных ядер / принимают значения, лежащие между моментами инерции части эллипсоида, находящейся вне вписанного в него шара и твёрдого эллипсоида вращения. Это противоречие устраняется учётом взаимодействия между частицами, движущимися в потенциальной яме. При этом, как оказывается, гл. роль играют парные корреляции "сверхтекучего типа" (см. ниже). Описанная картина структуры несферич. ядра отвечает обобщению оболочечной модели на случай движения квазичастиц в сферически-несимметричном потенциальном поле (обобщённая модель). При этом неск. изменяются и схема энергетич. уровней и квантовые числа, характеризующие индивидуальные орбиты частиц. В связи с появлением физически выделенного направления - оси симметрии эллипсоида, сохраняется проекция момента вращения каждой из частиц на эту ось. Момент вращения частицы / при этом перестаёт быть определённым квантовым числом. Практически, однако, для всех ядер смешивание орбит с разными j мало, так что несферичность ядра в движении частиц сказывается гл. обр. на появлении дополнит, квантового числа. Для нечётных ядер спин ядра / получается векторным сложением ротационного момента всего ядра как целого и момента вращения "последнего" нечётного нуклона. При этом энергия ротационного уровня зависит не только от /, но и от проекции момента вращения К нечётного нуклона на ось симметрии ядра. Разным значениям К отвечают разные "ротационные полосы". Общая формула, определяющая энергию Е(/) ротационного уровня нечётного ядра, имеет вид:
30-32-10.jpg

где SК,1/2г= 0, если К <> 1/2 и SK,1/2 = 1 при К = 1/2; и - эмпирически подбираемая константа, характеризующая "связь" момента вращения частицы и ротационного момента ядра. Моменты инерции для чётных и нечётных по А несферич. ядер по порядку величины одинаковы и таковы, что энергия возбуждения первого ротационного уровня у ядер редкоземельных элементов около 100 кэв (это отвечает значениям J ~ 10-" г-см2).

Существенная черта ротационной модели несферич. ядер - сочетание вращения всего ядра, как целого, с движением отд. нуклонов в несферич. потенциальном поле. При этом предполагается, что вращение всего ядра (т. е. несферич. потенциальной ямы) происходит достаточно медленно сравнительно со скоростью движения нуклонов (адиабатич. приближение). Более точно последнее означает, что расстояние между соседними ротационными уровнями должно быть мало сравнительно с расстояниями между энергетич. уровнями нуклонов в потенциальной яме. Адиабатич. приближение для описания энергетич. спектра нек-рых несферич. ядер оказывается недостаточным. В этом случае вводятся неадиабатич. поправки (напр., на кориолисовы силы и др.), что приводит к увеличению числа параметров, определяемых из сравнения теории с опытом.

Совр. данные о ротационных спектрах несферич. ядер обильны. У нек-рых ядер известно неск. ротационных полос (напр., у ядра 235U наблюдается 9 полос, причём отд. ротационные полосы "прослежены" вплоть до спинов / = 25/2 и более). Несферич. ядра в основном сосредоточены в области больших А. Есть попытки интерпретировать и нек-рые лёгкие ядра как несферические (так в несферичности "подозревается" ядро 24Mg). Моменты инерции таких лёгких ядер оказываются примерно в 10 раз меньше, чем у тяжёлых.

Ротационная модель несферич. ядер позволяет описать ряд существ, свойств большой группы ядер. Вместе с тем эта модель не является последоват. теорией, выведенной из "первых принципов". Её исходные положения постулированы в соответствии с эмпирич. данными о ядрах. В рамках этой модели необъяснённым остаётся сам факт возникновения ротационного спектра (т. е. факт вращения всего ядра, как целого). Попытки получить ядерные ротационные спектры на основе общей квантовомеханич. теории системы многих тел пока остаются незавершёнными.

Сверхтекучесть ядерного вещества и другие ядерные модели. Аналогично тому, как спаривание электронов в металлах порождает сверхпроводимость (см. Купера эффект), спаривание нуклонов должно приводить к сверхтекучести ядерного вещества. В безграничном ядре (ядерной материи) в единую "частицу" (куперовскую пару) объединялись бы нуклоны с равными по величине, но противоположными по знаку импульсами и проекциями спинов. В реальных ядрах предполагается спаривание нуклонов с одними и теми же значениями квантовых чисел (j, I) и с противоположными проекциями полного момента вращения нуклона, равными -j, -/+ 1, ...j-1, j. Физическая причина спаривания - взаимодействие частиц, движущихся по индивидуальным орбитам, как это принимается оболочечной моделью. Впервые на возможность сверхтекучести ядерной материи указал Н. Н. Боголюбов (1958). Одним из проявлений сверхтекучести должно быть наличие энергетич. щели между сверхтекучим и нормальным состоянием ядерного вещества. Величина этой щели определяется энергией связи пары (энергией спаривания), к-рая для ядерной материи (насколько можно судить по разности энергий связи чётных и нечётных ядер) должна составлять ~ 1-2 Мэв. В реальных ядрах наличие энергетич. щели с определённостью установить трудно, поскольку спектр ядерных уровней дискретен и расстояние между оболочечными уровнями сравнимо с величиной щели.

Наиболее ярким указанием на сверхтекучесть ядерного вещества является отличие моментов инерции сильно несферич. ядер от твердотельных значений: теория сверхтекучести ядерного вещества удовлетворительно объясняет как абс. значения моментов инерции, так и их зависимость от параметра деформации Р. Теория предсказывает также резкое (скачкообразное) возрастание момента инерции в данной вращат. полосе при нек-ром критическом (достаточно большом) спине /. Это явление, аналогичное разрушению сверхпроводимости достаточно сильным магнитным полем, пока отчётливо не наблюдалось (в теоретич. предсказании критич. значений / имеются неопределённости). Менее выразительно, но всё же заметно сказывается сверхтекучесть ядерного вещества на др. свойствах ядра: на вероятностях электромагнитных переходов, на положениях оболочечных уровней и т. п. Однако в целом сверхтекучесть ядерного вещества выражена в реальных ядрах не так ярко, как, напр., явление сверхпроводимости металлов или сверхтекучесть гелия при низких темп-pax. Причиной этого является ограниченность размера ядра, сравнимая с размером куперовской пары. Менее надёжны, чем в физике обычных конденсированных сред, и выводы теории сверхтекучести ядер. Гл. препятствием теории и здесь является то обстоятельство, что взаимодействие между ядерными частицами не может считаться слабым (в отличие, напр., от взаимодействия, приводящего к спариванию электронов в металле). Поэтому наряду с парными корреляциями следовало бы учитывать и корреляции большего числа частиц (напр., четырёх). Вопрос о влиянии таких многочастичных корреляций на свойства ядра остаётся пока открытым.

Описанные ядерные модели являются основными, охватывающими свойства большинства ядер. Они, однако, не достаточны для описания всех наблюдаемых свойств осн. и возбуждённых состояний ядер. Так, в частности, для объяснения спектра коллективных возбуждений сферич. ядер привлекается модель поверхностных и квадрупольных колебаний жидкой капли, с к-рой отождествляется ядро (вибрационная модель). Для объяснения свойств нек-рых ядер используются представления о кластерной (блочной)структуре Я. а., напр, предполагается, что ядро 6Li значит, часть времени проводит в виде дейтрона и а-частицы, вращающихся относительно центра тяжести ядра. Все ядерные модели играют роль о. или м. вероятных рабочих гипотез.

Последовательное же объяснение наиболее важных свойств ядер на прочной основе общих физ. принципов и данных о взаимодействии нуклонов остаётся пока одной из нерешённых фундаментальных проблем совр. физики.

Лит.: Ландау Л. Д., Смородинс к и и Я. А., Лекции по теории атомного ядра, М., 1955; Бете Г.,Моррисон Ф., Элементарная теория ядра, пер. с англ., М., 1958; Давыдов А. С., Теория атомного ядра, М., 1958; Айзенбуд Л., В и г н е р Е., Структура ядра, пер. с англ.. М., 1959; Гепперт-Майер М., Йен-, сен И. Г. Д., Элементарная теория ядерных оболочек, пер. с англ., М., 1958; М и гдал А. Б., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, М., 1965; С итенко А. Г., Тартаковский В. К., Лекции по теории ядра, М., 1972; Р е йнуотер Дж., "Успехи физических наук", 1976, т. 120, в. 4, с. 529 (пер. с англ.); Б о р О., там же, с. 545 (пер. с англ.); М о т т е л ьсон Б., там же, с. 563 (пер. с англ.).

И. С. Шапиро.

ЯДРО ДРЕВЕСИНЫ, внутр., наиболее старая часть древесины мн. древесных пород. Она обычно темнее окружающей её заболони (коричневая - у дуба, жёлтая - у барбариса, акации, красноватая - у тисса, оранжевая - у ольхи, почти чёрная - у эбенового дерева). Вследствие закупорки сосудов и трахеид тиллами, а также смолами, камедями, эфирными маслами и пр. Я. д. почти не проницаемо для воды и воздуха, устойчиво к гниению и поражению грибами.

ЯДРО ЗЕМЛИ, центр, геосфера радиусом ок. 3470 км. Существование Я. 3. установлено в 1897 нем. сейсмологом Э. Вихертом, глубина залегания (290& км) определена в 1910 амер. геофизиком Б. Гутенбергом. О составе Я. 3. и его происхождении единого мнения нет. Возможно, оно состоит из железа (с примесью никеля, серы, кремния или др. элементов) или его окислов, к-рые под действием высокого давления приобретают металлич. свойства. Существуют мнения, что ядро образовалось путём гравитац. дифференциации первичной Земли в период её роста или позже (впервые высказано норв. геофизиком В. М. Гольдшмидтом в 1922) либо железное ядро возникло ещё в протопланетном облаке (нем. учёный А. Эйкен, 1944, амер. учёный Э. Орован и сов. учёный А. П. Виноградов, 60-70-е гг.). См. также ст. Земля,

Лит.: Витязев А. В., Люст и х Е. Н., Николайчик В. В., Проб" лема образования ядра и мантии Земли, "Изв. АН СССР. Сер. Физика Земли", 1977, № 8.

ЯДРО КОМЕТЫ, центр, часть кометы, состоящая, по совр. представлениям, иа водяного газа с примесью "льдов" других, газов, а также каменистых веществ. Я. к. вместе с туманной оболочкой (комой) образует голову кометы. См. Кометы.

ЯДРО ПРОТЫКАНИЯ, ядро антиклинальной складки, образованное сложно-перемятыми, нередко перетёртыми в брекчию, глинистыми или соленосными породами, внедрившимися в виде столба в вышележащие отложения, слагающие крылья антиклинали.