Концепция атомизма и элементарные частицы

Содержание

Введение

Атомистика - учение о прерывистом, дискретном (зернистом) строении материи, ее ступенчатой организации. Оно уходит глубокими корнями во времена Древнего Востока и Древней Греции, когда оно было всего лишь гениальной догадкой и не основывалось на каких-либо эмпирических данных. Но, тем не менее, зародившаяся именно в то время, эта теория определила на многие столетия вперед все дальнейшее развитие естествознания.

Эта концепция, несомненно, обладает огромными возможностями для объяснения свойств и особенностей сложных тел с помощью свойств более простых элементов и частиц посредством метода редукции, т.е. сведения сложного к простому, составного к элементарному. В разное время и на определенном этапе познания были и различные теории строения материи - исторически элементарными и неделимыми частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.

И даже сейчас, когда мы знаем, что атом вовсе не является последней, неделимой частицей материи и имеет сложное строение, тенденция к поиску последних элементарных частиц, из которых построено все мироздание, продолжает существовать в новых формах атомистической концепции.

Все, это в совокупности определило актуальность темы нашего исследования.

Поэтому целью нашей работы является анализ концепции атомизма и современных представлений об элементарных частицах.

Исходя из цели, необходимо решить следующие задачи:

 рассмотреть сущность элементарных частиц, их общие свойства и классификацию;

 проанализировать кварковую  модель адронов;

изучить строение атомного ядра и  ядерные процессы.

Объектом исследования являются элементарные частицы, а предметом – их рассмотрение в концепции атомизма.

Методы исследования: сравнение, сопоставление, ретроспективный (исторический) метод, анализ литературных источников.

Структура: работа представлена следующими разделами: введение, основная часть, состоящая из шести параграфов, заключение, список литературы.

1. История развития атомизма

Представление о неделимых мельчайших частицах материи, возникшее еще в глубокой древности, сопровождало развитие воззрений на природу на протяжении всей истории научного познания.

Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло, как известно, в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа — Демокрита. Согласно этому учению, в мире существуют только атомы и пустота. Все в этом мире образуется из них, может изменяться, возникать и исчезать, но атомы, из которых состоят тела, остаются неизменными. Они могут лишь переходить от одних тел к другим. Первоначально атомизм. носил сугубо абстрактный, натурфилософский характер: атомам приписывались лишь самые общие свойства (неделимость, способность двигаться и соединяться между собой), которые не были связаны с какими-либо измеримыми свойствами макротел.

В 17—18 вв., когда развилась механика, теория об атомах стала несколько более конкретна, чем натурфилософия древних, но всё же ещё в большей мере оставалась абстрактной и мало связанной с опытной наукой. Атомам приписывались теперь чисто механические свойства. Представители «механики контакта» считали, что причиной соединения атомов является фигура, геометрическая форма, наделяли атомы крючочками, посредством которых атомы якобы сцепляются между собой; иногда атомы изображались в виде зубчатых колесиков, зубцы которых подходят друг к другу в случае растворения тел или не подходят в случае их нерастворения (М. В. Ломоносов). Представители «механики сил» (динамики) объясняли взаимодействие атомов наподобие гравитационного тяготения. Поэтому здесь играл роль только вес частиц, а не их геометрическая форма (она принималась шаровидной, как у небесных тел). От динамики И. Ньютона берёт начало особая ветвь атомизма (хорватский физик Р. И. Бошкович), в которой сочетается идея Г. Лейбница о непространственных монадах (в виде геометрических точек — центров сил) с понятием «силы» (Ньютон). Этот динамический атомизм явился предвосхищением современного атомизма, в котором неразрывно сочетается представление о дискретности материи с идеей неразрывности материи и движения (или «силы» в прежнем понимании). Исходя из взглядов Ньютона, Дж. Дальтон (1803) создал химический атомизм, способный теоретически обобщать и объяснять наблюдённые химические факты и предвидеть явления, ещё не обнаруженные на опыте. Дальтон наделил атомы «атомным весом», т. е. специфической массой, характерной для каждого химического элемента. Развитие этого представления привело впоследствии к созданию Д. И. Менделеевым периодической системы химических элементов (1869—71), которая, по сути дела, есть узловая линия отношений меры химических элементов.

В середине 19 в. атомизм в химии получил дальнейшую конкретизацию в учении о валентности (шотландский химик А. С. Купер, немецкий химик ф. А. Кекуле) и особенно в теории «химического строения» (А. М. Бутлеров, 1861). Атомы стали наделяться валентностью, т. е. способностью присоединять 1, 2 и более атомов водорода, валентность которого была принята за 1. В 19 в. атомы наделялись всё новыми свойствами, в которых резюмировались соответствующие химические и физические открытия. В связи с успехами электрохимии атомам стали приписываться электрические заряды (электрохимическая теория шведского учёного И. Я. Берцелиуса), взаимодействием которых объяснялись химические реакции. Открытие законов электролиза (М. Фарадей) и особенно создание теории электролитической диссоциации (шведский учёный С. А. Аррениус, 1887) привели к обобщению, выраженному в понятии «ион». Ионы это осколки молекул (отдельные атомы или их группы), несущие противоположные по знаку целочисленные электрические заряды. Дискретность зарядов ионов непосредственно подводила к идее дискретности самого электричества, что вело к идее электрона, к признанию делимости атомов.

Во 2-й пол. 19 в. атомизм конкретизировался как молекулярно-физическое учение, благодаря разработке молекулярно-кинетической теории газов, раскрывающей связь между тепловой и механическими формами движения. Основные положения молекулярной гипотезы зародились ещё в 17 (П. Гассенди) и 18 вв. (Ломоносов), но приобрели экспериментальный базис лишь благодаря тому, что закон объёмных отношений газов, открытый Ж. Л. Гей-Люссаком (1808), был объяснён при помощи представления о молекулах (А. Авогадро, 1811). С тех пор молекулам приписывались такие физические свойства и движения, которые при их суммировании давали бы значения макроскопических свойств газа как целого, например температуры, давления, теплоёмкости и т.д.

После открытия электрона (английский физик Дж. Дж. Томсон, 1097), создания теории квантов (М. Планк, 1900) и введения понятия фотона (А. Эйнштейн, 1905) атомизм принял характер физического учения, причём идея дискретности была распространена на область электрических и световых явлений и на понятие энергии, учение о которой в 19 в. опиралось на представления о непрерывных величинах и функциях состояния.

Важнейшую черту современного атомизма составляет атомизм действия, связанный с тем, что движение, свойства и состояния различных микрообъектов поддаются квантованию, т. е. могут быть выражены в форме дискретных величин и отношений. В итоге вся физика микропроцессов, поскольку она носит квантовый характер, оказывается областью приложения современного атомизма. Постоянная Планка (квант действия) есть универсальная физическая константа, которая выражает количественную границу, разделяющую две качественно различные области: макро- и микроявлений природы. Физический (или квантово-электронный) атомизм достиг особенно больших успехов благодаря созданию (Н. Бор, 1913) и последующей разработке модели атома, которая с физической стороны объясняла периодическую систему элементов. Создание квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, П. Дирак и др., 1924—28) придало атомизму квантово-механический характер. Успехи ядерной физики, начиная с открытия атомного ядра (Э. Резерфорд, 1911) и кончая открытием серии элементарных частиц, особенно нейтрона (английский физик Дж. Чедвик, 1932), позитрона (1932), мезонов различной массы, гиперонов и др., также способствовали конкретизации атомизма. Одновременно в 20 в. шло развитие химического атомизма в сторону открытия частиц более крупных, чем обычные молекулы (коллоидные частицы, мицеллы, макромолекулы, частицы высокомолекулярных, высокополимерных соединений); это придавало атомизму надмолекулярно-химический характер.

В итоге  можно выделить главные виды атомизма, которые явились вместе с тем  историческими этапами в его развитии: 1) натурфилософский атомизм древности, 2) механический атомизм 17—18 вв., 3) химический атомизм 19 в. и 4) современный физический атомизм.

2. Элементарные частицы

После того как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в физических исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, основных частиц, которые впоследствии стали называть элементарными. В точном смысле слова такие частицы не должны содержать каких-либо других элементов. Однако в обычной практике физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или частями атомных ядер, за исключением протона и нейтрона. Иногда элементарные частицы называют также субъядерными частицами.

Первая элементарная частица  — электрон (е^-) — была открыта еще в конце XIX в. Она представляет собой наименьшую единицу электрического заряда.

Вторая частица, названная  протоном (р), входящая в состав ядра атома, была открыта Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке атомов альфа-частицами. Ее масса почти 2000 раз превосходит массу е^-, но заряжена положительно.

Третья частица — нейтрон  (n⁰)— была открыта в составе космического излучения и так названа потому, что она является нейтральной и не несет электрического заряда.

Четвертая частица, названная фотоном (γ), является квантом излучения света и была введена для объяснения фотоэффекта.

Все эти частицы и составили первоначальный запас элементарных частиц.

Начиная с 1930-х гг. физики, занявшись  исследованием космических лучей, год за годом открывают в них  новые элементарные частицы, число  которых неуклонно растет. В 1932 г. был открыт позитрон (е⁺), первая античастица¹, теоретически предсказанная известным английским физиком П. Дираком, но впервые обнаруженная в космических лучах. Она оказалась равной по массе электрону, но заряженной положительно. Аналогично этому такая всепроницающая легкая частица, как нейтрино (n), была предсказана видным швейцарским физиком В. Паули в 1936 г., а экспериментально открыта лишь в 1953 г. То же самое можно сказать о предвидении японским физиком X. Юкавой существования π(пи)-мезонов, которые были открыты в 1947 г. Еще раньше были открыты мюоны (неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином ½)². Эти частицы по массе занимают промежуточное положение между массой электрона, которую они превышают примерно в 200 раз, и массой протона. В дальнейшем были обнаружены К⁺ и К^-мезоны и Λ(лямбда)-гипероны, частицы, обладающие необычными свойствами, которые были названы «странными».

Если раньше большинство элементарных частиц открывали в космических лучах, то начиная с 50-х гг. XX в. основным средством их обнаружения и исследования становятся ускорители. С их помощью было открыто многочисленное семейство нестабильных и короткоживущих, так называемых резонансных частиц, а в 1955 т. — антипротон, год спустя — антинейтрон. В 1970—1980-х гг. обнаружено большое количество так называемых очарованных и красивых частиц, которые в 3—10 раз превосходили массу протона.

Этот краткий обзор показывает, как в последние десятилетия  интенсивно развивались исследования элементарных частиц, число которых сейчас, видимо, приближается к 400. Такое количество и разнообразие частиц служит явным свидетельством в пользу того, что они вряд ли могут считаться подлинно элементарными, не образованными из других частиц. Во всяком случае, многообразие элементарных частиц и особенно разнообразие их свойств требуют обсуждения и классификации.

3. Общие свойства элементарных частиц

1. Все элементарные частицы отличаются  крайне малыми размерами и  массами. Большинство из них  имеют размеры порядка 10^-13 см, а массы, сравнимые с массой протона, т.е. 1,6 * 10^-24 г. Масса электрона гораздо меньше, составляет 0,9* 10^-27 г. Этим объясняются те квантовые свойства и закономерности, которые им присущи.

2. Наиболее характерным свойством  элементарных частиц является  их способность взаимодействовать друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы. Такие процессы наиболее изучены в ядерных реакциях, когда одни атомы превращаются в другие. Подобные явления происходят как в естественных условиях, когда один радиоактивный элемент преобразуется в другой, так и в искусственных, когда ядро атома бомбардируется нейтронами.

3. Поскольку различные взаимодействия  частиц проходят с разной интенсивностью, постольку в настоящее время выделяют 4 основных типа взаимодействия. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия элементарных частиц, выделяют сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах. В свободном состоянии нейтрон, например, является нестабильной частицей и распадается с образованием протона, электрона и нейтрино. Но в связанном состоянии в рамках ядра он становится по своим свойствам сходным с протоном. Сильное взаимодействие является короткодействующим, его радиус составляет  10 ^-13 см. В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высокой температуре способствует лишь усилению связи между ними. Однако если происходит столкновение ядер или их частей — нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, тогда могут произойти различные ядерные реакции. Наиболее примечательной является реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением огромной энергии.

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно, чем сильное. С помощью такого взаимодействия осуществляется, во-первых, взаимосвязь и взаимодействие между положительно заряженным ядром и обращающимися вокруг него отрицательно заряженными электронами, во-вторых, взаимодействие между атомами в молекулах вещества. С электромагнитными взаимодействиями связано большинство сил, встречающихся в природе: силы упругости, поверхностного натяжения, изменения агрегатного состояния тел, химические превращения, магнитные и оптические явления и т.д. Можно, пожалуй, сказать, что большинство явлений, которые происходят в окружающем нас макромире, могут быть объяснены посредством механизма электромагнитного взаимодействия.

Слабое взаимодействие значительно  слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. О силе взаимодействия судят по скорости процессов, которые оно вызывает (например, распад так называемых квазичастиц). Очевидно, что при слабом взаимодействии процессы происходят гораздо медленнее, чем при сильном и даже электромагнитном взаимодействии. Несмотря на это, слабое взаимодействие играет важную роль в природе. Без него погасло бы наше Солнце, был бы невозможен Р-распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое.

Гравитационное  взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты. Оно является самым слабым среди всех остальных. Сила такого взаимодействия, по закону Ньютона, прямо пропорциональна произведению масс двух элементарных частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Приведенная классификация взаимодействий имеет  относительный характер, так как существенно зависит от энергии частиц. Во всяком случае, классификация не является ни окончательной, ни универсальной.

5. Одна из  характерных особенностей элементарных  частиц состоит в способности рождаться и уничтожаться, т.е. испускать и поглощать частицы при ядерных реакциях. Типичным примером может служить реакция превращения пары электрон и позитрон в пару фотонов:

е^- + е^+ → 2γ.

Учитывая, что в этой и аналогичных реакциях происходит превращение частиц вещества в кванты излучения, или фотоны, часто ее называют аннигиляцией, или исчезновением, материи. Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин «аннигиляция» вряд ли подходит для характеристики таких превращений. Ведь фотоны являются такими же материальными объектами, как и электроны и позитроны.

4. Классификация элементарных частиц

Разделение элементарных частиц по различным группам, или их классификацию, можно проводить по разным основаниям деления. Например, подобную классификацию можно проводить по массе, электрическому заряду, времени жизни частиц и т.д. Однако научная классификация в качестве такого основания выбирает существенный признак, каким, несомненно, служит характер фундаментального взаимодействия частиц.

По типу взаимодействия, в котором участвуют  элементарные частицы, все они могут быть отнесены к двум основным группам.

К первой группе относятся адроны (от греч. — сильный, большой), которые особенно активно участвуют в сильном взаимодействии, но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Адроны, в  свою очередь, делятся на барионы  и мезоны. К барионам (от греч. —  тяжелый) относятся элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, масса которых не меньше массы протона. С этим связано само название этих частиц, поскольку самая легкая из них— протон — в 1836 раз тяжелее электрона. Протон и нейтрон являются наиболее известными барионами. Кроме них к ним принадлежат гипероны, часть «очарованных» частиц и др., но единственно стабильной частицей среди них является протон. Нейтроны стабильны только во взаимодействии с протонами внутри ядра, в свободном же состоянии они распадаются. Остальные барионы также нестабильны и быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в протон и легкие частицы. Характерным свойством барионов является сохранение разности между числом барионов и антибарионов, которое нередко формулируют в виде закона сохранения барионного заряда, если приписать бариону особый заряд.

Мезоны - это  адроны с целым спином. Название произошло от греч. слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Мезон 
состоит из двух кварков (точнее, кварка и антикварка).

Легчайшие из мезонов - пионы или p - мезоны: p ^-, p ⁺, p ⁰. Более массивные - каоны К⁺, К^-, К⁰; их масса почти в два раза меньше массы протона.

Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны (от греч. — легкий, тонкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К этой группе относится электрон, мюон (m ⁺), фотон, нейтрино и открытый в 1975 г. тяжелый τ-лептон.

Помимо общих групповых характеристик  элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд.

5. Кварковая модель адронов

Большое число элементарных частиц, и в особенности адронов, уже  в начале 1950-х гг. побудило физиков  заняться поиском закономерностей  в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели  Г. Цвейга и М. Гелл-Мана к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

По современным представлениям кварки — гипотетические материальные частицы, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все барионы и мезоны, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) — из трех кварков.

Гипотеза кварков стала необходимой  для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. В первое время с ее помощью удалось упорядочить большой экспериментальный материал, накопленный при исследовании элементарных частиц. При этом удалось выяснить, что реакции, в которых участвуют некоторые адроны, можно объяснить с помощью гипотетических кварков. В 60-х гг. XX в. был предпринят даже эксперимент, напоминающий опыт Резерфорда, который бомбардировал атомы альфа-частицами. Но вместо таких частиц в новом эксперименте осуществлялась бомбардировка протонов электронами высоких энергий. По рассеянию электронов ученые высказали предположение, что протон обладает определенной структурой, элементами которой должны быть кварки.

Хотя гипотеза о кварках теоретически необходима, никакого надежного экспериментального подтверждения их существования, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, не было найдено. Это заставило некоторых физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

Вначале предполагалось, что существует четыре кварка, но в настоящее время к ним добавлено еще два и, следовательно, допускается существование шести кварков, которые обозначаются символами u (верхний), d (нижний), с (очарованный), s (Странный), t (истинный), b (прелестный). По симметрии им соответствует такое же число антикварков, обозначаемых теми же самыми символами, но с черточкой наверху. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что каждый кварк может быть носителем трех разных зарядов сильного взаимодействия, которые сейчас принято называть синим, зеленым и красным цветами. Когда происходит объединение таких кварков в единое целое, то их заряды, или цвета, дают общий белый цвет или, точнее, свет. Эта аналогия заимствована из оптики, где соединение синего, зеленого и красного цветов образует белый свет. Точно так же тяжелые адроны, в частности протон и нейтрон, состоят из кварков трех основных цветов. Мезоны же состоят из одного кварка и одного антикварка. В данном случае используется другая аналогия из оптики, состоящая в том, что основной и дополнительный цвет также дают белый свет. Благодаря этим аналогиям исследование о кварках получило название хромодинамики. Цветовой заряд в хромодинамике, как и в электродинамике, порождает особое поле, названное глюонным (от англ. glue — клей). Кванты такого поля называются глюонами и по свойствам похожи на фотоны, так как лишены массы покоя и зарядов.

Так, например, на рисунке 1 изображена кварковая структура протона и нейтрона.

Поскольку (если отвлечься от электрического заряда) свойства протонов и нейтронов отличаются не очень сильно, принимают, что различие между кварками u и d сводится в основном к различию величин их электрических зарядов.

Кваркам присваивают следующие  значения атомного номера Z (число протонов) и массового числа А (A = Z+N, где N-число нейтронов)

u: Z = 2/3, A = 1/3;

d: Z = -1/3, A = 1/3.

Таким образом, при кварковой модели для описания свойств элементарных частиц достаточно допустить существование 18 кварков и 18 антикварков. Поскольку лептоны являются такими же бесструктурными объектами, как и кварки, то к общему числу кварков и антикварков следует добавить число всех лептонов (электрон, мюон, нейтрино и тяжелый лептон) и их антилептонов. Всего, следовательно, получится 44 фундаментальные частицы. Некоторым современным ученым это число кажется также неприемлемым, ибо исследователи стремились построить мироздание на минимальном числе фундаментальных частиц, свойствами которых возможно объяснить бесчисленное многообразие явлений и процессов, происходящих во Вселенной.

6. Строение атомного ядра и ядерные процессы

С развитием концепции атомизма и переходом к исследованию элементарных частиц физики приступили к изучению самого ядра атома. В первой модели атома Резерфорда—Бора предполагалось, что ядро состоит из положительно заряженных массивных протонов. Только после открытия в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком электрически нейтральной частицы, названной нейтроном, в изучении строения ядра наметился явный прогресс. Сразу же после этого открытия русский физик Д. Иваненко первым выступил в печати с гипотезой, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и лишенных заряда нейтронов. В том же году немецкий физик В. Гейзенберг развил эту гипотезу дальше. Тот факт, что нейтроны электрически нейтральны, сыграл ключевую роль в дальнейших ядерных исследованиях. Во-первых, электрически нейтральные нейтроны не отталкиваются ядром и поэтому их можно применить для бомбардировки ядра и более тщательного изучения его строения и свойств. Во-вторых, нейтроны служат незаменимым средством в практическом использовании ядерной энергетики, получении трансурановых элементов, радиоактивных изотопов, геологической разведке и т.д.

Протоны и нейтроны, образующие ядро и называемые нуклонами, по своей  массе в 4 тыс. раз превосходят  массу составляющих атом электронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом, число протонов определяет заряд атома, а число нейтронов находится по формуле: N=A — Z, где N— число нейтронов, А — массовое число, Z— число протонов. Размеры ядра зависят от числа содержащихся в нем нуклонов. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика и, по расчетам, составляет приблизительно 10¹⁴ г/см3, т.е. 100 млн т/см³.

Исследование структуры ядра сопряжено  со многими теоретическими и экспериментальными трудностями. Поэтому при построении моделей ядра используются различные аналогии и полуэмпирические схемы. Так, еще в 1936 г. известный датский ученый Н. Бор и советский физик Я. Френкель выдвинули капельную модель атомного ядра. В ней ядро рассматривается по аналогии с каплей жидкости, которая, однако, состоит из интенсивно взаимодействующих между собой протонов и нейтронов. Поверхность такой капли может колебаться и при определенных условиях привести к разделению капли на части, т.е. к разрушению ядра.

Другая модель была предложена американским ученым М. Гепперт-Майер и немецким физиком X. Йенсеном в 50-х гг. XX в. Она была названа оболочечной моделью ядра, согласно которой нуклоны, как и электроны в атоме, заполняют соответствующие оболочки в ядре, которые характеризуются разными значениями энергий. В противовес этой модели датские ученые О. Бор (сын Н. Бора) и Б. Моттельсон выдвинули обобщенную модель ядра, которая состоит из устойчивой внутренней части, вокруг которой движутся внешние нуклоны. Под воздействием этих нуклонов внутренняя часть ядра может изменять свою структуру, принимая форму вытянутого эллипсоида, напоминающую своего рода каплю. Поскольку указанная модель в определенной мере объединяет представления капельной и оболочечной моделей, ее и назвали обобщенной.

Процесс взаимодействия нуклонов осуществляется путем многократного испускания одним из них я-мезона и поглощения его другим нуклоном. В результате этого протон превращается в нейтрон, а нейтрон преобразуется в протон. Протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами ядерного взаимодействия, которые принадлежат, как мы уже знаем, к фундаментальному типу сильного взаимодействия. Под энергией связи ядра подразумевают энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. Она равна разности между суммой масс нуклонов, входящих в ядро, и массой образованного из них ядра, умноженной на квадрат скорости света:

Е = (Рm +Nm- M)-c².

Из этой разницы как раз образуется тот дефект массы, за счет которого возникает огромная термоядерная энергия  в результате расщепления ядра: 
Есвязи=Δmс².

Отсюда становится ясным, что масса  ядра атома меньше массы составляющих его нуклонов, так как в процессе синтеза часть их массы превращается в энергию и выделяется в окружающую среду. Зная общую энергию связи нуклонов, можно найти удельную энергию, приходящуюся на отдельный нуклон. Для большинства ядер эта энергия в среднем оказывается одинаковой, но для легких и тяжелых ядер наблюдается отклонение от среднего значения. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением числа протонов в тяжелых ядрах тех атомов, которые занимают места в последних клетках периодической системы элементов Менделеева, заметное воздействие оказывают силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Они стремятся разрушить ядро, и поэтому ядра таких атомов становятся нестабильными, а атомы химических элементов, начиная с № 83 (висмут), оказываются неустойчивыми. Именно этим объясняется естественная радиоактивность³ элементов, наблюдаемая в природе.