خصائص القوى النووية. خصائص القوى النووية ماذا تسمى القوى النووية وما خصائصها

القوى النووية توفر الجاذبية- وهذا يأتي من حقيقة وجود نوى مستقرة تتكون من البروتونات والنيوترونات.

القوى النووية كبيرة من حيث الحجم المطلق.عملها على مسافات قصيرة يتجاوز بشكل كبير عمل جميع القوى المعروفة في الطبيعة، بما في ذلك القوى الكهرومغناطيسية.

نعرف حتى الآن أربعة أنواع من التفاعل:

أ) التفاعلات القوية (النووية)؛

ب) التفاعلات الكهرومغناطيسية.

ج) التفاعلات الضعيفة، وخاصة تلك التي يتم ملاحظتها بوضوح في الجسيمات التي لا تظهر تفاعلات قوية وكهرومغناطيسية (النيوترينوات)؛

د) تفاعلات الجاذبية.

يمكن الحصول على مقارنة بين القوى لهذه الأنواع من التفاعلات باستخدام نظام الوحدات الذي تكون فيه ثوابت التفاعل المميزة المقابلة لهذه القوى (مربعات "الشحنات") بلا أبعاد.

وبالتالي، بالنسبة للتفاعل داخل نواة نويكليونين يمتلكان كل هذه القوى، تكون ثوابت التفاعل بالترتيب التالي:

القوى النووية تضمن وجود النوى. الكهرومغناطيسية - الذرات والجزيئات. متوسط ​​طاقة الارتباط للنوكليون في النواة يساوي أي أين توجد طاقة الراحة للنوكليون. طاقة الربط للإلكترون في ذرة الهيدروجين هي فقط أين توجد طاقة الراحة للإلكترون. لذلك، على هذا المقياس، ترتبط طاقات الربط كثوابت مميزة:

التفاعلات الضعيفة هي المسؤولة عن تأثيرات خفية مثل التحولات المتبادلة من خلال الاضمحلال والالتقاط (انظر الفقرة 19)، وللانحلال المتنوع للجسيمات الأولية، وكذلك لجميع عمليات تفاعل النيوترينوات مع المادة.

يرتبط استقرار الأجسام والأنظمة الكونية بتفاعلات الجاذبية.

تتناقص قوى التفاعل من النوعين الثاني والرابع مع المسافة، أي ببطء شديد، وبالتالي تكون بعيدة المدى. تتناقص تفاعلات النوعين الأول والثالث مع المسافة بسرعة كبيرة وبالتالي تكون قصيرة المدى.

القوى النووية قصيرة المدى.يتبع ذلك: أ) من تجارب رذرفورد حول تشتت الجسيمات بواسطة النوى الضوئية (للمسافات التي تتجاوز سم، النتائج التجريبية

يتم تفسيرها من خلال تفاعل كولوم البحت للجسيمات مع النواة، ولكن على مسافات أصغر، تحدث انحرافات عن قانون كولوم بسبب القوى النووية. ويترتب على ذلك أن نطاق عمل القوات النووية أقل على أي حال

ب) من دراسة تحلل النوى الثقيلة (انظر الفقرة 15)؛

ج) من تجارب تشتت النيوترونات بواسطة البروتونات والبروتونات بواسطة البروتونات.

دعونا ننظر إليهم بمزيد من التفصيل.

أرز. 17. الجسيمات والهدف المتناثر

في طاقات النيوترونات المنخفضة، يكون تشتتها في مركز نظام القصور الذاتي متناحيًا. في الواقع، فإن الجسيم الكلاسيكي ذو الزخم سوف "يصطدم" بهدف متناثر بنصف قطر عمل القوى النووية إذا طار على مسافات أصغر، أي إذا كان مكون الزخم الزاوي في الاتجاه العمودي على مستوى المسار لا يتجاوز الجبال (الشكل 17).

لكن وفقًا لعلاقة دي برولي بالجسيم الحادث، فإن:

ومع ذلك، فإن القيمة القصوى لإسقاط الزخم المداري للجسيم لا يمكن أن تكون مساوية إلا لـ لذلك

وبالتالي، بالنسبة لقيمة a، تكون الدالة الموجية التي تصف حالة النظام متناظرة كرويًا في c. ج. أي أنه في هذا النظام يجب أن يكون التشتت متناحيًا.

عندما لن يكون التشتت متناحيًا. من خلال تقليل طاقة النيوترونات الساقطة وبالتالي زيادتها، يمكن للمرء العثور على قيمتها التي يتم عندها تحقيق نظير التشتت. وهذا يوفر تقديرا لمدى القوى النووية.

كانت الطاقة القصوى للنيوترونات، التي لا يزال يتم ملاحظة التشتت المتماثل كرويًا فيها، مساوية لـ وهذا جعل من الممكن تحديد الحد الأعلى لنصف قطر عمل القوى النووية، وتبين أنه يساوي سم.

علاوة على ذلك، عندما ينتشر تدفق البروتون على هدف بروتون، يمكن للمرء حساب القيمة المتوقعة للمقطع العرضي الفعال للعملية إذا كانت قوى كولوم هي التي تؤثر فقط. ومع ذلك، عندما تقترب الجزيئات من بعضها البعض، تبدأ القوى النووية في السيطرة

فوق كولوم، ويتغير توزيع البروتونات المتناثرة.

ومن خلال هذه التجارب وجد أن القوى النووية تتناقص بشكل حاد مع زيادة المسافة بين البروتونات. مساحة عملها صغيرة للغاية وأيضًا في حدود سم، ولسوء الحظ، فإن نتائج تجارب تشتت النوكليونات منخفضة الطاقة لا تقدم معلومات حول قانون تغيير القوى النووية مع المسافة. ولا يزال الشكل التفصيلي للبئر المحتمل غير مؤكد.

إن التجارب التي أجريت لدراسة خصائص نيوكليونات مرتبطة في نواة الديوترون لا تسمح لنا أيضًا بوضع قانون التغيير في إمكانات مجال القوة النووية مع المسافة بشكل لا لبس فيه. السبب يكمن في نصف قطر عمل القوى النووية الصغير بشكل غير عادي وحجمها الكبير جدًا داخل نصف قطر العمل. كتقريب أولي للإمكانات التي تصف خصائص الديوترون، يمكننا أن نأخذ نطاقًا واسعًا إلى حدٍ ما من الوظائف المختلفة، والتي يجب أن تتناقص بسرعة كبيرة مع المسافة.

يتم استيفاء البيانات التجريبية تقريبًا، على سبيل المثال، من خلال الوظائف التالية.

أرز. 18. الأشكال المحتملة لبئر الديوترون المحتملة: أ - بئر مستطيلة؛ بشكل جيد الأسي. c هو شكل البئر عند إمكانات يوكاوا؛ -جيد في الإمكانات مع مركز مثير للاشمئزاز

1. البئر المستطيلة المحتملة (الشكل 18 أ):

أين هو نصف قطر عمل القوى النووية، المسافة بين مركزي نوويتين متفاعلتين.

2. الدالة الأسية (الشكل 18، ب):

3. إمكانات يوكاوا ميسون (الشكل 18 ج):

4. الإمكانات ذات الوسط الطارد الصلب (الشكل 18 د):

إن الدراسة التفصيلية لبنية التشتت والمقارنة مع الحسابات النظرية تتحدث لصالح الأخير من هذه الأشكال. حاليًا، تُستخدم نماذج أكثر تعقيدًا في العمليات الحسابية، مما يوفر توافقًا أفضل مع البيانات التجريبية.

وفي جميع الأحوال يكون عمق بئر الجهد في حدود عدة عشرات، وتكون القيمة في حالة الجهد ذو الوسط التنافر في حدود أعشار فيرمي.

القوى النووية لا تعتمد على الشحنات الكهربائية للجزيئات المتفاعلة.قوى التفاعل بين أو هي نفسها. هذه الخاصية تتبع الحقائق التالية.

في النوى المستقرة الخفيفة، عندما لا يزال من الممكن إهمال التنافر الكهرومغناطيسي، فإن عدد البروتونات يساوي عدد النيوترونات. وبالتالي، فإن القوى المؤثرة بينهما متساوية، وإلا فسيكون هناك تحول في اتجاه ما (إما أو

نوى المرآة الخفيفة (النوى التي يتم الحصول عليها عن طريق استبدال النيوترونات بالبروتونات والعكس، على سبيل المثال، لها نفس مستويات الطاقة.

تظهر التجارب على تشتت النيوترونات بالبروتونات والبروتونات بالبروتونات أن حجم الجذب النووي للبروتون مع بروتون والنيوترون مع بروتون هو نفسه.

تعتبر خاصية القوى النووية هذه أساسية وتشير إلى التناظر العميق الموجود بين جسيمين: البروتون والنيوترون. كان يطلق عليه استقلال الشحن (أو التناظر) وجعل من الممكن اعتبار البروتون والنيوترون حالتين من نفس الجسيم - النيوكليون.

وبالتالي، فإن النيوكليون لديه درجة داخلية إضافية من الحرية - الشحنة - والتي من الممكن أن تكون هناك حالتان: البروتون والنيوترون. وهذا مشابه لخصائص السبين للجسيمات: السبين هو أيضًا، بالإضافة إلى الحركة في الفضاء، درجة الحرية الداخلية للجسيم، والتي بالنسبة للإلكترون (أو النيوكليون) لديه حالتان محتملتان فقط. ميكانيكا الكم المتتابعة

وصف هاتين الدرجتين من الحرية: الشحن والدوران - هو نفسه رسميًا. لذلك، وفقًا لذلك، من المعتاد وصف درجة حرية الشحن بصريًا باستخدام مساحة تقليدية ثلاثية الأبعاد، تسمى النظائر، وتتميز حالة الجسيم (النوكليون) في هذا الفضاء بالدوران النظائري، المشار إليه

دعونا ننظر إلى هذا بمزيد من التفصيل، والعودة إلى مفهوم الدوران العادي.

لنفترض أن هناك إلكترونين، كما نعلم، متطابقان تمامًا. كلاهما لهما زخم زاوي خاص بهما - الدوران. ومع ذلك، لا يمكن الكشف عن اتجاه دورانها. دعونا الآن نضعهم في مجال مغناطيسي خارجي. وفقا للمسلمات الأساسية لميكانيكا الكم، فإن "محور الدوران" لكل جسيم يمكن أن يشغل فقط مواقع محددة بدقة بالنسبة لهذا المجال الخارجي. يمكن توجيه محور الدوران للجسيمات ذات الدوران المتساوي إما على طول اتجاه المجال أو باتجاهه (الشكل 19). الجسيم ذو الزخم يمكن أن يكون له حالات؛ إلكترون له حالتان. يمكن أن تؤدي قيمة إسقاطات الدوران إلى حقيقة أن الجسيمات الموجودة في المجال المغناطيسي يمكن أن يكون لها الآن طاقات مختلفة ويصبح من الممكن تمييزها عن بعضها البعض. وهذا يدل على أن حالة الإلكترون، بسبب خصائصه المغناطيسية، هي حالة مزدوجة.

بدون مجال مغناطيسي خارجي، لا توجد طريقة للفصل بين الحالتين المحتملتين للإلكترون؛ ويقال إن الدول "تتدهور" إلى حالات لا يمكن تمييزها.

ويحدث موقف مماثل في ذرة الهيدروجين. لتوصيف حالات الذرة، تم تقديم رقم الكم المداري، الذي يميز الزخم الزاوي المداري للذرات. يمكن أن تحتوي الذرة ذات المعطاة I على حالات، لأنه في المجال الخارجي لا يمكن أن توجد سوى قيم محددة تمامًا لإسقاطات I على اتجاه المجال (من - I إلى بينما لا يوجد مجال خارجي، تتدهور الحالة بشكل مضاعف .

أدى اكتشاف النيوترون إلى فكرة وجود ظاهرة مشابهة للانحطاط المغناطيسي للإلكترون.

بعد كل شيء، فإن استقلالية شحنة القوى النووية تعني أنه في التفاعل القوي، يتصرف البروتون والنيوترون مثل نفس الجسيم. لا يمكن تمييزها إلا إذا أخذنا في الاعتبار التفاعل الكهرومغناطيسي. إذا تخيلنا أن مصابيح LED الكهرومغناطيسية يمكن "إيقاف تشغيلها" بطريقة أو بأخرى (الشكل 20، أ)، فسيصبح البروتون والنيوترون جزيئات لا يمكن تمييزها وحتى كتلتها ستكون متساوية (لمزيد من التفاصيل حول مساواة الكتل، انظر الفقرة 12). ). لذلك، يمكن اعتبار الإعصار بمثابة "شحنة مزدوجة"، حيث تمثل إحدى الحالتين بروتونًا والأخرى نيوترونًا. إذا قمت بتضمين القوى الكهرومغناطيسية، بشروط

المعروضة في الشكل. في الشكل 20 ب بخط منقط، ستتم إضافة القوى الكهربائية المعتمدة على الشحنة إلى القوى المستقلة السابقة عن الشحنة.

أرز. 19. اتجاه دوران الإلكترون في المجال المغناطيسي

أرز. 20. الفرق بين البروتون والنيوترون بسبب التفاعل الكهرومغناطيسي

تختلف طاقة الجسيمات المشحونة عن طاقة الجسيمات المحايدة ويمكن فصل البروتون والنيوترون. وبالتالي فإن كتلتيهما الباقيتين لن تكونا متساويتين.

من أجل وصف حالة النوكليون في النواة، قدم هايزنبرغ مفهومًا رسميًا بحتًا للدوران النظائري والذي، عن طريق القياس مع الأعداد الكمومية، يجب أن يحدد عدد الحالات المتدهورة للنوكليون المساوية لـ كلمة "نظير" تعبر عن حقيقة أن البروتون والنيوترون متقاربان في خصائصهما (النظائر - ذرات لها خصائص كيميائية متطابقة، تختلف في عدد النيوترونات في النواة).

نشأت كلمة "لف" في هذا المفهوم من تشبيه رياضي بحت مع الدوران العادي للجسيم.

من المهم أن نلاحظ مرة أخرى أن المتجه الميكانيكي الكمي للدوران النظائري لا يتم تقديمه في الفضاء العادي، ولكن في الفضاء التقليدي، الذي يسمى الفضاء النظائري أو الفضاء المشحون. ويتم تحديد الأخير، على عكس المحاور التقليدية، بواسطة محاور شرطية. في هذا الفضاء، لا يمكن للجسيم أن يتحرك بشكل انتقالي، بل يدور فقط.

وبالتالي، ينبغي اعتبار الدوران النظائري خاصية رياضية تميز البروتون عن النيوترون؛ جسديًا يتم إلقاؤهم في علاقة مختلفة مع المجال الكهرومغناطيسي.

الدوران النظائري للنيوكليون متساوي وله مكونات بالنسبة للمحور، ويشار إلى الإسقاط على هذا المحور، وكان من المقبول تقليديًا أنه بالنسبة للبروتون والنيوترون، أي أن البروتون يتحول إلى نيوترون عندما يتحول النظير إلى نيوترون. يتم تدوير الدوران بمقدار 180 درجة في الفضاء النظائري.

عند استخدام هذه التقنية الرسمية، يأخذ اعتماد الشحنة شكل قانون الحفظ: أثناء تفاعل النيوكليونات، يظل إجمالي الدوران النظائري وإسقاطه دون تغيير، أي.

يمكن اعتبار قانون الحفظ هذا رسميًا نتيجة لاستقلال القوانين الفيزيائية عن الدوران في الفضاء النظائري. ومع ذلك، فإن قانون الحفظ هذا تقريبي. وهي صالحة إلى الحد الذي يمكن فيه إهمال القوى الكهرومغناطيسية وانتهاكها قليلاً - إلى حد نسبة القوى الكهرومغناطيسية والنووية. ويكمن معناها المادي في حقيقة أن القوى النووية في الأنظمة متطابقة.

وسوف نعود إلى مفهوم الدوران النظائري في الفصل الخاص بالجسيمات الأولية، والذي يأخذ فيه معنى إضافيًا.

تعتمد القوى النووية على الدوران.إن اعتماد القوى النووية على الدوران ينبع من الحقائق التالية.

نفس النواة في الحالات ذات السبينات المختلفة لها طاقات ربط مختلفة. على سبيل المثال، طاقة الربط للديوترون، التي تكون فيها السبينات متوازية، تكون متساوية؛ أما في حالة السبينات المضادة للتوازي، فلا توجد حالة مستقرة على الإطلاق.

تشتت النيوترونات والبروتونات حساس لاتجاه الدوران. تم حساب احتمال التفاعل بين النيوترونات والبروتونات نظريًا على افتراض أن جهد التفاعل لا يعتمد على الدوران. وتبين أن النتائج التجريبية اختلفت عن النتائج النظرية بعامل خمسة.

يتم التخلص من التناقض إذا أخذنا في الاعتبار أن التفاعل يعتمد على الاتجاه النسبي للدوران.

يتجلى اعتماد القوى النووية على اتجاه الدوران في التجارب التي أجريت على تشتت النيوترونات على جزيئات الهيدروجين وجزيئاته.

الحقيقة هي أن هناك نوعين من جزيئات الهيدروجين: في جزيء أورثو هيدروجين، تدور بروتونان متوازيتان مع بعضهما البعض، ويبلغ الدوران الإجمالي 1 ويمكن أن يكون له ثلاثة اتجاهات (ما يسمى بالحالة الثلاثية)؛ في جزيء شبه الهيدروجين، تكون السبينات غير متوازية، ويكون الدوران الإجمالي صفرًا ومن الممكن حدوث حالة واحدة (ما يسمى بحالة القميص)،

النسبة بين عدد جزيئات الهيدروجين وشبه الهيدروجين في درجة حرارة الغرفة هي. يتم تحديد هذه النسبة من خلال عدد الحالات المحتملة.

طاقة الحالة الفقرة الأرضية أقل من طاقة الحالة العضوية الأرضية. عند درجات الحرارة المنخفضة، تتحول جزيئات أورثو هيدروجين إلى جزيئات شبه هيدروجين. في ظل وجود محفز، يتم هذا التحول بسرعة كبيرة ومن الممكن الحصول على الهيدروجين السائل في الحالة النقية لشبه الهيدروجين. متى

عند تشتت النيوترونات على الهيدروجين الأورثو، يكون دوران النيوترون إما موازيًا لدوران كلا البروتونين، أو غير موازٍ لكليهما؛ أي أن هناك تكوينات:

عند تشتيت النيوترون بواسطة شبه الهيدروجين، يكون دوران النيوترون دائمًا موازيًا لتدوير أحد البروتونات ومضادًا لتدوير البروتون الآخر؛ بغض النظر عن اتجاه جزيء شبه الهيدروجين، فإن التكوين له طابعه

أرز. 21 تشتت النيوترونات على جزيئات الهيدروجين

دعونا نفكر في التشتت كعملية موجية. إذا كان التشتت يعتمد على الاتجاه المتبادل للسبينات، فإن تأثير التداخل المرصود لموجات النيوترونات المنتشرة بواسطة كلا البروتونين سيكون مختلفًا بشكل كبير بالنسبة لعمليات التشتت على جزيئات الهيدروجين الأورثو وشبه الهيدروجين.

ما هي طاقة النيوترونات حتى يكون الفرق في التشتت ملحوظًا؟ في الجزيء، توجد البروتونات على مسافة أكبر بعدة مرات من نصف قطر القوى النووية. سم لذلك، نظرًا للخصائص الموجية للنيوترون، يمكن أن تحدث عملية التشتت في وقت واحد على كلا البروتونين (الشكل 21). موجة دي برولي المطلوبة لهذا الغرض

للنيوترون الذي تعادل كتلته الطاقة

تمتلك القوى النووية خاصية التشبع.كما ذكرنا سابقًا في الفقرة 4، تتجلى خاصية تشبع القوى النووية في حقيقة أن طاقة ربط النواة تتناسب مع عدد النيوكليونات في النواة - أ، وليس

هذه الميزة للقوات النووية تنبع أيضًا من استقرار النوى الخفيفة. فمن المستحيل، على سبيل المثال، إضافة المزيد والمزيد من الجسيمات الجديدة إلى الديوترون، ولا يُعرف سوى مزيج واحد من هذا القبيل مع نيوترون تريتيوم إضافي. وبالتالي يمكن للبروتون أن يشكل حالات مرتبطة بما لا يزيد عن نيوترونين.

لتفسير تشبع هايزنبرغ، اقترح أن القوى النووية ذات طبيعة تبادلية.

القوى النووية ذات طبيعة تبادلية.لأول مرة، تم إنشاء الطبيعة التبادلية لقوى الروابط الكيميائية: يتم تشكيل الرابطة نتيجة لانتقال الإلكترونات من ذرة إلى أخرى. يمكن أيضًا تصنيف القوى الكهرومغناطيسية على أنها قوى تبادل: يتم تفسير تفاعل الشحنات من خلال تبادل الكميات y. ومع ذلك، في هذه الحالة لا يوجد تشبع، لأن تبادل الكميات y لا يغير خصائص كل جسيم.

تتجلى خاصية تبادل القوى النووية في حقيقة أنه أثناء الاصطدام، يمكن للنيوكليونات أن تنقل لبعضها البعض خصائص مثل الشحنة، وإسقاطات الدوران، وغيرها.

يتم تأكيد طبيعة التبادل من خلال تجارب مختلفة، على سبيل المثال، من خلال نتائج قياسات التوزيع الزاوي للنيوترونات عالية الطاقة عندما تكون متناثرة بواسطة البروتونات. دعونا ننظر إلى هذا بمزيد من التفصيل.

في الفيزياء النووية، تسمى الطاقة عالية عندما تحقق موجة دي برولي للجسيم العلاقة، أي:

بالنسبة للنيوكليونات، يرتبط طول موجة دي برولي بالطاقة الحركية من خلال المعادلة

وبالتالي، يمكن تسمية الطاقة الحركية للنوكليون بأنها عالية إذا كانت أكبر بكثير

تتيح ميكانيكا الكم إمكانية الحصول على اعتماد المقطع العرضي الفعال للتشتت على طاقة النيوترونات الساقطة وزاوية التشتت إذا كان احتمال التفاعل معروفًا.

تظهر الحسابات أنه بالنسبة لاحتمال مثل البئر المستطيل، يجب أن يختلف المقطع العرضي للتشتت اعتمادًا على طاقة الجسيمات، كما يجب أن يحدث التشتت نفسه ضمن زاوية صغيرة، وبالتالي فإن التوزيع الزاوي للنيوترونات المتناثرة في مركز يجب أن يكون لنظام القصور الذاتي حد أقصى في اتجاه حركتها، ويجب أن يكون لتوزيع البروتونات الارتدادية حد أقصى في الاتجاه المعاكس.

تجريبيًا، لم يتم اكتشاف ذروة في التوزيع الزاوي الموجه للأمام فحسب، بل تم أيضًا اكتشاف ذروة ثانية في الاتجاه الخلفي للنيوترونات (الشكل 22).

أرز. 22. اعتماد المقطع العرضي التفاضلي لنثر النيوترونات على البروتونات على زاوية التشتت

لا يمكن تفسير النتائج التجريبية إلا بافتراض أن قوى التبادل تعمل بين النيوكليونات، وأنه خلال عملية التشتت، تتبادل النيوترونات والبروتونات شحناتها، أي أن التشتت يحدث من خلال "تبادل الشحنات". وفي هذه الحالة يتحول جزء من النيوترونات إلى بروتونات، وتلاحظ البروتونات وهي تطير في اتجاه النيوترونات الساقطة، وهو ما يسمى بروتونات تبادل الشحنة. وفي الوقت نفسه، يتحول جزء من البروتونات إلى نيوترونات ويتم تسجيله على شكل نيوترونات متناثرة عائدة إلى s.

يتم تحديد الدور النسبي للقوى التبادلية والقوى العادية من خلال نسبة عدد النيوترونات التي تطير إلى الخلف إلى عدد النيوترونات التي تطير إلى الأمام.

استناداً إلى ميكانيكا الكم، يمكن إثبات أن وجود قوى التبادل يؤدي دائماً إلى ظاهرة التشبع، إذ لا يمكن للجسيم أن يتفاعل من خلال التبادل مع العديد من الجسيمات في وقت واحد.

ومع ذلك، فإن دراسة أكثر تفصيلاً للتجارب على تشتت النيوكليونات تظهر أنه على الرغم من أن قوى التفاعل هي في الواقع ذات طبيعة تبادلية، فإن خليط الجهد العادي مع قوة التبادل هو لدرجة أنه لا يمكن أن يفسر التشبع بشكل كامل. كما تم اكتشاف خاصية أخرى للقوات النووية. اتضح أنه إذا كانت هناك قوى جذابة في الغالب على مسافات كبيرة بين النيوكليونات، فعندما تقترب النيوكليونات من بعضها البعض (على مسافة حوالي سم)، يحدث تنافر حاد. ويمكن تفسير ذلك من خلال وجود النوى في النيوكليونات التي تتنافر.

تظهر الحسابات أن هذه النوى هي المسؤولة بشكل أساسي عن تأثير التشبع. في هذا الصدد، يبدو أن التفاعل النووي يجب أن يتميز بإمكانات غير منتظمة مثل البئر المستطيل (الشكل 18 د). وظيفة معقدة مع ميزة على مسافات صغيرة (الشكل 18 د).

النواة الذرية التي تتكون من عدد معين من البروتونات والنيوترونات هي وحدة واحدة بسبب قوى محددة تعمل بين نويات النواة وتسمى النووية.وقد ثبت تجريبياً أن القوى النووية لها قيم كبيرة جداً، أكبر بكثير من قوى التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات. ويتجلى ذلك في حقيقة أن طاقة الربط المحددة للنيوكليونات في النواة أكبر بكثير من العمل الذي تقوم به قوى التنافر كولوم. دعونا ننظر في السمات الرئيسية للقوات النووية.

1. القوى النووية هي قوى الجذب قصيرة المدى . وهي تظهر فقط على مسافات صغيرة جداً بين النيوكليونات في النواة في حدود 10 – 15 م، ويسمى الطول (1.5 – 2.2) 10 – 15 م نطاق القوى النوويةأنها تتناقص بسرعة مع زيادة المسافة بين النيوكليونات. وعلى مسافة (2-3) م يكون التفاعل النووي غائباً عملياً.

2. القوى النووية لها الخاصية التشبع, أولئك. يتفاعل كل نيوكليون فقط مع عدد معين من أقرب الجيران. تتجلى طبيعة القوى النووية في الثبات التقريبي لطاقة الربط المحددة للنيوكليونات عند رقم الشحنة أ> 40. في الواقع، إذا لم يكن هناك تشبع، فإن طاقة الارتباط المحددة ستزداد مع عدد النيوكليونات في النواة.

3. من سمات القوات النووية أيضًا استقلال تهمة ، أي. فهي لا تعتمد على شحنة النيوكليونات، وبالتالي فإن التفاعلات النووية بين البروتونات والنيوترونات هي نفسها، ويمكن رؤية استقلال الشحنة للقوى النووية من خلال مقارنة الطاقات الملزمة. نوى المرآة.وهذا ما تسمى النواة, حيث يكون العدد الإجمالي للنيوكليونات هو نفسه, لكن عدد البروتونات في أحدهما يساوي عدد النيوترونات في الآخر. على سبيل المثال، طاقات الارتباط لنواة الهيليوم والهيدروجين الثقيل والتريتيوم هي 7.72 على التوالي. MeVو 8.49 MeVإن الفرق في طاقات الارتباط لهذه النوى، والذي يساوي 0.77 ميغا إلكترون فولت، يتوافق مع طاقة تنافر كولوم بين بروتونين في النواة. بافتراض أن هذه القيمة متساوية، يمكننا أن نجد أن المسافة المتوسطة صبين البروتونات في النواة هو 1.9·10 -15 م، وهو ما يتوافق مع نصف قطر عمل القوى النووية.

4. القوى النووية ليست مركزية وتعتمد على التوجه المتبادل لدوران النيوكليونات المتفاعلة. وهذا ما تؤكده الطبيعة المختلفة لتشتت النيوترونات بواسطة جزيئات أورثو وبارهيدروجين. في جزيء الهيدروجين الأورثوهيدروجين، تكون لفات كلا البروتونين متوازية مع بعضها البعض، بينما في جزيء باراهيدروجين تكون غير متوازية. أظهرت التجارب أن تشتت النيوترونات من باراهيدروجين أكبر بـ 30 مرة من تشتتها من أورثوهيدروجين.

إن الطبيعة المعقدة للقوات النووية لا تسمح بتطوير نظرية واحدة متسقة للتفاعل النووي، على الرغم من اقتراح العديد من الأساليب المختلفة. وفقا لفرضية الفيزيائي الياباني ه. يوكاوا (1907-1981)، التي اقترحها في عام 1935، فإن القوى النووية تنتج عن التبادل - الميزونات، أي. جسيمات أولية كتلتها أقل بحوالي 7 مرات من كتلة النيوكليونات. وفقا لهذا النموذج، زمن النيوكليون م- كتلة الميزون) تنبعث من الميزون، الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء، ويغطي مسافة، وبعد ذلك يمتصه نيوكليون ثان. وفي المقابل، يُصدر النيوكليون الثاني أيضًا ميزونًا، والذي يمتصه الأول. وبالتالي، في نموذج H. Yukawa، يتم تحديد المسافة التي تتفاعل عندها النيوكليونات من خلال طول مسار الميزون، والذي يتوافق مع مسافة تبلغ حوالي مومن حيث الحجم يتزامن مع نصف قطر عمل القوات النووية.

السؤال 26. تفاعلات الانشطار. في عام 1938، اكتشف العالمان الألمانيان أو. هان (1879-1968) وف. ستراسمان (1902-1980) أنه عندما يتم قصف اليورانيوم بالنيوترونات، تظهر أحيانًا نوى يبلغ حجمها تقريبًا نصف حجم نواة اليورانيوم الأصلية. وسميت هذه الظاهرة الانشطار النووي.

إنه يمثل أول تفاعل تحول نووي تمت ملاحظته تجريبيًا. مثال على ذلك أحد التفاعلات الانشطارية المحتملة لنواة اليورانيوم 235:

تتم عملية الانشطار النووي بسرعة كبيرة (خلال ~10 -12 ثانية). تبلغ الطاقة المنطلقة أثناء تفاعل من النوع (7.14) حوالي 200 ميجا فولت لكل حدث انشطار لنواة اليورانيوم 235.

بشكل عام، يمكن كتابة التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم 235 على النحو التالي:

النيوترونات (7.15)

ويمكن تفسير آلية تفاعل الانشطار في إطار النموذج الهيدروديناميكي للنواة. وفقًا لهذا النموذج، عندما يتم امتصاص النيوترون بواسطة نواة اليورانيوم، فإنه يدخل في حالة مثارة (الشكل 7.2).

الطاقة الزائدة التي تتلقاها النواة بسبب امتصاص النيوترون تسبب حركة أكثر كثافة للنيوكليونات. ونتيجة لذلك تتشوه النواة مما يؤدي إلى إضعاف التفاعل النووي قصير المدى. إذا كانت طاقة إثارة النواة أكبر من طاقة معينة تسمى طاقة التفعيل ثم تحت تأثير التنافر الكهروستاتيكي للبروتونات تنقسم النواة إلى قسمين، ينبعث منها النيوترونات الانشطارية . إذا كانت طاقة الإثارة عند امتصاص النيوترون أقل من طاقة التنشيط فإن النواة لا تصل

مرحلة حرجة من الانشطار، وبعد انبعاث الكم، يعود إلى الأرض

ولاية.

من السمات المهمة لتفاعل الانشطار النووي القدرة على تنفيذ تفاعل نووي متسلسل ذاتي الاستدامة على أساسه. . ويرجع ذلك إلى حقيقة أن كل حدث انشطاري ينتج في المتوسط ​​أكثر من نيوترون واحد. الكتلة والشحنة والطاقة الحركية للشظايا Xو أوه،تكونت أثناء تفاعل انشطاري من النوع (7.15) مختلفة. يتم تثبيط هذه الأجزاء بسرعة بواسطة الوسط، مما يسبب التأين والتسخين وتعطيل هيكلها. إن استخدام الطاقة الحركية للشظايا الانشطارية بسبب تسخينها للبيئة هو الأساس لتحويل الطاقة النووية إلى طاقة حرارية. تكون شظايا الانشطار النووي في حالة مثارة بعد التفاعل وتنتقل إلى الحالة الأرضية عن طريق الانبعاث β - الجسيمات والكميات.

التفاعل النووي المتحكم فيهالتي أجريت في مفاعل نووي ويرافقه إطلاق الطاقة. تم بناء أول مفاعل نووي عام 1942 في الولايات المتحدة الأمريكية (شيكاغو) تحت قيادة الفيزيائي إي. فيرمي (1901 - 1954). في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم إنشاء أول مفاعل نووي في عام 1946 تحت قيادة I. V. كورشاتوف. وبعد اكتسابهم الخبرة في التحكم في التفاعلات النووية، بدأوا في بناء محطات الطاقة النووية.

السؤال 27. رد الفعل التوليفي. الاندماج النووي يسمى تفاعل اندماج البروتونات والنيوترونات أو النوى الخفيفة الفردية، ونتيجة لذلك يتم تشكيل نواة أثقل. أبسط تفاعلات الاندماج النووي هي:

، ΔQ = 17.59 مليون إلكترون فولت؛ (7.17)

تظهر الحسابات أن الطاقة المنبعثة أثناء تفاعلات الاندماج النووي لكل وحدة كتلة تتجاوز بشكل كبير الطاقة المنبعثة في تفاعلات الانشطار النووي. أثناء التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم 235، يتم إطلاق ما يقرب من 200 ميغا إلكترون فولت، أي. 200:235=0.85 ميغا إلكترون فولت لكل نيوكليون، وأثناء تفاعل الاندماج (7.17) تبلغ الطاقة المنطلقة حوالي 17.5 ميغا إلكترون فولت، أي 3.5 ميغا إلكترون فولت لكل نيوكليون (17.5:5=3.5 ميغا إلكترون فولت). هكذا، تعتبر عملية الاندماج أكثر كفاءة بحوالي 4 مرات من عملية انشطار اليورانيوم (لكل نيوكليون من النواة المشاركة في تفاعل الانشطار).

إن السرعة العالية لهذه التفاعلات وإطلاق الطاقة المرتفع نسبيًا يجعل من خليط متساوٍ من الديوتيريوم والتريتيوم هو الأكثر واعدة لحل المشكلة الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة. ترتبط آمال البشرية في حل مشاكل الطاقة الخاصة بها بالاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة. والوضع هو أن احتياطيات اليورانيوم، كمادة خام لمحطات الطاقة النووية، على الأرض محدودة. لكن الديوتيريوم الموجود في مياه المحيط هو مصدر لا ينضب تقريبا للوقود النووي الرخيص. الوضع مع التريتيوم أكثر تعقيدًا إلى حد ما. التريتيوم مشع (عمر النصف له هو 12.5 سنة، وتفاعل الاضمحلال هو:)، ولا يحدث في الطبيعة. لذلك لضمان العمل مفاعل الاندماجوباستخدام التريتيوم كوقود نووي، يجب توفير إمكانية تكاثره.

ولهذا الغرض، يجب أن تكون منطقة عمل المفاعل محاطة بطبقة من نظائر الليثيوم الخفيفة، والتي سيتم فيها التفاعل

ونتيجة لهذا التفاعل، يتم تشكيل نظير الهيدروجين التريتيوم ().

في المستقبل، يتم النظر في إمكانية إنشاء مفاعل نووي حراري منخفض الإشعاع باستخدام خليط من نظائر الديوتيريوم والهيليوم، ويكون تفاعل الاندماج على الشكل التالي:

MeV.(7.20)

نتيجة لهذا التفاعل، وبسبب غياب النيوترونات في منتجات التخليق، يمكن تقليل الخطر البيولوجي للمفاعل بمقدار أربعة إلى خمسة أوامر من حيث الحجم مقارنة بكل من مفاعلات الانشطار النووي والمفاعلات النووية الحرارية التي تعمل بوقود الديوتيريوم والتريتيوم، وليس هناك حاجة للمعالجة الصناعية للمواد المشعة ونقلها، والتخلص من النفايات المشعة مبسط نوعيا. ومع ذلك، فإن احتمالات إنشاء مفاعل نووي حراري صديق للبيئة في المستقبل باستخدام خليط من الديوتيريوم () مع نظير الهيليوم () معقدة بسبب مشكلة المواد الخام: الاحتياطيات الطبيعية لنظائر الهيليوم على الأرض ضئيلة. تأثير الديوتيريوم في مستقبل الطاقة النووية الحرارية الصديقة للبيئة

وفي طريق تنفيذ التفاعلات الاندماجية في الظروف الأرضية، تنشأ مشكلة التنافر الكهروستاتيكي للنوى الخفيفة عندما تقترب من مسافات تبدأ عندها قوى الجذب النووي في التأثير، أي. حوالي 10 -15 م، وبعد ذلك تحدث عملية اندماجهم بسبب تأثير النفق. للتغلب على حاجز الجهد، يجب إعطاء نواة الضوء المتصادمة طاقة قدرها ≈10 كيلو فولت,الذي يتوافق مع درجة الحرارة ت ≈10 8 كوأعلى. لذلك، تحدث التفاعلات النووية الحرارية في الظروف الطبيعية فقط في داخل النجوم. لتنفيذها في ظل الظروف الأرضية، يتطلب الأمر تسخينًا قويًا للمادة، إما عن طريق انفجار نووي، أو تفريغ غاز قوي، أو نبضة عملاقة من إشعاع الليزر، أو قصف بشعاع مكثف من الجزيئات. لم يتم تنفيذ التفاعلات النووية الحرارية حتى الآن إلا في التفجيرات التجريبية للقنابل النووية الحرارية (الهيدروجينية).

المتطلبات الأساسية التي يجب أن يفي بها المفاعل النووي الحراري كجهاز لتنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة هي كما يلي.

أولاً، من الضروري الحبس الموثوق للبلازما الساخنة (≈10 8 ك)في منطقة رد الفعل. تم التعبير عن الفكرة الأساسية التي حددت طرق حل هذه المشكلة لسنوات عديدة في منتصف القرن العشرين في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية وبريطانيا العظمى في وقت واحد تقريبًا. هذه الفكرة هي استخدام المجالات المغناطيسيةللاحتواء والعزل الحراري للبلازما ذات درجة الحرارة العالية.

ثانيًا، عند التشغيل باستخدام وقود يحتوي على التريتيوم (وهو أحد نظائر الهيدروجين المشعة للغاية)، سيحدث تلف إشعاعي لجدران غرفة مفاعل الاندماج. وفقا للخبراء، من غير المرجح أن تتجاوز المقاومة الميكانيكية للجدار الأول للغرفة 5-6 سنوات. وهذا يعني أنه يجب تفكيك التركيب بالكامل بشكل دوري ومن ثم إعادة تجميعه باستخدام الروبوتات عن بعد بسبب النشاط الإشعاعي المتبقي العالي بشكل استثنائي.

ثالثًا، الشرط الرئيسي الذي يجب أن يلبيه الاندماج النووي الحراري هو أن يكون إطلاق الطاقة نتيجة للتفاعلات النووية الحرارية أكثر من تعويض الطاقة المستهلكة من مصادر خارجية للحفاظ على التفاعل نفسه. من الأمور ذات الأهمية الكبيرة التفاعلات النووية الحرارية "النقية"،

عدم إنتاج النيوترونات (انظر (7.20 والتفاعل أدناه:

السؤال 28. الاضمحلال الإشعاعي α−, β−, γ− إشعاع.

تحت النشاط الإشعاعي فهم قدرة بعض النوى الذرية غير المستقرة على التحول تلقائيًا إلى نوى ذرية أخرى مع انبعاث الإشعاع الإشعاعي.

النشاط الإشعاعي الطبيعييسمى النشاط الإشعاعي الملاحظ في النظائر غير المستقرة الموجودة بشكل طبيعي.

النشاط الإشعاعي الاصطناعيهو النشاط الإشعاعي للنظائر التي يتم الحصول عليها نتيجة التفاعلات النووية التي تتم في المسرعات والمفاعلات النووية.

تحدث التحولات الإشعاعية مع تغير في بنية وتركيب وحالة الطاقة للنواة الذرية، ويصاحبها انبعاث أو التقاط جسيمات مشحونة أو محايدة، وإطلاق إشعاع قصير الموجة ذي طبيعة كهرومغناطيسية (كمات إشعاع جاما). تسمى هذه الجسيمات والكميات المنبعثة بشكل جماعي المشعة (أو المؤينة ) الإشعاع ، والعناصر التي يمكن أن تتحلل نواتها تلقائيًا لسبب أو لآخر (طبيعية أو صناعية) تسمى مشعة أو النويدات المشعة . أسباب التحلل الإشعاعي هي اختلال التوازن بين قوى الجذب النووية (قصيرة المدى) والقوى التنافرية الكهرومغناطيسية (طويلة المدى) للبروتونات موجبة الشحنة.

إشعاعات أيونية– تيار من الجسيمات المشحونة أو المحايدة وكميات الإشعاع الكهرومغناطيسي، الذي يؤدي مروره عبر المادة إلى تأين وإثارة الذرات أو جزيئات الوسط. وينقسم بطبيعته إلى فوتون (إشعاع جاما، إشعاع الأشعة السينية، إشعاع الأشعة السينية) وجسيمي (إشعاع ألفا، إلكترون، بروتون، نيوترون، ميسون).

من بين 2500 نويدة معروفة حاليًا، هناك 271 فقط مستقرة، والباقي (90٪!) غير مستقر، أي. مشعة. من خلال واحد أو أكثر من الاضمحلال المتتالي، المصحوب بانبعاث الجسيمات أو الكميات، تتحول إلى نويدات مستقرة.

سمحت دراسة تكوين الإشعاع الإشعاعي بتقسيمه إلى ثلاثة مكونات مختلفة: إشعاع ألفا هو تيار من الجسيمات الموجبة الشحنة - نواة الهيليوم ()، ب الإشعاع - تدفق الإلكترونات أو البوزيترونات، γ الإشعاع - تدفق الإشعاع الكهرومغناطيسي قصير الموجة.

عادةً ما تكون جميع أنواع النشاط الإشعاعي مصحوبة بانبعاث أشعة جاما - الإشعاع الكهرومغناطيسي الصلب قصير الموجة. أشعة جاما هي الشكل الرئيسي لتقليل طاقة المنتجات المثارة للتحولات الإشعاعية. تسمى النواة التي تتعرض للتحلل الإشعاعي الأم. المستجدة شركة فرعية النواة، كقاعدة عامة، تكون متحمسة، ويصاحب انتقالها إلى الحالة الأرضية انبعاث الكم.

قوانين الحفظ.أثناء الاضمحلال الإشعاعي، يتم الحفاظ على المعلمات التالية:

1. تكلفة . لا يمكن إنشاء شحنة كهربائية أو تدميرها. يجب الحفاظ على الشحنة الكلية قبل التفاعل وبعده، على الرغم من إمكانية توزيعها بشكل مختلف بين النوى والجسيمات المختلفة.

2. العدد الشامل أو يجب أن يكون عدد النيوكليونات بعد التفاعل مساوياً لعدد النيوكليونات قبل التفاعل.

3. إجمالي الطاقة . يجب الحفاظ على طاقة كولوم وطاقة الكتل المكافئة في جميع التفاعلات والتحلل.

4.الزخم والزخم الزاوي . الحفاظ على الزخم الخطي هو المسؤول عن توزيع طاقة كولوم بين النوى والجسيمات و/أو الإشعاع الكهرومغناطيسي. يشير الزخم الزاوي إلى دوران الجزيئات.

α- الاضمحلاليسمى الانبعاث من نواة الذرة α− حبيبات. في α− الاضمحلال، كما هو الحال دائما، يجب أن يتحقق قانون الحفاظ على الطاقة. وفي الوقت نفسه، فإن أي تغييرات في طاقة النظام تتوافق مع التغيرات النسبية في كتلته. لذلك، أثناء التحلل الإشعاعي، يجب أن تتجاوز كتلة النواة الأم كتلة نواتج التحلل بمقدار يتوافق مع الطاقة الحركية للنظام بعد التحلل (إذا كانت النواة الأم في حالة راحة قبل التحلل). وهكذا في حالة α− يجب أن تكون حالة الاضمحلال مستوفاة

أين كتلة النواة الأم مع العدد الكتلي؟ أوالرقم التسلسلي Z، هي كتلة النواة الابنة وهي الكتلة α− حبيبات. ويمكن تمثيل كل من هذه الكتل بدورها كمجموع العدد الكتلي والعيب الكتلي:

باستبدال هذه التعبيرات بالجماهير في المتباينة (8.2)، نحصل على الشرط التالي لـ α− الاضمحلال:، (8.3)

أولئك. ويجب أن يكون الفرق في العيوب الكتلية لنواة الأم وابنتها أكبر من العيب الكتلي α− حبيبات. وهكذا متى α− عند الاضمحلال، يجب أن يختلف العدد الكتلي لنواة الأم وابنتها بمقدار أربعة. إذا كان الفرق في أعداد الكتلة هو أربعة، فعندما تكون عيوب الكتلة للنظائر الطبيعية تتناقص دائمًا مع الزيادة أ. وهكذا، عندما لا تتحقق المتراجحة (8.3)، لأن العيب الكتلي للنواة الأثقل، والتي ينبغي أن تكون النواة الأم، أقل من العيب الكتلي للنواة الأخف. لذلك متى α− لا يحدث الاضمحلال النووي. الأمر نفسه ينطبق على معظم النظائر الاصطناعية. الاستثناءات هي العديد من النظائر الاصطناعية الخفيفة، والتي تكون فيها القفزات في طاقة الارتباط، وبالتالي في عيوب الكتلة، كبيرة بشكل خاص مقارنة بالنظائر المجاورة (على سبيل المثال، نظير البريليوم، الذي يضمحل إلى قسمين α− حبيبات).

طاقة α− الجسيمات الناتجة عن اضمحلال النوى تحتوي على نطاق ضيق نسبيا من 2 إلى 11 ميجا إلكترون فولت، وفي الوقت نفسه هناك ميل إلى انخفاض عمر النصف مع زيادة الطاقة α− حبيبات. ويتجلى هذا الاتجاه بشكل خاص خلال التحولات الإشعاعية المتعاقبة داخل نفس العائلة المشعة (قانون جيجر-ناتال). على سبيل المثال، الطاقة α− الجسيمات أثناء تحلل اليورانيوم (T = 7.1 .10 8 سنين) هو 4.58 ميف، أثناء تحلل البروتكتينيوم (T = 3.4 .10 4 سنين) - 5.04 ماييف أثناء تحلل البولونيوم (T = 1.83 .10 -3 مع)- 7,36ميف.

بشكل عام، يمكن أن تنبعث نوى من نفس النظير α− جسيمات لها عدة قيم طاقة محددة بدقة (في المثال السابق يشار إلى أعلى طاقة). بعبارة أخرى، α− الجسيمات لها طيف طاقة منفصل. هذا يفسر كالتالي. يمكن للنواة الابنة الناتجة عن الاضمحلال، وفقا لقوانين ميكانيكا الكم، أن تكون في عدة حالات مختلفة، في كل منها طاقة معينة. الحالة ذات أقل طاقة ممكنة تكون مستقرة وتسمى رئيسي . يتم استدعاء الدول المتبقية متحمس . يمكن أن تبقى النواة فيها لفترة قصيرة جدًا (10 -8 - 10 -12 ثانية)، ثم تنتقل إلى حالة ذات طاقة أقل (وليس بالضرورة على الفور إلى الحالة الرئيسية) مع الانبعاث γ− الكم.

في تَقَدم α− هناك مرحلتان من الاضمحلال: التكوين α− الجسيمات من النيوكليونات النووية والانبعاث α− جزيئات ذات نواة.

اضمحلال بيتا (الإشعاع).يجمع مفهوم الاضمحلال بين ثلاثة أنواع من التحولات التلقائية داخل النواة: اضمحلال الإلكترون، واضمحلال البوزيترون، وأسر الإلكترون ( ه- يأسر).

هناك نظائر بيتا المشعة أكثر بكثير من نظائر ألفا المشعة. وهي موجودة في كامل نطاق التغيرات في الأعداد الكتلية للنوى (من النوى الخفيفة إلى الأثقل).

يحدث اضمحلال بيتا للنواة الذرية بسبب تفاعل ضعيف الجسيمات الأولية، وكما هو الحال مع الاضمحلال، تخضع لقوانين معينة. أثناء الاضمحلال، يتحول أحد النيوترونات الموجودة في النواة إلى بروتون، وينبعث منه إلكترون وإلكترون مضاد النيوترينو. تتم هذه العملية وفقًا للمخطط التالي: . (8.8)

أثناء الاضمحلال، يتحول أحد بروتونات النواة إلى نيوترون مع انبعاث بوزيترون ونيوترينو إلكترون:

النيوترون الحر، وليس جزءًا من النواة، يضمحل تلقائيًا وفقًا للتفاعل (8.8) بعمر نصف يبلغ حوالي 12 دقيقة، وهذا ممكن لأن كتلة النيوترون هي amu. أكبر من كتلة البروتون a.m.u. بقيمة amu التي تتجاوز الكتلة الباقية للإلكترون amu. (كتلة الراحة للنيوترينو صفر). يحظر قانون الحفاظ على الطاقة تحلل البروتون الحر، لأن مجموع الكتل المتبقية من الجسيمات الناتجة - النيوترون والبوزيترون - أكبر من كتلة البروتون. ومن ثم فإن اضمحلال البروتون (8.9) لا يكون ممكنًا إلا في النواة إذا كانت كتلة النواة الابنة أقل من كتلة النواة الأم بمقدار أكبر من الكتلة الباقية للبوزيترون (الكتل المتبقية من البوزيترون والإلكترون متساوون). ومن ناحية أخرى، يجب توافر شرط مماثل في حالة اضمحلال النيوترون الموجود في النواة.

بالإضافة إلى العملية التي تحدث وفقًا للتفاعل (8.9)، يمكن أيضًا أن يحدث تحول البروتون إلى نيوترون من خلال أسر بروتون للإلكترون مع الانبعاث المتزامن لنيوترينو الإلكترون

تمامًا مثل العملية (8.9)، لا تحدث العملية (8.10) مع بروتون حر. أما إذا كان البروتون داخل النواة فإنه يستطيع التقاط أحد الإلكترونات المدارية لذرته، بشرط أن يكون مجموع كتلتي النواة الأم والإلكترون أكبر من كتلة النواة الابنة. إن مجرد احتمال التقاء البروتونات الموجودة داخل النواة مع الإلكترونات المدارية للذرة يرجع إلى حقيقة أنه وفقًا لميكانيكا الكم، فإن حركة الإلكترونات في الذرة لا تحدث في مدارات محددة بدقة، كما هو مقبول في نظرية بور ولكن هناك احتمال مؤكد للقاء الإلكترون في أي منطقة من الفضاء داخل الذرة، على وجه الخصوص، وفي المنطقة التي تشغلها النواة.

يسمى التحول النووي الناتج عن أسر الإلكترون المداري ه-يأسر. في أغلب الأحيان، يحدث التقاط إلكترون ينتمي إلى الغلاف K الأقرب إلى النواة (التقاط K). يحدث التقاط الإلكترون الموجود في الغلاف L التالي (التقاط L) بمعدل أقل بحوالي 100 مرة.

أشعة غاما. إشعاع جاما هو إشعاع كهرومغناطيسي قصير الموجة، وله طول موجي قصير للغاية، ونتيجة لذلك، له خصائص جسيمية واضحة، أي. هو تيار من الكميات مع الطاقة ( ν − تردد الإشعاع)، والزخم والدوران ج(في الوحدات ħ ).

يصاحب إشعاع جاما اضمحلال النوى، ويحدث أثناء إبادة الجسيمات والجسيمات المضادة، أثناء تباطؤ الجسيمات المشحونة بسرعة في الوسط، أثناء اضمحلال الميزونات، وهو موجود في الإشعاع الكوني، وفي التفاعلات النووية، وما إلى ذلك. وقد تم اختباره تجريبيًا أثبت أن النواة المثارة التي تتشكل نتيجة الاضمحلال يمكن أن تمر عبر سلسلة من الحالات المتوسطة الأقل إثارة. ولذلك فإن إشعاع نفس النظائر المشعة قد يحتوي على عدة أنواع من الكمات، تختلف عن بعضها البعض في قيم الطاقة. عادة ما يزداد عمر الحالات المثارة للنوى بشكل حاد مع انخفاض طاقتها وزيادة الفرق بين السبينات النووية في الحالات الأولية والنهائية.

يحدث الانبعاث الكمي أيضًا أثناء الانتقال الإشعاعي للنواة الذرية من الحالة المثارة بالطاقة ه طعلى الأرض أو حالة أقل إثارة مع الطاقة إيك (ه ط > ه ك). وفقًا لقانون حفظ الطاقة (حتى طاقة الارتداد للنواة)، يتم تحديد طاقة الكم بالتعبير: . (8.11)

أثناء الإشعاع، يتم أيضًا استيفاء قوانين الحفاظ على الزخم والزخم الزاوي.

بسبب اختلاف مستويات الطاقة في النواة، يمتلك الإشعاع طيفًا خطيًا من الطاقة والترددات. في الواقع، ينقسم طيف الطاقة للنواة إلى مناطق منفصلة ومستمرة. في منطقة الطيف المنفصلة، ​​تكون المسافات بين مستويات الطاقة للنواة أكبر بكثير من عرض الطاقة زالمستوى الذي يحدده عمر النواة في هذه الحالة:

يحدد الزمن معدل اضمحلال النواة المثارة:

أين هو عدد النوى في الوقت الأولي ()؛ عدد النوى غير المتحللة في المرة الواحدة ر.

السؤال 29. قوانين النزوح.عند انبعاث جسيم، تفقد النواة بروتونين ونيوترونين. ولذلك، فإن النواة (الابنة) الناتجة، مقارنة بالنواة الأصلية (الأم)، لها عدد كتلي أقل بمقدار أربعة وعدد ترتيبي بمقدار اثنين.

وهكذا عند الاضمحلال يتم الحصول على عنصر يشغل في الجدول الدوري مكان خليتين على اليسار مقارنة بالأصل:. (8.14)

أثناء الاضمحلال، يتحول أحد النيوترونات الموجودة في النواة إلى بروتون مع انبعاث إلكترون ونيوترينو مضاد (-الاضمحلال). ونتيجة للاضمحلال، يبقى عدد النيوكليونات في النواة دون تغيير. ولذلك فإن العدد الكتلي لا يتغير، بمعنى آخر، يحدث تحول من إيزوبار إلى آخر. ومع ذلك، تتغير شحنة النواة الابنة وعددها الذري. أثناء الاضمحلال، عندما يتحول النيوترون إلى بروتون، يزداد العدد الذري بمقدار واحد، أي. في هذه الحالة يظهر عنصر تم إزاحته في الجدول الدوري بمقدار خلية واحدة إلى اليمين مقارنة بالخلية الأصلية:

أثناء الاضمحلال، عندما يتحول البروتون إلى نيوترون، ينخفض ​​العدد الذري بمقدار واحد، ويتم إزاحة العنصر الناتج حديثًا خلية واحدة إلى اليسار في الجدول الدوري:

في التعبيرات (8.14) - (8.16) X- رمز جوهر الأم، ي- رمز النواة الابنة، - نواة الهيليوم، و - التسميات الرمزية، على التوالي، للإلكترون الذي أ= 0 و ز= –1، والبوزيترون، الذي أ= 0 و ز=+1.

تتشكل النوى المشعة بشكل طبيعي ثلاث عائلات مشعة ، مُسَمًّى عائلة اليورانيوم (), عائلة الثوريوم ()و عائلة شقائق البحر (). لقد حصلوا على أسمائهم من النظائر طويلة العمر ذات عمر النصف الأطول. تنتهي جميع العائلات بعد سلسلة من الاضمحلال α− و β− على نوى مستقرة من نظائر الرصاص - و. يتم إنتاج عائلة النبتونيوم، بدءًا من عنصر ما بعد اليورانيوم النبتونيوم، بشكل صناعي وتنتهي عند نظير البزموت.

النواة الذرية التي تتكون من عدد معين من البروتونات والنيوترونات هي وحدة واحدة بسبب قوى محددة تعمل بين نويات النواة وتسمى النووية.وقد ثبت تجريبياً أن القوى النووية لها قيم كبيرة جداً، أكبر بكثير من قوى التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات. ويتجلى ذلك في حقيقة أن طاقة الربط المحددة للنيوكليونات في النواة أكبر بكثير من العمل الذي تقوم به قوى التنافر كولوم. دعونا ننظر في السمات الرئيسية للقوات النووية.

1. القوى النووية هي قوى الجذب قصيرة المدى . وتظهر فقط على مسافات صغيرة جدًا بين النيوكليونات في النواة في حدود 10-15 مترًا، والمسافة في حدود (1.5 - 2.2)·10-15 متر تسمى نصف قطر عمل القوى النووية؛ مع زيادته ، القوات النووية تنخفض بسرعة. على مسافة حوالي (2-3) م، يكون التفاعل النووي بين النيوكليونات غائبا عمليا.

2. القوى النووية لها الخاصية التشبع, أولئك. يتفاعل كل نيوكليون فقط مع عدد معين من أقرب الجيران. تتجلى طبيعة القوى النووية في الثبات التقريبي لطاقة الربط المحددة للنيوكليونات عند رقم الشحنة أ> 40. في الواقع، إذا لم يكن هناك تشبع، فإن طاقة الارتباط المحددة ستزداد مع عدد النيوكليونات في النواة.

3. من سمات القوات النووية أيضًا استقلال تهمة ، أي. فهي لا تعتمد على شحنة النيوكليونات، وبالتالي فإن التفاعلات النووية بين البروتونات والنيوترونات هي نفسها. يمكن رؤية استقلالية شحنة القوى النووية من خلال مقارنة الطاقات الملزمة نوى المرآة . هذا هو الاسم الذي يطلق على النوى التي يكون فيها العدد الإجمالي للنيوكليونات هو نفسه، ولكن عدد البروتونات في إحداها يساوي عدد النيوترونات في الأخرى. على سبيل المثال، طاقات الارتباط لنواة الهيليوم والهيدروجين الثقيل والتريتيوم هي 7.72 على التوالي. MeVو 8.49 MeV. الفرق في طاقات الارتباط لهذه النوى، يساوي 0.77 ميغا إلكترون فولت، يتوافق مع طاقة تنافر كولوم بين بروتونين في النواة. بافتراض أن هذه القيمة تساوي ، يمكننا أن نجد أن متوسط ​​المسافة صبين البروتونات في النواة هو 1.9·10 -15 م، وهو ما يتوافق مع نصف قطر عمل القوى النووية.

4. القوى النووية ليست مركزية وتعتمد على التوجه المتبادل لدوران النيوكليونات المتفاعلة. وهذا ما تؤكده الطبيعة المختلفة لتشتت النيوترونات بواسطة جزيئات أورثو وبارهيدروجين. في جزيء الهيدروجين الأورثوهيدروجين، تكون لفات كلا البروتونين متوازية مع بعضها البعض، بينما في جزيء باراهيدروجين تكون غير متوازية. أظهرت التجارب أن نثر النيوترونات على باراهيدروجين أكبر بـ 30 مرة من نثرها على أورثوهيدروجين.

إن الطبيعة المعقدة للقوات النووية لا تسمح بتطوير نظرية واحدة متسقة للتفاعل النووي، على الرغم من اقتراح العديد من الأساليب المختلفة. وفقًا لفرضية الفيزيائي الياباني إتش. يوكاوا، التي اقترحها في عام 1935، فإن القوى النووية تنتج عن التبادل - الميزونات، أي. جسيمات أولية كتلتها أقل بحوالي 7 مرات من كتلة النيوكليونات. وفقا لهذا النموذج، النيوكليون في الوقت المناسب م- كتلة الميزون) تنبعث من الميزون الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء ويغطي مسافة وبعد ذلك يتم امتصاصه بواسطة النيوكليون الثاني. وفي المقابل، يُصدر النيوكليون الثاني أيضًا ميزونًا، والذي يمتصه الأول. وبالتالي، في نموذج H. Yukawa، يتم تحديد المسافة التي تتفاعل عندها النيوكليونات من خلال طول مسار الميزون، والذي يتوافق مع مسافة تبلغ حوالي مومن حيث الحجم يتزامن مع نصف قطر عمل القوات النووية.

دعونا ننتقل إلى النظر في تفاعل التبادل بين النيوكليونات. هناك ميزونات إيجابية وسلبية ومحايدة. إن معامل الشحنة - أو - الميزونات يساوي عددياً الشحنة الأولية ه. كتلة الميزونات المشحونة هي نفسها وتساوي (140 MeV) كتلة الميزون هي 264 (135 MeV). دوران كل من الميزونات المشحونة والمحايدة هو 0. جميع الجسيمات الثلاثة غير مستقرة. عمر - و - الميزونات هو 2.6 مع, - الميزون - 0.8·10 -16 مع. يتم التفاعل بين النيوكليونات وفق أحد المخططات التالية:

(22.7)
1. تبادل الميزونات بين النيوكليونات:

في هذه الحالة، يصدر البروتون ميزونًا، ويتحول إلى نيوترون. ويتم امتصاص الميزون بواسطة نيوترون، والذي يتحول بالتالي إلى بروتون، ثم تحدث نفس العملية في الاتجاه المعاكس. وهكذا، يقضي كل من النيوكليونات المتفاعلة جزءًا من الوقت في حالة مشحونة وجزءًا آخر في حالة محايدة.

2. تبادل النيوكلونات – الميزونات :

3. تبادل النيوكلونات – الميزونات :

. (22.10)

وقد تم إثبات كل هذه العمليات تجريبيا. على وجه الخصوص، يتم تأكيد العملية الأولى عندما يمر شعاع النيوترون عبر الهيدروجين. تظهر البروتونات المتحركة في الشعاع، ويتم اكتشاف عدد مماثل من النيوترونات الساكنة عمليًا في الهدف.

نماذج النواة.إن عدم وجود قانون رياضي للقوى النووية لا يسمح بخلق نظرية موحدة للنواة. تواجه محاولات إنشاء مثل هذه النظرية صعوبات خطيرة. وهنا بعض منها:

1. عدم المعرفة بالقوى المؤثرة بين النيوكليونات.

2. التعقيد الشديد لمشكلة الأجسام المتعددة الكمومية (نواة ذات عدد كتلي) أهو نظام أالهاتف).

وتجبرنا هذه الصعوبات على السير في طريق إنشاء نماذج نووية تجعل من الممكن وصف مجموعة معينة من الخصائص النووية باستخدام وسائل رياضية بسيطة نسبيا. لا يمكن لأي من هذه النماذج أن يعطي وصفًا دقيقًا تمامًا للنواة. ولذلك، عليك استخدام عدة نماذج.

تحت نموذج النواة في الفيزياء النووية يفهمون مجموعة من الافتراضات الفيزيائية والرياضية التي يمكن من خلالها حساب خصائص النظام النووي الذي يتكون من أالنيوكليونات. وقد تم اقتراح وتطوير العديد من النماذج بدرجات متفاوتة من التعقيد. سننظر فقط في أشهرهم.

النموذج الهيدروديناميكي (بالتنقيط) للنواةتم تطويره في عام 1939. N. Bohr والعالم السوفيتي J. Frenkel. ويستند إلى افتراض أنه بسبب الكثافة العالية للنويات في النواة والتفاعل القوي للغاية بينها، فإن الحركة المستقلة للنيوكليونات الفردية مستحيلة والنواة عبارة عن قطرة من سائل مشحون بكثافة. كما هو الحال مع قطرة السائل العادية، يمكن أن يتأرجح سطح القلب. إذا أصبح سعة الاهتزازات كبيرة بما فيه الكفاية، تحدث عملية الانشطار النووي. مكّن نموذج القطرة من الحصول على صيغة لطاقة الربط للنيوكليونات في النواة وشرح آلية بعض التفاعلات النووية. ومع ذلك، فإن هذا النموذج لا يفسر معظم أطياف الإثارة للنوى الذرية والاستقرار الخاص لبعضها. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن النموذج الهيدروديناميكي يعكس بشكل تقريبي جوهر البنية الداخلية للنواة.

نموذج شل للنواة تم تطويره في 1940-1950 من قبل الفيزيائي الأمريكي م. جيبرت - ماير والفيزيائي الألماني ه. جنسن. ويفترض أن كل نيوكليون يتحرك بشكل مستقل عن الآخرين في مجال محتمل متوسط ​​(المجال المحتمل الذي تم إنشاؤه بواسطة النيوكليونات المتبقية في النواة. وفي إطار نموذج الصدفة، لا يتم حساب الوظيفة، ولكن يتم تحديدها بحيث يكون أفضل اتفاق مع يمكن تحقيق البيانات التجريبية.

عمق البئر المحتمل يكون عادة ~ (40-50) MeVولا يعتمد على عدد النيوكليونات في النواة. وفقًا لنظرية الكم، تكون النيوكليونات الموجودة في الحقل عند مستويات طاقة منفصلة معينة. إن الافتراض الرئيسي لمبدعي نموذج الصدفة حول الحركة المستقلة للنيوكليونات في مجال متوسط ​​محتمل يتعارض مع الأحكام الأساسية لمطوري النموذج الهيدروديناميكي. لذلك، فإن خصائص اللب، التي تم وصفها جيدًا بواسطة النموذج الهيدروديناميكي (على سبيل المثال، قيمة طاقة الربط)، لا يمكن تفسيرها في إطار نموذج القشرة، والعكس صحيح.

نموذج النواة المعمم ، الذي تم تطويره في 1950-1953، يجمع بين الأحكام الرئيسية لمبدعي النماذج الهيدروديناميكية والنماذج الصدفية. في النموذج المعمم، من المفترض أن النواة تتكون من جزء داخلي مستقر - النواة، التي تتكون من نيوكليونات الأصداف المملوءة، والنيوكليونات الخارجية التي تتحرك في المجال الذي أنشأته نيوكليونات النواة. في هذا الصدد، يتم وصف حركة النواة بواسطة النموذج الهيدروديناميكي، وحركة النيوكليونات الخارجية بواسطة نموذج القشرة. بسبب التفاعل مع النيوكليونات الخارجية، يمكن أن يتشوه اللب، ويمكن أن يدور اللب حول محور عمودي على محور التشوه. وقد مكّن النموذج المعمم من تفسير السمات الرئيسية لأطياف الدوران والاهتزاز للنوى الذرية، وكذلك القيم العالية للعزم الكهربائي الرباعي لبعضها.

لقد نظرنا في الظواهر الرئيسية، أي. نماذج وصفية للنواة. ومع ذلك، لفهم طبيعة التفاعلات النووية التي تحدد خصائص وبنية النواة بشكل كامل، فمن الضروري إنشاء نظرية تعتبر فيها النواة نظامًا من النيوكليونات المتفاعلة.

النواة الذرية التي تتكون من عدد معين من البروتونات والنيوترونات هي وحدة واحدة بسبب قوى محددة تعمل بين نويات النواة وتسمى النووية.وقد ثبت تجريبياً أن القوى النووية لها قيم كبيرة جداً، أكبر بكثير من قوى التنافر الكهروستاتيكي بين البروتونات. ويتجلى ذلك في حقيقة أن طاقة الربط المحددة للنيوكليونات في النواة أكبر بكثير من العمل الذي تقوم به قوى التنافر كولوم. دعونا ننظر إلى الرئيسي خصائص القوى النووية.

1. القوى النووية هي قوى الجذب قصيرة المدى . وهي تظهر فقط على مسافات صغيرة جداً بين النيوكليونات في النواة في حدود 10 – 15 م، وتسمى مسافة في حدود (1.5 – 2.2) 10 – 15 م نطاق القوى النوويةومع زيادتها تتناقص القوات النووية بسرعة. على مسافة حوالي (2-3) م، يكون التفاعل النووي بين النيوكليونات غائبا عمليا.

2. القوى النووية لها الخاصية التشبع, أولئك. يتفاعل كل نيوكليون فقط مع عدد معين من أقرب الجيران. تتجلى طبيعة القوى النووية في الثبات التقريبي لطاقة الربط المحددة للنيوكليونات عند رقم الشحنة أ> 40. في الواقع، إذا لم يكن هناك تشبع، فإن طاقة الارتباط المحددة ستزداد مع عدد النيوكليونات في النواة.

3. من سمات القوات النووية أيضًا استقلال تهمة ، أي. فهي لا تعتمد على شحنة النيوكليونات، وبالتالي فإن التفاعلات النووية بين البروتونات والنيوترونات هي نفسها. يمكن رؤية استقلالية شحنة القوى النووية من خلال مقارنة الطاقات الملزمة نوى المرآة . هذا هو الاسم الذي يطلق على النوى التي يكون فيها العدد الإجمالي للنيوكليونات هو نفسه، ولكن عدد البروتونات في إحداها يساوي عدد النيوترونات في الأخرى. على سبيل المثال، طاقات الارتباط لنواة الهيليوم والهيدروجين الثقيل والتريتيوم هي 7.72 على التوالي. MeVو 8.49 MeV. الفرق في طاقات الارتباط لهذه النوى، يساوي 0.77 ميغا إلكترون فولت، يتوافق مع طاقة تنافر كولوم بين بروتونين في النواة. بافتراض أن هذه القيمة تساوي ، يمكننا أن نجد أن متوسط ​​المسافة صبين البروتونات في النواة هو 1.9·10 -15 م، وهو ما يتوافق مع نصف قطر عمل القوى النووية.

4. القوى النووية ليست مركزية وتعتمد على التوجه المتبادل لدوران النيوكليونات المتفاعلة. وهذا ما تؤكده الطبيعة المختلفة لتشتت النيوترونات بواسطة جزيئات أورثو وبارهيدروجين. في جزيء الهيدروجين الأورثوهيدروجين، تكون لفات كلا البروتونين متوازية مع بعضها البعض، بينما في جزيء باراهيدروجين تكون غير متوازية. أظهرت التجارب أن نثر النيوترونات على باراهيدروجين أكبر بـ 30 مرة من نثرها على أورثوهيدروجين.

إن الطبيعة المعقدة للقوات النووية لا تسمح بتطوير نظرية واحدة متسقة للتفاعل النووي، على الرغم من اقتراح العديد من الأساليب المختلفة. وفقا لفرضية الفيزيائي الياباني ه. يوكاوا (1907-1981)، التي اقترحها في عام 1935، فإن القوى النووية تنتج عن التبادل - الميزونات، أي. جسيمات أولية كتلتها أقل بحوالي 7 مرات من كتلة النيوكليونات. وفقا لهذا النموذج، النيوكليون في الوقت المناسب م- كتلة الميزون) تنبعث من الميزون الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء ويغطي مسافة وبعد ذلك يتم امتصاصه بواسطة النيوكليون الثاني. وفي المقابل، يُصدر النيوكليون الثاني أيضًا ميزونًا، والذي يمتصه الأول. وبالتالي، في نموذج H. Yukawa، يتم تحديد المسافة التي تتفاعل عندها النيوكليونات من خلال طول مسار الميزون، والذي يتوافق مع مسافة تبلغ حوالي مومن حيث الحجم يتزامن مع نصف قطر عمل القوات النووية.

دعونا ننتقل إلى النظر في تفاعل التبادل بين النيوكليونات. هناك ميزونات إيجابية وسلبية ومحايدة. إن معامل الشحنة - أو - الميزونات يساوي عددياً الشحنة الأولية ه . كتلة الميزونات المشحونة هي نفسها وتساوي (140 MeV) كتلة الميزون هي 264 (135 MeV). دوران كل من الميزونات المشحونة والمحايدة هو 0. جميع الجسيمات الثلاثة غير مستقرة. عمر - و - الميزونات هو 2.6 مع, - الميزون - 0.8·10 -16 مع. يتم التفاعل بين النيوكليونات وفق أحد المخططات التالية:

1. تبادل الميزونات بين النيوكلونات: . (22.8)

في هذه الحالة، يصدر البروتون ميزونًا، ويتحول إلى نيوترون. ويتم امتصاص الميزون بواسطة نيوترون، والذي يتحول بالتالي إلى بروتون، ثم تحدث نفس العملية في الاتجاه المعاكس. وهكذا، يقضي كل من النيوكليونات المتفاعلة جزءًا من الوقت في حالة مشحونة وجزءًا آخر في حالة محايدة.

2. تبادل النيوكلونات – الميزونات :

3. تبادل النيوكلونات – الميزونات :

, (22.10)

وقد تم إثبات كل هذه العمليات تجريبيا. على وجه الخصوص، يتم تأكيد العملية الأولى عندما يمر شعاع النيوترون عبر الهيدروجين. تظهر البروتونات المتحركة في الشعاع، ويتم اكتشاف عدد مماثل من النيوترونات الساكنة عمليًا في الهدف.

نماذج النواة.تحت نموذج النواة في الفيزياء النووية يفهمون مجموعة من الافتراضات الفيزيائية والرياضية التي يمكن من خلالها حساب خصائص النظام النووي الذي يتكون من أالنيوكليونات.

النموذج الهيدروديناميكي (بالتنقيط) للنواةويستند إلى افتراض أنه بسبب الكثافة العالية للنويات في النواة والتفاعل القوي للغاية بينها، فإن الحركة المستقلة للنيوكليونات الفردية مستحيلة والنواة عبارة عن قطرة من سائل مشحون بالكثافة .

نموذج شل للنواةويفترض أن كل نيوكليون يتحرك بشكل مستقل عن الآخرين في مجال محتمل متوسط ​​(المجال المحتمل الناتج بشكل جيد عن النيوكليونات المتبقية في النواة.

نموذج النواة المعمميجمع بين الأحكام الأساسية لمبدعي النماذج الهيدروديناميكية والصدفية. في النموذج المعمم، يُفترض أن النواة تتكون من جزء داخلي مستقر - النواة، التي تتكون من نيوكليونات الأصداف المملوءة، ونيوكليونات خارجية تتحرك في المجال الذي أنشأته نيوكليونات النواة. في هذا الصدد، يتم وصف حركة النواة بواسطة النموذج الهيدروديناميكي، وحركة النيوكليونات الخارجية بواسطة نموذج القشرة. بسبب التفاعل مع النيوكليونات الخارجية، يمكن أن يتشوه اللب، ويمكن أن يدور اللب حول محور عمودي على محور التشوه.

26. تفاعلات انشطار النوى الذرية. الطاقة النووية.

التفاعلات النوويةتسمى تحولات النوى الذرية الناتجة عن تفاعلها مع بعضها البعض أو مع نوى أخرى أو جسيمات أولية. الرسالة الأولى حول التفاعل النووي تعود إلى إي رذرفورد. وفي عام 1919، اكتشف أنه عندما تمر الجزيئات عبر غاز النيتروجين، يتم امتصاص بعضها، وتنبعث البروتونات في وقت واحد. استنتج رذرفورد أن نوى النيتروجين تحولت إلى نوى أكسجين نتيجة تفاعل نووي على الشكل:

, (22.11)

حيث - جسيم؛ - البروتون (الهيدروجين).

من المعلمات المهمة للتفاعل النووي هو إنتاج الطاقة، والذي يتم تحديده بواسطة الصيغة:

(22.12)

هنا مجموع كتل الجزيئات المتبقية قبل التفاعل وبعده. عندما تحدث التفاعلات النووية مع امتصاص الطاقة، فإنها تسمى ماص للحرارة, ومتى - مع إطلاق الطاقة. في هذه الحالة يتم استدعاؤهم طارد للحرارة.

في أي تفاعل نووي، يتم دائمًا تحقيق ما يلي: قوانين الحفظ :

− الشحنة الكهربائية;

- عدد النيوكليونات؛

- الطاقة؛

- دفعة.

يسمح القانونان الأولان بكتابة التفاعلات النووية بشكل صحيح حتى في الحالات التي يكون فيها أحد الجزيئات المشاركة في التفاعل أو أحد منتجاته غير معروف. باستخدام قوانين حفظ الطاقة والزخم، من الممكن تحديد الطاقات الحركية للجزيئات التي تتشكل أثناء عملية التفاعل، وكذلك اتجاهات حركتها اللاحقة.

لتوصيف التفاعلات الماصة للحرارة، تم تقديم هذا المفهوم عتبة الطاقة الحركية ، أو عتبة التفاعل النووي , أولئك. أدنى طاقة حركية لجسيم عارض (في الإطار المرجعي حيث تكون النواة المستهدفة في حالة سكون) والتي يصبح عندها التفاعل النووي ممكنًا. من قانون الحفاظ على الطاقة والزخم يترتب على ذلك أن طاقة عتبة التفاعل النووي يتم حسابها بالصيغة:

. (22.13)

هنا طاقة التفاعل النووي (7.12)؛ - كتلة النواة الثابتة – الهدف؛ هي كتلة الجسيم الساقط على النواة.

تفاعلات الانشطار. في عام 1938، اكتشف العلماء الألمان O. Hahn وF. Strassmann أنه عندما يتم قصف اليورانيوم بالنيوترونات، تظهر أحيانًا نوى يبلغ حجمها تقريبًا نصف حجم نواة اليورانيوم الأصلية. وسميت هذه الظاهرة الانشطار النووي.

إنه يمثل أول تفاعل تحول نووي تمت ملاحظته تجريبيًا. مثال على ذلك أحد التفاعلات الانشطارية المحتملة لنواة اليورانيوم 235:

تتم عملية الانشطار النووي بسرعة كبيرة في زمن يتراوح بين 10 إلى 12 ثانية. تبلغ الطاقة المنطلقة أثناء تفاعل مثل (22.14) حوالي 200 ميجا فولت لكل حدث انشطار لنواة اليورانيوم 235.

بشكل عام، يمكن كتابة التفاعل الانشطاري لنواة اليورانيوم 235 على النحو التالي:

+النيوترونات . (22.15)

ويمكن تفسير آلية تفاعل الانشطار في إطار النموذج الهيدروديناميكي للنواة. ووفقا لهذا النموذج، عندما يتم امتصاص النيوترون بواسطة نواة اليورانيوم، فإنه يدخل في حالة مثارة (الشكل 22.2).

الطاقة الزائدة التي تتلقاها النواة بسبب امتصاص النيوترون تسبب حركة أكثر كثافة للنيوكليونات. ونتيجة لذلك تتشوه النواة مما يؤدي إلى إضعاف التفاعل النووي قصير المدى. إذا كانت طاقة إثارة النواة أكبر من طاقة معينة تسمى طاقة التفعيل ثم تحت تأثير التنافر الكهروستاتيكي للبروتونات تنقسم النواة إلى قسمين، ينبعث منها النيوترونات الانشطارية . إذا كانت طاقة الإثارة عند امتصاص النيوترون أقل من طاقة التنشيط فإن النواة لا تصل

مرحلة حرجة من الانشطار، وبعد أن ينبعث منها الكم، تعود إلى المستوى الرئيسي

في الفيزياء، يشير مفهوم "القوة" إلى قياس تفاعل التكوينات المادية مع بعضها البعض، بما في ذلك تفاعل أجزاء المادة (الأجسام العيانية، الجسيمات الأولية) مع بعضها البعض ومع المجالات الفيزيائية (الكهرومغناطيسية، الجاذبية). في المجمل، هناك أربعة أنواع من التفاعلات في الطبيعة معروفة: القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية والجاذبية، ولكل منها نوع القوة الخاص بها. الأول منهم يتوافق مع القوى النووية المؤثرة داخل النوى الذرية.

ما الذي يوحد النواة؟

ومن المعروف أن نواة الذرة صغيرة الحجم، وحجمها أصغر بأربعة إلى خمسة أضعاف من حجم الذرة نفسها. وهذا يثير سؤالا واضحا: لماذا هو صغير جدا؟ ففي نهاية المطاف، لا تزال الذرات، المكونة من جسيمات صغيرة، أكبر بكثير من الجسيمات التي تحتوي عليها.

وعلى النقيض من ذلك، لا تختلف النوى كثيرًا في الحجم عن النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) التي تتكون منها. فهل هناك سبب لذلك أم أنها مصادفة؟

وفي الوقت نفسه، من المعروف أن القوى الكهربائية هي التي تحمل إلكترونات سالبة الشحنة بالقرب من النوى الذرية. ما القوة أو القوى التي تربط جزيئات النواة معًا؟ وتتم هذه المهمة بواسطة القوى النووية، وهي مقياس للتفاعلات القوية.

قوة نووية قوية

إذا لم يكن هناك في الطبيعة سوى قوى الجاذبية والكهرباء، أي. التي نواجهها في حياتنا اليومية، فإن النوى الذرية، التي غالبًا ما تتكون من العديد من البروتونات موجبة الشحنة، ستكون غير مستقرة: فالقوى الكهربائية التي تدفع البروتونات بعيدًا عن بعضها البعض ستكون أقوى بملايين المرات من أي قوى جاذبية تسحبها معًا إلى صديق. . توفر القوى النووية جاذبية أقوى من التنافر الكهربائي، على الرغم من أن ظل حجمها الحقيقي يتجلى في بنية النواة. وعندما ندرس بنية البروتونات والنيوترونات نفسها، نرى الإمكانيات الحقيقية لما يعرف بالقوة النووية القوية. القوى النووية هي مظهرها.

يوضح الشكل أعلاه أن القوتين المتعارضتين في النواة هما التنافر الكهربائي بين البروتونات موجبة الشحنة والقوة النووية التي تجذب البروتونات (والنيوترونات) معًا. إذا لم يكن عدد البروتونات والنيوترونات مختلفًا كثيرًا، فإن القوى الثانية تكون متفوقة على الأولى.

البروتونات هي نظيرات للذرات، والنواة هي نظيرات للجزيئات؟

بين أي الجسيمات تعمل القوى النووية؟ بادئ ذي بدء، بين النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات) في النواة. وفي النهاية، فإنها تعمل أيضًا بين الجسيمات (الكواركات، والجلونات، والكواركات المضادة) داخل البروتون أو النيوترون. وهذا ليس مفاجئًا عندما ندرك أن البروتونات والنيوترونات معقدة في جوهرها.

في الذرة، تكون النوى الصغيرة وحتى الإلكترونات الأصغر متباعدة نسبيًا مقارنة بحجمها، والقوى الكهربائية التي تجمعها معًا في الذرة بسيطة جدًا. لكن في الجزيئات، تكون المسافة بين الذرات مماثلة لحجم الذرات، وبالتالي فإن التعقيد الداخلي للأخيرة يلعب دورًا. يؤدي الوضع المتنوع والمعقد الناجم عن التعويض الجزئي للقوى الكهربائية داخل الذرة إلى ظهور عمليات يمكن للإلكترونات من خلالها الانتقال فعليًا من ذرة إلى أخرى. وهذا يجعل فيزياء الجزيئات أكثر ثراءً وتعقيدًا من فيزياء الذرات. وبالمثل، فإن المسافة بين البروتونات والنيوترونات في النواة يمكن مقارنتها بحجمها - وكما هو الحال مع الجزيئات، فإن خصائص القوى النووية التي تربط النوى معًا أكثر تعقيدًا بكثير من التجاذب البسيط بين البروتونات والنيوترونات.

ولا توجد نواة بدون نيوترون، باستثناء الهيدروجين

ومن المعروف أن نوى بعض العناصر الكيميائية تكون مستقرة، والبعض الآخر تتحلل بشكل مستمر، كما أن نطاق معدلات هذا الاضمحلال واسع جدًا. لماذا تتوقف القوى التي تحمل النيوكليونات في النواة عن العمل؟ دعونا نرى ما يمكن أن نتعلمه من اعتبارات بسيطة حول خصائص القوى النووية.

الأول هو أن جميع النوى، باستثناء نظير الهيدروجين الأكثر شيوعًا (الذي يحتوي على بروتون واحد فقط)، تحتوي على نيوترونات؛ أي أنه لا توجد نواة بها عدة بروتونات لا تحتوي على نيوترونات (انظر الشكل أدناه). لذا فمن الواضح أن النيوترونات تلعب دورًا مهمًا في مساعدة البروتونات على الالتصاق ببعضها البعض.

في التين. في الصورة أعلاه، تظهر النوى الخفيفة المستقرة أو شبه المستقرة مع النيوترون. والأخير، مثل التريتيوم، يظهر بخط منقط، مما يشير إلى أنه يضمحل في النهاية. المجموعات الأخرى التي تحتوي على عدد قليل من البروتونات والنيوترونات لا تشكل نواة على الإطلاق، أو تشكل نوى غير مستقرة للغاية. تظهر أيضًا بالخط المائل الأسماء البديلة التي تُعطى غالبًا لبعض هذه الكائنات؛ على سبيل المثال، غالبًا ما تسمى نواة الهيليوم -4 جسيم ألفا، وهو الاسم الذي أطلق عليها عندما تم اكتشافها في الأصل في الدراسات المبكرة للنشاط الإشعاعي في تسعينيات القرن التاسع عشر.

النيوترونات كرعاة للبروتونات

وعلى العكس من ذلك، لا توجد نواة مكونة من نيوترونات فقط دون بروتونات؛ تحتوي معظم النوى الخفيفة، مثل الأكسجين والسيليكون، على نفس العدد تقريبًا من النيوترونات والبروتونات (الشكل 2). تحتوي النوى الكبيرة ذات الكتل الكبيرة، مثل الذهب والراديوم، على نيوترونات أكثر بقليل من البروتونات.

وهذا يقول شيئين:

1. ليست هناك حاجة للنيوترونات فقط للحفاظ على البروتونات معًا، ولكن البروتونات ضرورية أيضًا للحفاظ على النيوترونات معًا.

2. إذا أصبح عدد البروتونات والنيوترونات كبيرا جدا، فيجب تعويض التنافر الكهربائي للبروتونات بإضافة عدد قليل من النيوترونات الإضافية.

البيان الأخير موضح في الشكل أدناه.

يوضح الشكل أعلاه نوى ذرية مستقرة وشبه مستقرة كدالة لـ P (عدد البروتونات) وN (عدد النيوترونات). يشير الخط الموضح بالنقاط السوداء إلى نوى مستقرة. أي تحول لأعلى أو لأسفل عن الخط الأسود يعني انخفاضًا في عمر النوى - وبالقرب منه يكون عمر النوى ملايين السنين أو أكثر، كلما انتقلت أكثر إلى المناطق الزرقاء أو البنية أو الصفراء (تتوافق الألوان المختلفة مع الألوان المختلفة). آليات التحلل النووي)، يصبح زمن حياتها أقصر فأقصر، وصولاً إلى جزء من الثانية.

لاحظ أن النوى المستقرة لها P وN متساوية تقريبًا مع P وN الصغيرة، لكن N تصبح تدريجيًا أكبر من P بعامل يزيد عن واحد ونصف. لاحظ أيضًا أن مجموعة النوى المستقرة وغير المستقرة طويلة العمر تظل في نطاق ضيق إلى حد ما لجميع قيم P حتى 82. عند الأعداد الأكبر، تكون النوى المعروفة غير مستقرة من حيث المبدأ (على الرغم من أنها يمكن أن توجد لملايين السنين ). من الواضح أن الآلية المذكورة أعلاه لتثبيت البروتونات في النوى عن طريق إضافة النيوترونات إليها في هذه المنطقة ليست فعالة بنسبة 100%.

كيف يعتمد حجم الذرة على كتلة إلكتروناتها؟

كيف تؤثر القوى قيد النظر على بنية النواة الذرية؟ تؤثر القوى النووية في المقام الأول على حجمها. لماذا النوى صغيرة جدًا مقارنة بالذرات؟ لمعرفة ذلك، لنبدأ بأبسط نواة، والتي تحتوي على بروتون ونيوترون معًا: وهي ثاني أكثر نظائر الهيدروجين شيوعًا، وهي ذرة تحتوي على إلكترون واحد (مثل جميع نظائر الهيدروجين) ونواة مكونة من بروتون واحد ونيوترون واحد . يُطلق على هذا النظير غالبًا اسم "الديوتيريوم"، وتسمى نواته أحيانًا "الديوتيريوم" (انظر الشكل 2). كيف يمكننا أن نفسر ما الذي يجعل الديوترون متماسكًا؟ حسنًا، يمكنك أن تتخيل أنها لا تختلف كثيرًا عن ذرة الهيدروجين العادية، التي تحتوي أيضًا على جسيمين (بروتون وإلكترون).

في التين. يظهر أعلاه أنه في ذرة الهيدروجين، تكون النواة والإلكترون متباعدين للغاية، بمعنى أن الذرة أكبر بكثير من النواة (والإلكترون أصغر). ولكن في الديوترون، المسافة بين البروتون والنيوترون مماثل لأحجامها. وهذا يفسر جزئيًا سبب كون القوى النووية أكثر تعقيدًا من القوى الموجودة في الذرة.

ومن المعروف أن كتلة الإلكترونات صغيرة مقارنة بالبروتونات والنيوترونات. إنه يتبع هذا

• كتلة الذرة قريبة بشكل أساسي من كتلة نواتها،
• حجم الذرة (حجم السحابة الإلكترونية) يتناسب عكسيًا مع كتلة الإلكترونات ويتناسب عكسيًا مع إجمالي القوة الكهرومغناطيسية؛ يلعب مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم دورًا حاسمًا.

ماذا لو كانت القوى النووية مشابهة للقوى الكهرومغناطيسية؟

ماذا عن الديوترون؟ وهي، مثل الذرة، مكونة من جسمين، لكن لهما نفس الكتلة تقريبًا (تختلف كتلتي النيوترون والبروتون بحوالي جزء واحد فقط في عام 1500)، لذا فإن كلا الجسيمين لهما نفس القدر من الأهمية في تحديد كتلة الديوترون وحجمه . لنفترض الآن أن القوة النووية تسحب البروتون نحو النيوترون بنفس طريقة القوى الكهرومغناطيسية (هذا ليس صحيحًا تمامًا، لكن تخيل للحظة)؛ ومن ثم، قياسًا على الهيدروجين، نتوقع أن يتناسب حجم الديوترون عكسيًا مع كتلة البروتون أو النيوترون، ويتناسب عكسيًا مع حجم القوة النووية. إذا كان حجمها هو نفسه (على مسافة معينة) مثل القوة الكهرومغناطيسية، فهذا يعني أنه بما أن البروتون أثقل بحوالي 1850 مرة من الإلكترون، فإن الديوترون (وفي الواقع أي نواة) يجب أن يكون أثقل بألف مرة على الأقل أصغر من الهيدروجين .

ما الذي يوفره الأخذ في الاعتبار الاختلاف الكبير بين القوى النووية والكهرومغناطيسية؟

لكننا خمننا بالفعل أن القوة النووية أكبر بكثير من القوة الكهرومغناطيسية (على نفس المسافة)، لأنه لو لم يكن الأمر كذلك، فلن نتمكن من منع التنافر الكهرومغناطيسي بين البروتونات حتى تتفكك النواة. وبالتالي فإن البروتون والنيوترون تحت تأثيره يجتمعان معًا بشكل أكثر إحكامًا. ولذلك ليس من المستغرب أن الديوترون والنوى الأخرى ليست أصغر بألف مرة فقط من الذرات، بل مائة ألف مرة! مرة أخرى، هذا فقط لأنه

• البروتونات والنيوترونات أثقل بحوالي 2000 مرة من الإلكترونات،
• عند هذه المسافات، تكون القوة النووية الكبيرة بين البروتونات والنيوترونات في النواة أكبر بعدة مرات من القوى الكهرومغناطيسية المقابلة (بما في ذلك التنافر الكهرومغناطيسي بين البروتونات في النواة).

هذا التخمين الساذج يعطي الإجابة الصحيحة تقريبًا! لكن هذا لا يعكس بشكل كامل مدى تعقيد التفاعل بين البروتون والنيوترون. إحدى المشاكل الواضحة هي أن القوة المشابهة للقوة الكهرومغناطيسية، ولكن بقوة جذب أو تنافر أكبر، يجب أن تظهر بوضوح في الحياة اليومية، لكننا لا نلاحظ شيئًا كهذا. لذا فإن شيئًا ما يتعلق بهذه القوة لا بد أن يكون مختلفًا عن القوى الكهربية.

نطاق القوة النووية قصير

وما يجعلها مختلفة هو أن القوى النووية التي تحافظ على النواة الذرية من التحلل مهمة جدًا وقوية بالنسبة للبروتونات والنيوترونات التي تكون على مسافة قصيرة جدًا من بعضها البعض، ولكن على مسافة معينة (ما يسمى "نطاق" القوة)، فإنها تسقط بسرعة كبيرة، أسرع بكثير من تلك الكهرومغناطيسية. وقد تبين أن النطاق يمكن أن يكون أيضًا بحجم نواة كبيرة إلى حد ما، أكبر بعدة مرات فقط من البروتون. إذا وضعت بروتونًا ونيوترونًا على مسافة مماثلة لهذا النطاق، فسوف يتجاذبان ويشكلان الديوترون؛ إذا تم فصلهم بمسافة أكبر، فلن يشعروا بأي انجذاب على الإطلاق. في الواقع، إذا تم وضعها بالقرب من بعضها البعض إلى النقطة التي تبدأ عندها بالتداخل، فإنها في الواقع سوف تتنافر. وهذا يكشف عن مدى تعقيد مفهوم مثل القوات النووية. تستمر الفيزياء في التطور بشكل مستمر في اتجاه شرح آلية عملها.

الآلية الفيزيائية للتفاعل النووي

يجب أن تحتوي كل عملية مادية، بما في ذلك التفاعل بين النيوكليونات، على حاملات مادية. إنها كمات المجال النووي - بي ميسون (بيونات)، بسبب التبادل الذي ينشأ فيه الجذب بين النيوكليونات.

وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم، فإن البي ميزونات، التي تظهر باستمرار وتختفي على الفور، تشكل شيئًا مثل السحابة حول نيوكليون "عارٍ"، يسمى طبقة الميزون (تذكر سحب الإلكترون في الذرات). عندما يجد نيوكليونان محاطان بمثل هذه الطبقات نفسيهما على مسافة حوالي 10 -15 مترًا، يحدث تبادل للبيونات، على غرار تبادل إلكترونات التكافؤ في الذرات أثناء تكوين الجزيئات، وينشأ التجاذب بين النيوكليونات.

إذا أصبحت المسافات بين النيوكليونات أقل من 0.7∙10 -15 م، فإنها تبدأ في تبادل جزيئات جديدة - ما يسمى. ω و ρ-الميزونات، ونتيجة لذلك لا يوجد تجاذب، ولكن يحدث تنافر بين النيوكليونات.

القوى النووية: تركيب النواة من الأبسط إلى الأكبر

وتلخيصا لكل ما سبق يمكننا أن نلاحظ:

• القوة النووية القوية أضعف بكثير من القوة الكهرومغناطيسية على مسافات أكبر بكثير من حجم النواة النموذجية، لذلك لا نواجهها في الحياة اليومية؛ لكن
• على مسافات قصيرة مماثلة للنواة، تصبح أقوى بكثير - القوة الجذابة (بشرط ألا تكون المسافة قصيرة جدًا) قادرة على التغلب على التنافر الكهربائي بين البروتونات.

لذا، فإن هذه القوة لا تؤثر إلا على مسافات مماثلة لحجم النواة. ويبين الشكل أدناه اعتمادها على المسافة بين النيوكليونات.

يتم ربط النوى الكبيرة ببعضها البعض بنفس القوة التي تربط الديوترون معًا، لكن تفاصيل العملية معقدة للغاية لدرجة أنه ليس من السهل وصفها. كما أنها ليست مفهومة تماما. على الرغم من أن الخطوط العريضة الأساسية للفيزياء النووية كانت مفهومة جيدًا لعقود من الزمن، إلا أن العديد من التفاصيل المهمة لا تزال قيد التحقيق النشط.