ویژگی های نیروهای هسته ای خواص نیروهای هسته ای نیروهای هسته ای چه نام دارند و چه ویژگی هایی دارند

نیروهای هسته ای جاذبه ایجاد می کنند- این از حقیقت وجود هسته های پایدار متشکل از پروتون ها و نوترون ها ناشی می شود.

نیروهای هسته ای در قدر مطلق عالی هستند.عمل آنها در فواصل کوتاه به طور قابل توجهی بیشتر از عمل همه نیروهای شناخته شده در طبیعت، از جمله نیروهای الکترومغناطیسی است.

تاکنون چهار نوع تعامل را می شناسیم:

الف) فعل و انفعالات قوی (هسته ای)؛

ب) فعل و انفعالات الکترومغناطیسی؛

ج) فعل و انفعالات ضعیف، به ویژه در ذرات که فعل و انفعالات قوی و الکترومغناطیسی را نشان نمی دهند (نوترینوها) به وضوح مشاهده می شود.

د) فعل و انفعالات گرانشی.

مقایسه نیروها برای این نوع برهمکنش ها را می توان با استفاده از سیستمی از واحدها به دست آورد که در آن ثابت های برهمکنش مشخصه مربوط به این نیروها (مربع "بارها") بدون بعد هستند.

بنابراین، برای برهمکنش درون هسته ای از دو نوکلئون که همه این نیروها را دارند، ثابت های برهمکنش از این ترتیب هستند:

نیروهای هسته ای وجود هسته ها را تضمین می کنند. الکترومغناطیسی - اتم ها و مولکول ها. میانگین انرژی اتصال یک نوکلئون در هسته برابر است با انرژی استراحت نوکلئون کجاست. انرژی اتصال یک الکترون در اتم هیدروژن فقط به این معناست که انرژی استراحت الکترون کجاست. بنابراین، در این مقیاس، انرژی های اتصال به عنوان ثابت های مشخصه مرتبط هستند:

فعل و انفعالات ضعیف مسئول چنین تأثیرات ظریفی مانند دگرگونی های متقابل از طریق واپاشی و گرفتن (نگاه کنید به § 19)، برای فروپاشی مختلف ذرات بنیادی، و همچنین برای تمام فرآیندهای برهمکنش نوترینوها با ماده هستند.

پایداری اجرام و سیستم های کیهانی با فعل و انفعالات گرانشی مرتبط است.

نیروهای برهمکنش نوع دوم و چهارم با فاصله کاهش می‌یابند، یعنی کاملاً آهسته و در نتیجه دوربرد هستند. فعل و انفعالات نوع اول و سوم با فاصله خیلی سریع کاهش می یابد و بنابراین کوتاه برد هستند.

نیروهای هسته ای کوتاه برد هستند.این به شرح زیر است: الف) از آزمایش های رادرفورد در مورد پراکندگی ذرات توسط هسته های نور (برای فواصل بیش از سانتی متر، نتایج تجربی

با برهمکنش صرفا کولنی ذرات - با هسته توضیح داده می شود، اما در فواصل کوچکتر، انحرافات از قانون کولن به دلیل نیروهای هسته ای رخ می دهد. نتیجه این است که دامنه عمل نیروهای هسته ای در هر صورت کمتر است

ب) از مطالعه فروپاشی هسته های سنگین (نگاه کنید به § 15).

ج) از آزمایش‌های مربوط به پراکندگی نوترون‌ها توسط پروتون‌ها و پروتون‌ها توسط پروتون‌ها.

بیایید با کمی جزئیات بیشتر به آنها نگاه کنیم.

برنج. 17. ذرات و هدف پراکنده

در انرژی های کم نوترون، پراکندگی آنها در مرکز سیستم اینرسی همسانگرد است. در واقع، یک ذره کلاسیک با تکانه اگر در فواصل کوچکتر پرواز کند، به یک هدف پراکنده با شعاع عمل نیروهای هسته‌ای «گیر» می‌آورد، یعنی اگر مؤلفه تکانه زاویه‌ای آن در جهت عمود بر صفحه مسیر بیشتر نباشد. کوهها (شکل 17).

اما با توجه به رابطه دو بروگلی برای یک ذره برخوردی، بنابراین،

با این حال، حداکثر مقدار پیش بینی تکانه مداری یک ذره فقط می تواند برابر باشد

بنابراین، برای مقدار a، تابع موجی که وضعیت سیستم را توصیف می‌کند به صورت کروی در c متقارن است. ج یعنی در این سیستم پراکندگی باید همسانگرد باشد.

زمانی که پراکندگی دیگر همسانگرد نخواهد بود. با کاهش انرژی نوترون های برخوردی و در نتیجه افزایش آن، می توان مقدار آن را پیدا کرد که در آن همسانگردی پراکندگی حاصل می شود. این یک تخمین از برد نیروهای هسته ای را ارائه می دهد.

حداکثر انرژی نوترونی که در آن پراکندگی متقارن کروی هنوز مشاهده می شد برابر بود با این امکان تعیین حد بالایی شعاع عمل نیروهای هسته ای را فراهم کرد؛ معلوم شد که برابر با سانتی متر است.

علاوه بر این، هنگامی که یک شار پروتون بر روی یک هدف پروتونی پراکنده می شود، می توان مقدار مورد انتظار سطح مقطع موثر فرآیند را محاسبه کرد اگر فقط نیروهای کولن عمل کنند. با این حال، زمانی که ذرات به هم نزدیک می شوند، نیروهای هسته ای شروع به تسلط می کنند

در بالای پروتون های کولن، و توزیع پروتون های پراکنده تغییر می کند.

از چنین آزمایشاتی مشخص شد که نیروهای هسته ای با افزایش فاصله بین پروتون ها به شدت کاهش می یابد. مساحت عمل آنها بسیار کوچک است و همچنین در مرتبه قدر سانتی متر است. متاسفانه نتایج آزمایشات روی پراکندگی نوکلئون های کم انرژی اطلاعاتی در مورد قانون تغییر نیروهای هسته ای با فاصله ارائه نمی دهد. شکل دقیق چاه پتانسیل نامشخص است.

آزمایش‌ها برای مطالعه خواص دو نوکلئون محدود در یک هسته دوترون نیز به ما اجازه نمی‌دهند که قانون تغییر پتانسیل میدان نیروی هسته‌ای را با فاصله مشخص کنیم. دلیل آن در شعاع عمل کوچک غیرمعمول نیروهای هسته ای و قدر بسیار زیاد آنها در شعاع عمل نهفته است. به عنوان اولین تقریب پتانسیل توصیف کننده خواص دوترون، می توانیم طیف نسبتاً گسترده ای از توابع مختلف را در نظر بگیریم که باید به سرعت با فاصله کاهش یابد.

داده های تجربی تقریباً با توابع زیر برآورده می شوند.

برنج. 18. اشکال احتمالی چاه پتانسیل دوترون: الف - چاه مستطیلی; چاه نمایی؛ c شکل چاه در پتانسیل یوکاوا است. -خوب در یک پتانسیل با مرکز دافعه جامد

1. چاه پتانسیل مستطیلی (شکل 18a):

که در آن شعاع عمل نیروهای هسته ای، فاصله بین مراکز دو نوکلئون متقابل است.

2. تابع نمایی (شکل 18، ب):

3. پتانسیل مزون یوکاوا (شکل 18c):

4. پتانسیل با وسط دافعه جامد (شکل 18d):

مطالعه دقیق ساختار پراکندگی و مقایسه با محاسبات نظری به نفع مورد دوم از این اشکال صحبت می کند. در حال حاضر، از فرم های پیچیده تری برای محاسبات استفاده می شود که تطابق بهتری با داده های تجربی فراهم می کند.

در همه موارد عمق چاه پتانسیل مرتبه چند ده است مقدار در مورد پتانسیل با وسط دافعه از مرتبه دهم فرمی است.

نیروهای هسته ای به بارهای الکتریکی ذرات برهم کنش وابسته نیستند.نیروهای متقابل بین یا یکسان هستند. این ویژگی از حقایق زیر ناشی می شود.

در هسته‌های پایدار نور، زمانی که دافعه الکترومغناطیسی هنوز نادیده گرفته می‌شود، تعداد پروتون‌ها برابر با تعداد نوترون‌ها است، بنابراین، نیروهای وارده بین آنها برابر است، در غیر این صورت تغییر در جهتی (یا یا

هسته‌های آینه‌ای نور (هسته‌هایی که از جایگزینی نوترون‌ها با پروتون‌ها به دست می‌آیند و برعکس، برای مثال، دارای سطوح انرژی یکسانی هستند.

آزمایش‌هایی که روی پراکندگی نوترون‌ها توسط پروتون‌ها و پروتون‌ها توسط پروتون‌ها انجام شد، نشان می‌دهد که میزان جاذبه هسته‌ای یک پروتون با یک پروتون و یک نوترون با یک پروتون یکسان است.

این ویژگی نیروهای هسته ای اساسی است و نشان دهنده تقارن عمیقی است که بین دو ذره وجود دارد: پروتون و نوترون. آن را استقلال بار (یا تقارن) نامیدند و این امکان را فراهم کرد که پروتون و نوترون را به عنوان دو حالت از یک ذره - نوکلئون در نظر بگیریم.

بنابراین، نوکلئون دارای یک درجه آزادی داخلی اضافی است - بار - که در رابطه با آن دو حالت ممکن است: پروتون و نوترون. این مشابه خواص اسپین ذرات است: اسپین همچنین علاوه بر حرکت در فضا، درجه آزادی درونی ذره است که در رابطه با آن الکترون (یا نوکلئون) فقط دو حالت ممکن دارد. مکانیک کوانتومی متوالی

توصیف این دو درجه آزادی: بار و اسپین - به طور رسمی یکسان است. بنابراین، مرسوم است که درجه آزادی بار را به صورت بصری با استفاده از یک فضای سه بعدی معمولی که ایزوتوپی نامیده می شود، توصیف می شود و حالت یک ذره (نوکلئون) در این فضا با یک اسپین ایزوتوپی مشخص می شود.

بیایید به این موضوع با جزئیات بیشتری نگاه کنیم و به مفهوم چرخش معمولی برگردیم.

فرض کنید دو الکترون وجود دارد که همانطور که می دانیم کاملاً یکسان هستند. هر دوی آنها حرکت زاویه ای خود را دارند - چرخش. با این حال، جهت چرخش آنها قابل تشخیص نیست. اکنون اجازه دهید آنها را در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار دهیم. با توجه به اصول اولیه مکانیک کوانتومی، "محور چرخش" هر ذره فقط می تواند موقعیت های کاملاً مشخصی را نسبت به این میدان خارجی اشغال کند. محور اسپین ذرات با اسپین برابر می تواند در امتداد یا جهت میدان جهت گیری شود (شکل 19). ذره ای با تکانه می تواند حالت هایی داشته باشد. الکترونی که 2 حالت دارد. ارزش پیش بینی های اسپین می تواند باشد این منجر به این واقعیت می شود که ذرات در یک میدان مغناطیسی اکنون می توانند انرژی های متفاوتی داشته باشند و تشخیص آنها از یکدیگر ممکن می شود. این نشان می دهد که حالت الکترون به دلیل خواص مغناطیسی آن دوتایی است.

بدون میدان مغناطیسی خارجی، هیچ راهی برای جدا کردن دو حالت ممکن یک الکترون وجود ندارد. گفته می شود که ایالت ها به حالت های غیرقابل تشخیص "انحطاط" می یابند.

وضعیت مشابهی در اتم هیدروژن رخ می دهد. برای مشخص کردن حالات اتم، یک عدد کوانتومی مداری معرفی می‌شود که تکانه زاویه‌ای مداری اتم‌ها را مشخص می‌کند. یک اتم با یک I داده شده می تواند حالت هایی داشته باشد، زیرا در یک میدان خارجی فقط مقادیر کاملاً مشخصی از پیش بینی های I بر روی جهت میدان می تواند وجود داشته باشد (از - I تا در حالی که میدان خارجی وجود ندارد، حالت چند برابر می شود. .

کشف نوترون منجر به ایده وجود پدیده ای مشابه انحطاط مغناطیسی الکترون شد.

از این گذشته، استقلال بار نیروهای هسته ای به این معنی است که در یک برهمکنش قوی، یک پروتون و یک نوترون مانند یک ذره رفتار می کنند. آنها فقط در صورتی قابل تشخیص هستند که برهمکنش الکترومغناطیسی را در نظر بگیریم. اگر تصور کنیم که LED های الکترومغناطیسی را می توان به نحوی "خاموش" کرد (شکل 20، الف)، آنگاه پروتون و نوترون به ذرات غیرقابل تشخیص تبدیل می شوند و حتی جرم آنها برابر می شود (برای جزئیات بیشتر در مورد برابری جرم ها؛ به بند 12 مراجعه کنید. ). بنابراین، یک سیکلون را می توان به عنوان یک "دوبار بار" در نظر گرفت که در آن یک حالت نشان دهنده یک پروتون و دیگری یک نوترون است. اگر نیروهای الکترومغناطیسی را در نظر بگیرید، مشروط

ارائه شده در شکل 20b با یک خط نقطه چین، سپس نیروهای الکتریکی بسته به بار به نیروهای مستقل از بار قبلی اضافه می شود.

برنج. 19. جهت گیری اسپین الکترون در میدان مغناطیسی

برنج. 20. تفاوت بین پروتون و نوترون به دلیل برهمکنش الکترومغناطیسی

انرژی ذرات باردار با انرژی ذرات خنثی متفاوت است و پروتون و نوترون را می توان از هم جدا کرد. در نتیجه، توده های استراحت آنها برابر نخواهد بود.

هایزنبرگ به منظور توصیف وضعیت یک نوکلئون در یک هسته، یک مفهوم کاملاً رسمی از اسپین ایزوتوپی را معرفی کرد که بر اساس قیاس با اعداد کوانتومی، باید تعداد حالات انحطاط یک نوکلئون را برابر با کلمه «ایزوتوپی» بیان کند. که پروتون و نوترون از نظر خصوصیات نزدیک هستند (ایزوتوپ ها - اتم هایی با خواص شیمیایی یکسان که در تعداد نوترون های هسته متفاوت هستند).

کلمه "اسپین" در این مفهوم از یک قیاس کاملاً ریاضی با چرخش معمولی یک ذره ناشی شده است.

ذکر این نکته ضروری است که بردار مکانیکی کوانتومی اسپین ایزوتوپی نه در فضای معمولی، بلکه در فضای معمولی که فضای ایزوتوپی یا بار نامیده می شود، معرفی شده است. دومی، بر خلاف محورهای معمولی، با محورهای شرطی مشخص می شود. در این فضا، ذره نمی تواند به صورت انتقالی حرکت کند، بلکه فقط می چرخد.

بنابراین، اسپین ایزوتوپی باید به عنوان یک مشخصه ریاضی در نظر گرفته شود که یک پروتون را از یک نوترون متمایز می کند. از نظر فیزیکی آنها در رابطه متفاوتی با میدان الکترومغناطیسی ریخته می شوند.

اسپین ایزوتوپی یک نوکلئون برابر است و دارای مولفه هایی است و نسبت به محور برجستگی روی این محور نشان داده می شود. به طور متعارف پذیرفته شد که برای یک پروتون و برای یک نوترون، یعنی یک پروتون زمانی که ایزوتوپی به نوترون تبدیل می شود. اسپین در فضای ایزوتوپی 180 درجه می چرخد.

هنگام استفاده از این تکنیک رسمی، وابستگی بار به شکل یک قانون بقا به خود می گیرد: در طول برهم کنش نوکلئون ها، کل اسپین ایزوتوپی و طرح ریزی آن بدون تغییر باقی می مانند.

این قانون بقا را می توان به طور رسمی به عنوان پیامد استقلال قوانین فیزیکی از چرخش در فضای ایزوتوپی در نظر گرفت. با این حال، این قانون حفاظت تقریبی است. تا حدی معتبر است که نیروهای الکترومغناطیسی را بتوان نادیده گرفت و ممکن است اندکی نقض شود - به اندازه نسبت نیروهای الکترومغناطیسی و هسته ای. معنای فیزیکی آن در این واقعیت نهفته است که نیروهای هسته ای در سیستم ها یکسان هستند.

ما در فصل ذرات بنیادی به مفهوم اسپین ایزوتوپی باز خواهیم گشت، که برای آن معنای بیشتری پیدا می کند.

نیروهای هسته ای به اسپین بستگی دارند.وابستگی نیروهای هسته ای به اسپین از حقایق زیر ناشی می شود.

همان هسته در حالت هایی با اسپین های مختلف دارای انرژی های اتصال متفاوت است. به عنوان مثال، انرژی اتصال یک دوترون که در آن اسپین ها موازی هستند، برابر است؛ در اسپین های ضد موازی، هیچ حالت پایداری وجود ندارد.

پراکندگی نوترون-پروتون به جهت گیری اسپین حساس است. احتمال برهمکنش بین نوترون ها و پروتون ها از لحاظ نظری با این فرض محاسبه شد که پتانسیل برهمکنش به اسپین بستگی ندارد. معلوم شد که نتایج تجربی با ضریب پنج تفاوت با نتایج نظری دارد.

اگر در نظر بگیریم که تعامل به جهت گیری نسبی اسپین ها بستگی دارد، اختلاف حذف می شود.

وابستگی نیروهای هسته ای به جهت گیری اسپین در آزمایشات روی پراکندگی نوترون بر روی مولکول های ارتو و پارا هیدروژن آشکار می شود.

واقعیت این است که دو نوع مولکول هیدروژن وجود دارد: در یک مولکول ارتو هیدروژن، اسپین های دو پروتون با یکدیگر موازی هستند، اسپین کل 1 است و می تواند سه جهت داشته باشد (به اصطلاح حالت سه گانه). در یک مولکول پارا هیدروژن، اسپین ها ضد موازی هستند، اسپین کل صفر است و یک حالت واحد ممکن است (به اصطلاح حالت منفرد)،

نسبت بین تعداد مولکول های ارتو و پارا هیدروژن در دمای اتاق است این نسبت با تعداد حالت های ممکن تعیین می شود.

انرژی حالت پارا پایه کمتر از انرژی حالت ارگوی پایه است. در دماهای پایین، مولکول های ارتو هیدروژن به مولکول های پارا هیدروژن تبدیل می شوند. در حضور یک کاتالیزور، این تبدیل به سرعت انجام می شود و می توان هیدروژن مایع را در حالت خالص پارا هیدروژن به دست آورد. چه زمانی

پراکندگی نوترون ها بر روی هیدروژن ارتو، اسپین نوترون یا موازی با اسپین های هر دو پروتون است یا ضد موازی با هر دو. یعنی تنظیماتی وجود دارد:

هنگامی که توسط پارا هیدروژن پراکنده می شود، اسپین نوترون همیشه موازی با اسپین یک پروتون و ضد موازی با اسپین پروتون دیگر است. صرف نظر از جهت گیری مولکول پارا هیدروژن، پیکربندی دارای ویژگی است.

برنج. 21 پراکندگی نوترون بر روی مولکول های هیدروژن

اجازه دهید پراکندگی را به عنوان یک فرآیند موجی در نظر بگیریم. اگر پراکندگی به جهت‌گیری متقابل اسپین‌ها بستگی داشته باشد، اثر تداخل مشاهده‌شده امواج نوترونی پراکنده شده توسط هر دو پروتون برای فرآیندهای پراکندگی روی مولکول‌های ارتو و پارا هیدروژن به‌طور قابل‌توجهی متفاوت خواهد بود.

انرژی نوترون ها چقدر باید باشد تا تفاوت در پراکندگی قابل توجه باشد؟ در یک مولکول، پروتون ها در فاصله ای چند برابر بیشتر از شعاع نیروهای هسته ای قرار دارند. سانتی متر بنابراین، به دلیل خواص موجی نوترون، فرآیند پراکندگی می تواند به طور همزمان روی هر دو پروتون اتفاق بیفتد اگر (شکل 21). موج د بروگلی برای این کار لازم است

برای نوترونی که جرم آن معادل انرژی است

نیروهای هسته ای دارای خاصیت اشباع هستند.همانطور که قبلاً در بند 4 ذکر شد ، خاصیت اشباع نیروهای هسته ای در این واقعیت آشکار می شود که انرژی اتصال یک هسته متناسب با تعداد نوکلئون های هسته - A است و نه

این ویژگی نیروهای هسته ای نیز از پایداری هسته های سبک ناشی می شود. برای مثال، افزودن بیشتر و بیشتر ذرات جدید به دوترون غیرممکن است؛ تنها یک چنین ترکیبی با یک نوترون-تریتیوم اضافی شناخته شده است. بنابراین یک پروتون می تواند حالت های محدودی را با حداکثر دو نوترون تشکیل دهد.

برای توضیح اشباع هایزنبرگ، پیشنهاد شد که نیروهای هسته ای ماهیت تبادلی دارند.

نیروهای هسته ای ماهیت تبادلی دارند.برای اولین بار، ماهیت تبادل نیروهای پیوند شیمیایی ایجاد شد: یک پیوند در نتیجه انتقال الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر تشکیل می شود. نیروهای الکترومغناطیسی را می توان به عنوان نیروهای مبادله نیز طبقه بندی کرد: برهمکنش بارها با این واقعیت توضیح داده می شود که آنها y-quanta را مبادله می کنند. با این حال، در این مورد اشباع وجود ندارد، زیرا تبادل y-quanta خواص هر ذره را تغییر نمی دهد.

خاصیت تبادل نیروهای هسته ای در این واقعیت آشکار می شود که در طول یک برخورد، نوکلئون ها می توانند ویژگی هایی مانند بار، برآمدگی اسپین و غیره را به یکدیگر منتقل کنند.

ماهیت تبادل با آزمایش‌های مختلف تأیید می‌شود، برای مثال، با نتایج اندازه‌گیری توزیع زاویه‌ای نوترون‌های پرانرژی زمانی که توسط پروتون‌ها پراکنده می‌شوند. بیایید به این موضوع با جزئیات بیشتری نگاه کنیم.

در فیزیک هسته‌ای، زمانی انرژی زیاد نامیده می‌شود که موج دی بروگل ذره رابطه را برآورده کند.

برای نوکلئون ها، طول موج دو بروگل با معادله با انرژی جنبشی مرتبط است

و بنابراین، انرژی جنبشی یک نوکلئون را می توان زیاد نامید اگر به طور قابل توجهی بیشتر باشد

مکانیک کوانتومی امکان به دست آوردن وابستگی مقطع پراکندگی مؤثر به انرژی نوترون‌های فرودی و زاویه پراکندگی را در صورت شناخته شدن پتانسیل برهم‌کنش ممکن می‌سازد.

محاسبات نشان می دهد که برای یک پتانسیل مانند یک چاه مستطیلی، مقطع پراکندگی باید بسته به انرژی ذرات متفاوت باشد و همچنین پراکندگی خود باید در یک زاویه کوچک رخ دهد.بنابراین، توزیع زاویه ای نوترون های پراکنده در مرکز سیستم اینرسی باید حداکثر در جهت حرکت خود داشته باشد و توزیع پروتون های پس زدن باید حداکثر در جهت مخالف داشته باشد.

به طور تجربی، نه تنها یک قله در توزیع زاویه‌ای به سمت جلو، بلکه یک قله دوم در جهت عقب برای نوترون‌ها کشف شد (شکل 22).

برنج. 22. وابستگی سطح مقطع دیفرانسیل برای پراکندگی نوترون به پروتون در زاویه پراکندگی

نتایج تجربی را تنها با این فرض می‌توان توضیح داد که نیروهای مبادله بین نوکلئون‌ها عمل می‌کنند و در طول فرآیند پراکندگی، نوترون‌ها و پروتون‌ها بارهای خود را مبادله می‌کنند، یعنی پراکندگی با «تبادل بار» اتفاق می‌افتد. در این حالت، بخشی از نوترون‌ها به پروتون تبدیل می‌شوند و پروتون‌ها در حال پرواز در جهت نوترون‌های فرودنده، به اصطلاح پروتون‌های تبادل بار، مشاهده می‌شوند. در همان زمان، بخشی از پروتون ها به نوترون تبدیل می شود و به عنوان نوترون های پراکنده در s ثبت می شود.

نقش نسبی تبادل و نیروهای معمولی با نسبت تعداد نوترون هایی که به سمت عقب پرواز می کنند به تعداد نوترون هایی که به جلو پرواز می کنند تعیین می شود.

بر اساس مکانیک کوانتومی می توان ثابت کرد که وجود نیروهای مبادله همیشه منجر به پدیده اشباع می شود، زیرا یک ذره نمی تواند از طریق تبادل با بسیاری از ذرات به طور همزمان تعامل داشته باشد.

با این حال، مطالعه دقیق‌تر آزمایش‌ها روی پراکندگی نوکلئون-نوکلئون نشان می‌دهد که اگرچه نیروهای برهمکنش در واقع ماهیت تبادلی دارند، اما مخلوط پتانسیل معمولی با پتانسیل تبادلی به‌گونه‌ای است که نمی‌تواند اشباع را به طور کامل توضیح دهد. یکی دیگر از خواص نیروهای هسته ای نیز کشف شده است. معلوم می‌شود که اگر در فواصل زیاد بین نوکلئون‌ها نیروهای عمدتاً جذابی عمل کنند، وقتی نوکلئون‌ها به هم نزدیک می‌شوند (در فاصله‌ای از مرتبه سانتی‌متر)، یک دافعه شدید رخ می‌دهد. این را می توان با وجود هسته هایی در نوکلئون ها توضیح داد که یکدیگر را دفع می کنند.

محاسبات نشان می دهد که این هسته ها هستند که در درجه اول مسئول اثر اشباع هستند. در این رابطه، ظاهراً تعامل هسته‌ای باید با یک پتانسیل غیریکنواخت مانند یک چاه مستطیلی مشخص شود (شکل یک تابع پیچیده با ویژگی در فواصل کوچک (شکل 18d).

یک هسته اتمی که از تعداد معینی پروتون و نوترون تشکیل شده است، یک کل واحد است که در اثر نیروهای خاصی که بین هسته‌های هسته وارد می‌شود، نامیده می‌شود. اتمی.به طور تجربی ثابت شده است که نیروهای هسته ای مقادیر بسیار بزرگی دارند، بسیار بیشتر از نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون ها. این در این واقعیت آشکار می شود که انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در هسته بسیار بیشتر از کار انجام شده توسط نیروهای دافعه کولن است. اجازه دهید ویژگی های اصلی نیروهای هسته ای را در نظر بگیریم.

1. نیروهای هسته ای هستند نیروهای جاذبه کوتاه برد . آنها فقط در فواصل بسیار کوچک بین نوکلئون ها در یک هسته از مرتبه 15-10 متر ظاهر می شوند. طول (1.5-2.2) 10-15 متر نامیده می شود. برد نیروهای هسته ایآنها با افزایش فاصله بین نوکلئون ها به سرعت کاهش می یابند. در فاصله (2-3) متر، تعامل هسته ای عملا وجود ندارد.

2. نیروهای هسته ای دارای خاصیت هستند اشباع, آن ها هر نوکلئون فقط با تعداد معینی از نزدیکترین همسایگان تعامل دارد. این ماهیت نیروهای هسته ای در ثبات تقریبی انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در تعداد بار آشکار می شود. آ> 40. در واقع، اگر اشباع وجود نداشته باشد، انرژی اتصال ویژه با تعداد نوکلئون‌های هسته افزایش می‌یابد.

3. ویژگی نیروهای هسته ای نیز آنهاست استقلال شارژ ، یعنی آنها به بار نوکلئون ها بستگی ندارند، بنابراین برهمکنش های هسته ای بین پروتون ها و نوترون ها یکسان است. استقلال بار نیروهای هسته ای از مقایسه انرژی های اتصال قابل مشاهده است. هسته های آینه ای.این همان چیزی است که به هسته ها گفته می شود, که در آن تعداد کل نوکلئون ها یکسان است, اما تعداد پروتون های یکی برابر با تعداد نوترون های دیگری است. به عنوان مثال، انرژی اتصال هسته هلیوم و هیدروژن-تریتیوم سنگین به ترتیب 7.72 است. MeVو 8.49 MeVتفاوت در انرژی های اتصال این هسته ها، برابر با 0.77 مگا الکترون ولت، مربوط به انرژی دافعه کولن دو پروتون در هسته است. با فرض مساوی بودن این مقدار، می توانیم میانگین فاصله را دریابیم rبین پروتون ها در هسته 1.9·10-15 متر است که با شعاع عمل نیروهای هسته ای مطابقت دارد.

4. نیروهای هسته ای مرکزی نیستند و به جهت گیری متقابل اسپین های نوکلئون های متقابل بستگی دارد. این با ماهیت متفاوت پراکندگی نوترون توسط مولکول های ارتو و پاراهیدروژن تایید می شود. در یک مولکول ارتوهیدروژن، اسپین های هر دو پروتون با یکدیگر موازی هستند، در حالی که در یک مولکول پاراهیدروژن ضد موازی هستند. آزمایشات نشان داده است که پراکندگی نوترون از پاراهیدروژن 30 برابر بیشتر از پراکندگی از ارتوهیدروژن است.

ماهیت پیچیده نیروهای هسته ای اجازه توسعه یک نظریه منفرد و منسجم از برهم کنش هسته ای را نمی دهد، اگرچه رویکردهای مختلفی ارائه شده است. با توجه به فرضیه فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa (1907-1981)، که او در سال 1935 پیشنهاد کرد، نیروهای هسته ای توسط تبادل ایجاد می شوند - مزون ها، یعنی. ذرات بنیادی که جرم آنها تقریباً 7 برابر کمتر از جرم نوکلئون ها است. طبق این مدل زمان نوکلئونی متر- جرم مزون) یک مزون ساطع می کند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کند و مسافتی را طی می کند و پس از آن توسط نوکلئون دوم جذب می شود. به نوبه خود، نوکلئون دوم نیز مزون ساطع می کند که توسط اولی جذب می شود. بنابراین، در مدل H. Yukawa، فاصله ای که در آن نوکلئون ها برهم کنش می کنند، توسط طول مسیر مزون تعیین می شود که مربوط به فاصله ای در حدود است. مترو به ترتیب بزرگی با شعاع عمل نیروهای هسته ای منطبق است.

سوال 26. واکنش های شکافت. در سال 1938، دانشمندان آلمانی O. Hahn (1879-1968) و F. Strassmann (1902-1980) کشف کردند که وقتی اورانیوم با نوترون ها بمباران می شود، گاهی اوقات هسته هایی ظاهر می شوند که تقریباً نصف هسته اصلی اورانیوم هستند. این پدیده نامیده شد همجوشی هستهای.

این اولین واکنش دگرگونی هسته ای مشاهده شده را نشان می دهد. یک مثال یکی از واکنش های شکافت احتمالی هسته اورانیوم 235 است:

فرآیند شکافت هسته ای بسیار سریع (در حدود 10-12 ثانیه) پیش می رود. انرژی آزاد شده در طی یک واکنش از نوع (7.14) تقریباً 200 مگا ولت در هر رویداد شکافت هسته اورانیوم 235 است.

به طور کلی، واکنش شکافت هسته اورانیوم 235 را می توان به صورت زیر نوشت:

نوترون ها (7.15)

مکانیسم واکنش شکافت را می توان در چارچوب مدل هیدرودینامیکی هسته توضیح داد. بر اساس این مدل، هنگامی که یک نوترون توسط یک هسته اورانیوم جذب می شود، به حالت برانگیخته می رود (شکل 7.2).

انرژی اضافی که هسته در اثر جذب یک نوترون دریافت می کند باعث حرکت شدیدتر نوکلئون ها می شود. در نتیجه، هسته تغییر شکل می‌یابد که منجر به تضعیف برهم‌کنش هسته‌ای کوتاه‌برد می‌شود. اگر انرژی برانگیختگی هسته از انرژی معینی بیشتر باشد نامیده می شود انرژی فعال سازی سپس تحت تأثیر دافعه الکترواستاتیکی پروتون ها، هسته به دو قسمت تقسیم می شود و ساطع می کند. نوترون های شکافت . اگر انرژی برانگیختگی در هنگام جذب یک نوترون کمتر از انرژی فعال سازی باشد، هسته به آن نمی رسد.

مرحله بحرانی شکافت و با گسیل یک کوانتوم به زمین باز می گردد

حالت.

یکی از ویژگی های مهم واکنش شکافت هسته ای، توانایی اجرای یک واکنش زنجیره ای هسته ای خودپایدار بر اساس آن است. . این به این دلیل است که هر رویداد شکافت به طور متوسط ​​بیش از یک نوترون تولید می کند. جرم، بار و انرژی جنبشی قطعات ایکسو اوه،تشکیل شده در طی یک واکنش شکافت از نوع (7.15) متفاوت است. این قطعات به سرعت توسط محیط مهار می شوند و باعث یونیزه شدن، گرم شدن و اختلال در ساختار آن می شوند. استفاده از انرژی جنبشی قطعات شکافت به دلیل گرمایش محیط، مبنای تبدیل انرژی هسته ای به انرژی حرارتی است. قطعات شکافت هسته ای پس از واکنش در حالت برانگیخته هستند و با انتشار به حالت پایه می روند. β - ذرات و -کوانت

واکنش هسته ای کنترل شدهانجام شده در راکتور هسته ای و با آزاد شدن انرژی همراه است. اولین راکتور هسته ای در سال 1942 در ایالات متحده آمریکا (شیکاگو) تحت رهبری فیزیکدان E. Fermi (1901 - 1954) ساخته شد. در اتحاد جماهیر شوروی، اولین راکتور هسته ای در سال 1946 به رهبری I.V. Kurchatov ایجاد شد. سپس پس از کسب تجربه در کنترل واکنش های هسته ای، اقدام به ساخت نیروگاه های هسته ای کردند.

سوال 27. واکنش سنتز. سوخت هسته ای واکنش همجوشی پروتون ها و نوترون ها یا تک هسته های نوری نامیده می شود که در نتیجه آن هسته سنگین تری تشکیل می شود. ساده ترین واکنش های همجوشی هسته ای عبارتند از:

, ΔQ = 17.59 MeV; (7.17)

محاسبات نشان می دهد که انرژی آزاد شده در طی واکنش های همجوشی هسته ای در واحد جرم به طور قابل توجهی بیشتر از انرژی آزاد شده در واکنش های شکافت هسته ای است. در طی واکنش شکافت هسته اورانیوم 235، تقریبا 200 مگا ولت آزاد می شود، یعنی. 200:235=0.85 مگا الکترون ولت در هر نوکلئون، و در طی واکنش همجوشی (7.17) انرژی آزاد شده تقریباً 17.5 MeV است، یعنی 3.5 MeV در هر نوکلئون (17.5:5 = 3.5 MeV). بدین ترتیب، فرآیند همجوشی تقریباً 4 برابر کارآمدتر از فرآیند شکافت اورانیوم است (به ازای یک نوکلئون هسته شرکت کننده در واکنش شکافت).

سرعت بالای این واکنش‌ها و آزاد شدن انرژی نسبتاً زیاد، مخلوط مساوی از دوتریوم و تریتیوم را امیدوارکننده‌ترین گزینه برای حل مشکل می‌کند. همجوشی حرارتی کنترل شده امیدهای بشر برای حل مشکلات انرژی با همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده مرتبط است. وضعیت به این صورت است که ذخایر اورانیوم به عنوان ماده خام نیروگاه های هسته ای روی زمین محدود است. اما دوتریوم موجود در آب اقیانوس ها منبع تقریباً پایان ناپذیر سوخت هسته ای ارزان است. وضعیت تریتیوم تا حدودی پیچیده تر است. تریتیوم رادیواکتیو است (نیمه عمر آن 12.5 سال است، واکنش تجزیه:) و در طبیعت رخ نمی دهد. بنابراین، برای اطمینان از کار راکتور همجوشیبا استفاده از تریتیوم به عنوان سوخت هسته ای باید امکان تکثیر آن فراهم شود.

برای این منظور، ناحیه کار راکتور باید توسط لایه ای از ایزوتوپ لیتیوم سبک احاطه شود که در آن واکنش انجام می شود.

در نتیجه این واکنش، ایزوتوپ هیدروژن تریتیوم () تشکیل می شود.

در آینده، امکان ایجاد یک راکتور حرارتی کم رادیواکتیو با استفاده از مخلوط ایزوتوپ دوتریوم و هلیوم در نظر گرفته شده است؛ واکنش همجوشی به شکل زیر است:

MeV.(7.20)

در نتیجه این واکنش، به دلیل عدم وجود نوترون در محصولات سنتز، خطر بیولوژیکی راکتور را می توان در مقایسه با راکتورهای شکافت هسته ای و راکتورهای گرما هسته ای که با سوخت دوتریوم و تریتیوم کار می کنند، چهار تا پنج مرتبه قدر کاهش داد. و نیازی به پردازش صنعتی مواد رادیواکتیو و حمل و نقل آنها نیست، دفع زباله های رادیواکتیو از نظر کیفی ساده شده است. با این حال، چشم انداز ایجاد در آینده یک راکتور گرما هسته ای سازگار با محیط زیست با استفاده از مخلوط دوتریوم () با ایزوتوپ هلیوم () به دلیل مشکل مواد خام پیچیده است: ذخایر طبیعی ایزوتوپ هلیوم در زمین ناچیز است. تاثیر دوتریوم در آینده گرما هسته ای دوستدار محیط زیست

در مسیر اجرای واکنش‌های همجوشی در شرایط زمینی، مشکل دافعه الکترواستاتیکی هسته‌های سبک زمانی به وجود می‌آید که به فاصله‌هایی نزدیک می‌شوند که در آن نیروهای جاذبه هسته‌ای شروع به عمل می‌کنند، یعنی. حدود 10-15 متر است که پس از آن فرآیند ادغام آنها به دلیل رخ می دهد اثر تونل. برای غلبه بر مانع پتانسیل، باید به هسته های نوری در حال برخورد انرژی ≈10 داد. کو،که با دما مطابقت دارد تی ≈10 8 کو بالاتر. بنابراین، واکنش های گرما هسته ای در شرایط طبیعی فقط در داخل ستارگان رخ می دهد. برای اجرای آنها در شرایط زمینی، گرمایش قوی ماده مورد نیاز است، یا با انفجار هسته ای، یا تخلیه گاز قوی، یا پالس عظیم تابش لیزر، یا بمباران با پرتوی شدید از ذرات. واکنش های گرما هسته ای تاکنون تنها در انفجارهای آزمایشی بمب های گرما هسته ای (هیدروژنی) انجام شده است.

الزامات اساسی که یک راکتور حرارتی باید به عنوان وسیله ای برای اجرای همجوشی حرارتی هسته ای کنترل شده برآورده کند به شرح زیر است.

اولاً، محصور کردن قابل اعتماد پلاسمای داغ ضروری است (≈108 ک)در منطقه واکنش ایده اساسی، که راه های حل این مشکل را برای سال ها تعیین می کرد، در اواسط قرن بیستم تقریباً به طور همزمان در اتحاد جماهیر شوروی، ایالات متحده آمریکا و بریتانیا بیان شد. این ایده است استفاده از میدان های مغناطیسیبرای مهار و عایق حرارتی پلاسمای با دمای بالا.

ثانیاً، هنگام کار بر روی سوخت حاوی تریتیوم (که ایزوتوپ بسیار رادیواکتیو هیدروژن است)، آسیب تشعشع به دیواره های محفظه راکتور همجوشی رخ می دهد. به گفته کارشناسان، مقاومت مکانیکی دیوار اول محفظه بعید است از 5-6 سال بیشتر شود. این بدان معنی است که نصب باید به طور دوره ای کاملاً برچیده شود و سپس با استفاده از ربات های راه دور به دلیل رادیواکتیویته باقیمانده فوق العاده بالا سرهم شود.

ثالثاً، نیاز اصلی که همجوشی گرما هسته ای باید برآورده شود این است که آزاد شدن انرژی در نتیجه واکنش های گرما هسته ای بیش از جبران انرژی مصرف شده از منابع خارجی برای حفظ خود واکنش باشد. واکنش‌های گرما هسته‌ای «خالص» بسیار جالب هستند،

عدم تولید نوترون (نگاه کنید به 7.20) و واکنش زیر:

سوال 28. واپاشی رادیواکتیو α−, β−, γ− تابش - تشعشع.

زیر رادیواکتیویته توانایی برخی از هسته های اتمی ناپایدار برای تبدیل خود به خود به هسته های اتمی دیگر با انتشار تشعشعات رادیواکتیو را درک کنید.

رادیواکتیویته طبیعیرادیواکتیویته نامیده می شود که در ایزوتوپ های ناپایدار طبیعی مشاهده می شود.

رادیواکتیویته مصنوعیرادیواکتیویته ایزوتوپ هایی است که در نتیجه واکنش های هسته ای انجام شده در شتاب دهنده ها و راکتورهای هسته ای به دست می آید.

دگرگونی‌های رادیواکتیو با تغییر در ساختار، ترکیب و حالت انرژی هسته‌های اتمی رخ می‌دهند و با انتشار یا جذب ذرات باردار یا خنثی و انتشار تابش موج کوتاه با ماهیت الکترومغناطیسی (کوانتوم‌های تابش گاما) همراه می‌شوند. این ذرات و کوانتوم های ساطع شده در مجموع نامیده می شوند رادیواکتیو (یا یونیزه کننده ) تشعشعات و عناصری که هسته آنها به دلایلی (طبیعی یا مصنوعی) می تواند خود به خود تجزیه شود رادیواکتیو یا رادیونوکلئیدها . علل واپاشی رادیواکتیو عدم تعادل بین نیروهای جاذبه هسته ای (کوتاه برد) و نیروهای دافعه الکترومغناطیسی (دور برد) پروتون های دارای بار مثبت است.

تابش یونیزه کننده– جریانی از ذرات باردار یا خنثی و کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی که عبور آنها از یک ماده منجر به یونیزاسیون و تحریک اتم ها یا مولکول های محیط می شود. بر اساس ماهیت خود، آن را به فوتون (تابش گاما، bremsstrahlung، تابش اشعه ایکس) و جسمی (تابش آلفا، الکترون، پروتون، نوترون، مزون) تقسیم می‌شود.

از 2500 هسته‌ای که در حال حاضر شناخته شده‌اند، تنها 271 عدد پایدار هستند و بقیه (90 درصد!) ناپایدار هستند، یعنی. رادیواکتیو؛ از طریق یک یا چند فروپاشی متوالی، همراه با انتشار ذرات یا γ-کوانتوم، آنها به هسته های پایدار تبدیل می شوند.

مطالعه ترکیب تشعشعات رادیواکتیو به سه جزء مختلف تقسیم می شود: تابش α جریانی از ذرات با بار مثبت - هسته هلیوم () تابش β - جریان الکترون ها یا پوزیترون ها، تابش γ - شار تابش الکترومغناطیسی موج کوتاه.

به طور معمول، همه انواع رادیواکتیویته با انتشار پرتوهای گاما - تشعشعات الکترومغناطیسی سخت و موج کوتاه همراه است. پرتوهای گاما شکل اصلی کاهش انرژی محصولات برانگیخته تبدیلات رادیواکتیو هستند. هسته ای که تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می گیرد نامیده می شود مادری؛ در حال ظهور شرکت فرعی به عنوان یک قاعده، هسته برانگیخته می شود و انتقال آن به حالت پایه با انتشار یک کوانتوم همراه است.

قوانین حفاظتدر طول واپاشی رادیواکتیو، پارامترهای زیر حفظ می شوند:

1. شارژ . بار الکتریکی را نمی توان ایجاد یا از بین برد. بار کل قبل و بعد از واکنش باید حفظ شود، اگرچه ممکن است به طور متفاوتی بین هسته ها و ذرات مختلف توزیع شود.

2. عدد جرمی یا تعداد نوکلئون های بعد از واکنش باید برابر با تعداد نوکلئون های قبل از واکنش باشد.

3. کل انرژی . انرژی کولن و انرژی جرم های معادل باید در تمام واکنش ها و واپاشی ها حفظ شود.

4.تکانه و تکانه زاویه ای . بقای تکانه خطی مسئول توزیع انرژی کولن بین هسته ها، ذرات و/یا تابش الکترومغناطیسی است. تکانه زاویه ای به چرخش ذرات اشاره دارد.

α-واپاشیانتشار از هسته اتم نامیده می شود α− ذرات. در α− پوسیدگی، مثل همیشه، قانون بقای انرژی باید رعایت شود. در عین حال، هر گونه تغییر در انرژی سیستم با تغییرات متناسب در جرم آن مطابقت دارد. بنابراین، در طول واپاشی رادیواکتیو، جرم هسته مادر باید از جرم محصولات فروپاشی به میزانی که مطابق با انرژی جنبشی سیستم پس از فروپاشی است، بیشتر شود (اگر هسته مادر قبل از فروپاشی در حالت استراحت بوده است). بنابراین، در صورت α− شرایط پوسیدگی باید برآورده شود

جرم هسته مادر با عدد جرمی کجاست آو شماره سریال Z جرم هسته دختر است و جرم است α− ذرات. هر یک از این جرم ها به نوبه خود می توانند به عنوان مجموع عدد جرمی و نقص جرمی نمایش داده شوند:

با جایگزینی این عبارات به جای توده ها به نابرابری (8.2)، شرط زیر را برای آن به دست می آوریم α− واپاشی:، (8.3)

آن ها تفاوت در عیوب جرمی هسته مادر و دختر باید بیشتر از نقص جرم باشد α− ذرات. بنابراین، زمانی که α− فروپاشی، تعداد جرمی هسته های مادر و دختر باید چهار با یکدیگر متفاوت باشد. اگر تفاوت در اعداد جرمی چهار باشد، آنگاه وقتی نقص جرم ایزوتوپ های طبیعی همیشه با افزایش کاهش می یابد آ. بنابراین، هنگامی که نابرابری (8.3) ارضا نمی شود، زیرا نقص جرمی هسته سنگین تر، که باید هسته مادر باشد، کمتر از نقص جرمی هسته سبک تر است. بنابراین، زمانی که α− فروپاشی هسته ای رخ نمی دهد. همین امر در مورد اکثر ایزوتوپ های مصنوعی صدق می کند. استثناها چندین ایزوتوپ مصنوعی سبک هستند که برای آنها جهش در انرژی اتصال و در نتیجه در نقص های جرمی در مقایسه با ایزوتوپ های همسایه بسیار زیاد است (به عنوان مثال، ایزوتوپ بریلیم که به دو قسمت تجزیه می شود. α− ذرات).

انرژی α− ذرات حاصل از فروپاشی هسته‌ها در محدوده نسبتاً باریکی از 2 تا 11 مگا ولت قرار دارند و در عین حال، تمایل به کاهش نیمه عمر با افزایش انرژی وجود دارد. α− ذرات. این تمایل به ویژه در طول تحولات پی در پی رادیواکتیو در همان خانواده رادیواکتیو (قانون گایگر-ناتال) مشهود است. مثلا انرژی α− ذرات در طول تجزیه اورانیوم (T = 7.1. 10 8 سال ها) 4.58 است Mev، در طول تجزیه پروتاکتینیم (T = 3.4. 10 4 سال ها) - 5.04 Maev در طول تجزیه پلونیوم (T = 1.83. 10 -3 با)- 7,36Mev.

به طور کلی، هسته های یک ایزوتوپ می توانند ساطع کنند α− ذرات با چندین مقدار انرژی کاملاً تعریف شده (در مثال قبلی بالاترین انرژی نشان داده شده است). به عبارت دیگر، α− ذرات دارای طیف انرژی گسسته هستند. توضیحات به شرح ذیل می باشد. هسته دختر حاصل از فروپاشی، طبق قوانین مکانیک کوانتومی، می تواند در چندین حالت مختلف باشد که در هر یک از آنها انرژی خاصی دارد. حالتی که کمترین انرژی ممکن را دارد پایدار است و نامیده می شود اصلی . حالات باقی مانده نامیده می شوند برانگیخته . هسته می تواند برای مدت بسیار کوتاهی (10-8 - 10-12 ثانیه) در آنها باقی بماند و سپس با انتشار به حالتی با انرژی کمتر (نه لزوماً بلافاصله به هسته اصلی) می رسد. γ− کوانتومی

در حال پیش رفت α− دو مرحله پوسیدگی وجود دارد: تشکیل α− ذرات ناشی از نوکلئون های هسته ای و انتشار α− ذرات با هسته

واپاشی بتا (تابش).مفهوم واپاشی سه نوع تبدیل درون هسته‌ای خود به خودی را ترکیب می‌کند: واپاشی الکترون، واپاشی پوزیترون و جذب الکترون. E- گرفتن).

ایزوتوپ های رادیواکتیو بتا به طور قابل توجهی بیشتر از ایزوتوپ های رادیواکتیو آلفا هستند. آنها در کل دامنه تغییرات در تعداد جرمی هسته ها (از هسته های سبک تا سنگین ترین) وجود دارند.

واپاشی بتا هسته اتم ناشی از تعامل ضعیف ذرات بنیادی و درست مانند - واپاشی، تابع قوانین خاصی است. در طی واپاشی، یکی از نوترون های هسته به پروتون تبدیل می شود و یک الکترون و یک الکترون پادنوترینو ساطع می کند. این فرآیند طبق طرح زیر انجام می شود: . (8.8)

در حین واپاشی − یکی از پروتون های هسته با گسیل پوزیترون و نوترینو الکترونی به نوترون تبدیل می شود:

یک نوترون آزاد، نه بخشی از هسته، خود به خود بر اساس واکنش (8.8) با نیمه عمر حدود 12 دقیقه تجزیه می شود. این امکان وجود دارد زیرا جرم نوترون آمو است. بزرگتر از جرم یک پروتون a.m.u. با مقدار آمو، که از جرم بقیه الکترون آمو بیشتر است. (جرم استراحت نوترینو صفر است). واپاشی یک پروتون آزاد توسط قانون بقای انرژی ممنوع است، زیرا مجموع جرم های باقی مانده ذرات حاصل - نوترون و پوزیترون - بیشتر از جرم پروتون است. بنابراین، فروپاشی (8.9) یک پروتون تنها در یک هسته ممکن است در صورتی که جرم هسته دختر کمتر از جرم هسته مادر به میزانی بیشتر از جرم سکون پوزیترون باشد (مواد باقیمانده پوزیترون و الکترون). برابر هستند). از سوی دیگر، در مورد فروپاشی یک نوترون موجود در هسته، یک شرط مشابه باید برآورده شود.

علاوه بر فرآیندی که بر اساس واکنش (8.9) اتفاق می‌افتد، تبدیل یک پروتون به نوترون می‌تواند از طریق گرفتن یک الکترون توسط یک پروتون با گسیل همزمان یک نوترینو الکترونی نیز رخ دهد.

درست مانند فرآیند (8.9)، فرآیند (8.10) با یک پروتون آزاد رخ نمی دهد. اما اگر یک پروتون داخل هسته باشد، می تواند یکی از الکترون های مداری اتم خود را بگیرد، مشروط بر اینکه مجموع جرم های هسته مادر و الکترون بیشتر از جرم هسته دختر باشد. امکان ملاقات پروتون های واقع در داخل هسته با الکترون های مداری یک اتم به این دلیل است که بر اساس مکانیک کوانتومی، حرکت الکترون ها در یک اتم در مدارهای کاملاً تعریف شده اتفاق نمی افتد، همانطور که در نظریه بور پذیرفته شده است. اما احتمال ملاقات الکترون در هر ناحیه ای از فضای داخل اتم، به ویژه، و در ناحیه ای که هسته آن را اشغال کرده است، وجود دارد.

تبدیل هسته ای که در اثر گرفتن الکترون مداری ایجاد می شود نامیده می شود E-گرفتن. اغلب، گرفتن الکترون متعلق به پوسته K نزدیک به هسته اتفاق می افتد (K-capture). گرفتن یک الکترون موجود در لایه L بعدی (ال-گرفتن) تقریباً 100 برابر کمتر اتفاق می افتد.

تابش گاما تابش گاما تابش الکترومغناطیسی موج کوتاه است که طول موج بسیار کوتاهی دارد و در نتیجه خواص جسمی مشخصی دارد. یک جریان کوانتومی با انرژی است ( ν − فرکانس تابش)، تکانه و اسپین جی(در واحد ħ ).

تشعشعات گاما همراه با فروپاشی هسته ها، در هنگام نابودی ذرات و ضد ذرات، در هنگام کاهش سرعت ذرات باردار سریع در یک محیط، در هنگام فروپاشی مزون ها، در تشعشعات کیهانی، در واکنش های هسته ای و غیره رخ می دهد. نشان داد که یک هسته برانگیخته که در نتیجه فروپاشی تشکیل شده است می تواند از یک سری حالت های میانی و کمتر برانگیخته عبور کند. بنابراین، تابش همان ایزوتوپ رادیواکتیو ممکن است حاوی چندین نوع کوانتا باشد که در مقادیر انرژی با یکدیگر متفاوت هستند. طول عمر حالت‌های برانگیخته هسته‌ها معمولاً با کاهش انرژی آنها و با افزایش اختلاف بین اسپین‌های هسته‌ای در حالت اولیه و نهایی به شدت افزایش می‌یابد.

انتشار کوانتومی همچنین در طی انتقال تابشی هسته اتم از حالت برانگیخته با انرژی رخ می دهد. E iبه زمین یا حالت کمتر هیجان زده با انرژی اک (E i > E k). بر اساس قانون بقای انرژی (تا انرژی پس زدن هسته)، انرژی یک کوانتوم با عبارت: . (8.11)

در طول تابش، قوانین بقای تکانه و تکانه زاویه ای نیز رعایت می شود.

به دلیل گسست بودن سطوح انرژی هسته، تابش دارای طیف خطی انرژی و فرکانس است. در واقع، طیف انرژی هسته به مناطق گسسته و پیوسته تقسیم می شود. در ناحیه طیف گسسته، فواصل بین سطوح انرژی هسته به طور قابل توجهی بیشتر از عرض انرژی است. جیسطح تعیین شده توسط طول عمر هسته در این حالت:

زمان میزان فروپاشی هسته برانگیخته را تعیین می کند:

تعداد هسته ها در زمان اولیه کجاست (); تعداد هسته های پوسیده نشده در یک زمان تی.

سوال 29. قوانین جابجایی.هنگام انتشار یک ذره، هسته دو پروتون و دو نوترون از دست می دهد. بنابراین، هسته (دختری) حاصل در مقایسه با هسته اصلی (مادر)، دارای عدد جرمی چهار و عدد ترتیبی به دو است.

بنابراین، پس از پوسیدگی، عنصری به دست می آید که در جدول تناوبی دو خانه به سمت چپ در مقایسه با اصلی اشغال می کند:. (8.14)

در طی واپاشی، یکی از نوترون های هسته با گسیل یک الکترون و یک ضد نوترینو (-واپاشی) به پروتون تبدیل می شود. در نتیجه فروپاشی، تعداد نوکلئون ها در هسته بدون تغییر باقی می ماند. بنابراین عدد جرمی تغییر نمی کند، به عبارت دیگر تبدیل یک ایزوبار به ایزوبار دیگر اتفاق می افتد. با این حال، بار هسته دختر و عدد اتمی آن تغییر می کند. در حین واپاشی، زمانی که یک نوترون به پروتون تبدیل می شود، عدد اتمی یک افزایش می یابد، یعنی. در این حالت، عنصری ظاهر می شود که در جدول تناوبی با یک سلول به سمت راست در مقایسه با سلول اصلی جابجا شده است:

در حین واپاشی، زمانی که یک پروتون به نوترون تبدیل می‌شود، عدد اتمی یک کاهش می‌یابد و عنصر تازه به دست آمده در جدول تناوبی یک سلول به چپ منتقل می‌شود:

در عبارات (8.14) - (8.16) ایکس- نماد هسته مادری، Y- نماد هسته دختر؛ - هسته هلیوم، و - نامگذاری نمادین، به ترتیب، الکترونی که برای آن آ= 0 و ز= -1 و یک پوزیترون که برای آن آ= 0 و ز=+1.

به طور طبیعی هسته های رادیواکتیو تشکیل می شوند سه خانواده رادیواکتیو ، تماس گرفت خانواده اورانیوم (), خانواده توریوم () و خانواده شقایق های دریایی (). آنها نام خود را از ایزوتوپ های طولانی مدت با طولانی ترین نیمه عمر گرفته اند. همه خانواده ها پس از زنجیره ای از واپاشی α- و β- به هسته های پایدار ایزوتوپ های سرب ختم می شوند - و. خانواده نپتونیوم که با عنصر ترانس اورانیوم نپتونیوم شروع می شود، به صورت مصنوعی تولید می شود و به ایزوتوپ بیسموت ختم می شود.

یک هسته اتمی که از تعداد معینی پروتون و نوترون تشکیل شده است، یک کل واحد است که در اثر نیروهای خاصی که بین هسته‌های هسته وارد می‌شود، نامیده می‌شود. اتمی.به طور تجربی ثابت شده است که نیروهای هسته ای مقادیر بسیار بزرگی دارند، بسیار بیشتر از نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون ها. این در این واقعیت آشکار می شود که انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در هسته بسیار بیشتر از کار انجام شده توسط نیروهای دافعه کولن است. اجازه دهید ویژگی های اصلی نیروهای هسته ای را در نظر بگیریم.

1. نیروهای هسته ای هستند نیروهای جذاب کوتاه برد . آنها فقط در فواصل بسیار کوچک بین نوکلئون ها در هسته از مرتبه 15-10 متر ظاهر می شوند. ، نیروهای هسته ای به سرعت کاهش می یابد. در فاصله حدود (2-3) متر، برهمکنش هسته ای بین نوکلئون ها عملا وجود ندارد.

2. نیروهای هسته ای دارای خاصیت هستند اشباع, آن ها هر نوکلئون فقط با تعداد معینی از نزدیکترین همسایگان تعامل دارد. این ماهیت نیروهای هسته ای در ثبات تقریبی انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در تعداد بار آشکار می شود. آ> 40. در واقع، اگر اشباع وجود نداشته باشد، انرژی اتصال ویژه با تعداد نوکلئون‌های هسته افزایش می‌یابد.

3. ویژگی نیروهای هسته ای نیز آنهاست استقلال شارژ ، یعنی آنها به بار نوکلئون ها بستگی ندارند، بنابراین برهمکنش های هسته ای بین پروتون ها و نوترون ها یکسان است. استقلال بار نیروهای هسته ای از مقایسه انرژی های اتصال قابل مشاهده است هسته های آینه ای . این نام به هسته‌هایی است که تعداد کل نوکلئون‌ها در آنها یکسان است، اما تعداد پروتون‌های یکی با تعداد نوترون‌های دیگری برابر است. به عنوان مثال، انرژی اتصال هسته هلیوم و هیدروژن-تریتیوم سنگین به ترتیب 7.72 است. MeVو 8.49 MeV. تفاوت در انرژی های اتصال این هسته ها، برابر با 0.77 MeV، مربوط به انرژی دافعه کولن دو پروتون در هسته است. با فرض مساوی بودن این مقدار، می توانیم میانگین فاصله را دریابیم rبین پروتون ها در هسته 1.9·10-15 متر است که با شعاع عمل نیروهای هسته ای مطابقت دارد.

4. نیروهای هسته ای مرکزی نیستند و به جهت گیری متقابل اسپین های نوکلئون های متقابل بستگی دارد. این با ماهیت متفاوت پراکندگی نوترون توسط مولکول های ارتو و پاراهیدروژن تایید می شود. در یک مولکول ارتوهیدروژن، اسپین های هر دو پروتون با یکدیگر موازی هستند، در حالی که در یک مولکول پاراهیدروژن ضد موازی هستند. آزمایشات نشان داده است که پراکندگی نوترون روی پاراهیدروژن 30 برابر بیشتر از پراکندگی روی هیدروژن ارتو است.

ماهیت پیچیده نیروهای هسته ای اجازه توسعه یک نظریه منفرد و منسجم از برهم کنش هسته ای را نمی دهد، اگرچه رویکردهای مختلفی ارائه شده است. با توجه به فرضیه فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa، که او در سال 1935 پیشنهاد کرد، نیروهای هسته ای توسط تبادل ایجاد می شوند - مزون ها، یعنی. ذرات بنیادی که جرم آنها تقریباً 7 برابر کمتر از جرم نوکلئون ها است. بر اساس این مدل، یک نوکلئون در زمان متر- توده مزون) مزونی ساطع می کند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کند و مسافتی را طی می کند. ، پس از آن توسط نوکلئون دوم جذب می شود. به نوبه خود، نوکلئون دوم نیز مزون ساطع می کند که توسط اولی جذب می شود. بنابراین، در مدل H. Yukawa، فاصله ای که در آن نوکلئون ها برهم کنش می کنند، توسط طول مسیر مزون تعیین می شود که مربوط به فاصله ای در حدود است. مترو به ترتیب بزرگی با شعاع عمل نیروهای هسته ای منطبق است.

اجازه دهید به بررسی برهمکنش تبادلی بین نوکلئون ها بپردازیم. مزون های مثبت، منفی و خنثی وجود دارد. مدول بار - یا - مزون ها از نظر عددی برابر با بار اولیه است ه. جرم مزون های باردار یکسان و برابر با (140) است MeV، جرم مزون 264 (135 MeV). اسپین مزون های باردار و خنثی 0 است. هر سه ذره ناپایدار هستند. طول عمر مزون های - و - 2.6 است با, - مزون – 0.8·10 -16 با. برهمکنش بین نوکلئون ها طبق یکی از طرح های زیر انجام می شود:

(22.7)
1. نوکلئون ها مزون ها را مبادله می کنند:

در این حالت، پروتون مزون ساطع می کند و به نوترون تبدیل می شود. مزون توسط یک نوترون جذب می شود، که در نتیجه به پروتون تبدیل می شود، سپس همان فرآیند در جهت مخالف اتفاق می افتد. بنابراین، هر یک از نوکلئون های برهم کنش، بخشی از زمان را در حالت باردار و بخشی از زمان را در حالت خنثی می گذراند.

2. تبادل نوکلئون - مزون ها:

3. تبادل نوکلئون ها - مزون ها:

. (22.10)

همه این فرآیندها به صورت تجربی ثابت شده اند. به طور خاص، اولین فرآیند زمانی تایید می شود که یک پرتو نوترونی از هیدروژن عبور می کند. پروتون های متحرک در پرتو ظاهر می شوند و تعداد متناظری از نوترون های عملاً در حال استراحت در هدف شناسایی می شوند.

مدل های هستهفقدان قانون ریاضی برای نیروهای هسته ای اجازه ایجاد یک نظریه واحد در مورد هسته را نمی دهد. تلاش برای ایجاد چنین نظریه ای با مشکلات جدی روبرو می شود. در اینجا به برخی از آنها اشاره می کنیم:

1. عدم آگاهی در مورد نیروهای وارده بین نوکلئون ها.

2. دست و پا گیر بودن زیاد مسئله کوانتومی چند جسمی (هسته ای با عدد جرمی آیک سیستم از آتلفن).

این مشکلات ما را وادار می کند تا مسیر ایجاد مدل های هسته ای را در پیش بگیریم که توصیف مجموعه خاصی از خواص هسته ای را با استفاده از ابزارهای ریاضی نسبتاً ساده ممکن می کند. هیچ یک از این مدل ها نمی توانند توصیف کاملاً دقیقی از هسته ارائه دهند. بنابراین، شما باید از چندین مدل استفاده کنید.

زیر مدل هسته در فیزیک هسته ای آنها مجموعه ای از مفروضات فیزیکی و ریاضی را درک می کنند که با کمک آنها می توان ویژگی های یک سیستم هسته ای متشکل از آنوکلئون ها مدل های زیادی با درجات مختلف پیچیدگی پیشنهاد و توسعه یافته اند. ما فقط معروف ترین آنها را در نظر خواهیم گرفت.

مدل هیدرودینامیکی (چکه ای) هستهدر سال 1939 توسعه یافت. N. Bohr و دانشمند شوروی J. Frenkel. بر این فرض استوار است که به دلیل چگالی بالای نوکلئون ها در هسته و برهمکنش بسیار قوی بین آنها، حرکت مستقل تک تک نوکلئون ها غیرممکن است و هسته یک قطره مایع باردار با چگالی است. مانند یک قطره معمولی مایع، سطح هسته می تواند نوسان کند. اگر دامنه ارتعاشات به اندازه کافی بزرگ شود، فرآیند شکافت هسته ای رخ می دهد. مدل قطره ای امکان به دست آوردن فرمولی برای انرژی اتصال نوکلئون ها در هسته را فراهم کرد و مکانیسم برخی از واکنش های هسته ای را توضیح داد. با این حال، این مدل بیشتر طیف های تحریک هسته های اتمی و پایداری ویژه برخی از آنها را توضیح نمی دهد. این به دلیل این واقعیت است که مدل هیدرودینامیکی تقریباً ماهیت ساختار داخلی هسته را منعکس می کند.

مدل پوسته هسته در 1940-1950 توسط فیزیکدان آمریکایی M. Geppert - Mayer و فیزیکدان آلمانی H. Jensen توسعه یافت. فرض بر این است که هر نوکلئون مستقل از نوکلئون ها در یک میدان پتانسیل متوسط ​​حرکت می کند (چاه پتانسیل ایجاد شده توسط نوکلئون های باقیمانده هسته. در چارچوب مدل پوسته، تابع محاسبه نمی شود، بلکه به گونه ای انتخاب می شود که بهترین تطابق با داده های تجربی را می توان به دست آورد.

عمق چاه پتانسیل معمولاً ~ (40-50) است. MeVو به تعداد نوکلئون های هسته بستگی ندارد. طبق نظریه کوانتومی، نوکلئون ها در یک میدان در سطوح انرژی گسسته خاصی قرار دارند. فرض اصلی سازندگان مدل پوسته در مورد حرکت مستقل نوکلئون ها در یک میدان پتانسیل متوسط ​​با مفاد اساسی توسعه دهندگان مدل هیدرودینامیکی در تضاد است. بنابراین، ویژگی های هسته که به خوبی توسط مدل هیدرودینامیکی توضیح داده شده است (مثلاً مقدار انرژی اتصال)، در چارچوب مدل پوسته قابل توضیح نیست و بالعکس.

مدل هسته تعمیم یافته که در سال های 1950-1953 توسعه یافت، مفاد اصلی سازندگان مدل های هیدرودینامیکی و پوسته را ترکیب می کند. در مدل تعمیم یافته، فرض بر این است که هسته از یک بخش پایدار داخلی تشکیل شده است - هسته که توسط نوکلئون های پوسته های پر شده و نوکلئون های خارجی در حال حرکت در میدان ایجاد شده توسط نوکلئون های هسته تشکیل شده است. در این راستا، حرکت هسته توسط یک مدل هیدرودینامیکی، و حرکت نوکلئون های خارجی توسط یک مدل پوسته توصیف می شود. به دلیل تعامل با نوکلئون های خارجی، هسته می تواند تغییر شکل داده و هسته می تواند حول محوری عمود بر محور تغییر شکل بچرخد. مدل تعمیم یافته توضیح ویژگی های اصلی طیف های چرخشی و ارتعاشی هسته های اتمی و همچنین مقادیر بالای گشتاور الکتریکی چهار قطبی برخی از آنها را ممکن می سازد.

ما اصلی ترین آنها را در نظر گرفتیم، یعنی. توصیفی، مدل های هسته با این حال، برای درک کامل ماهیت فعل و انفعالات هسته ای که خواص و ساختار هسته را تعیین می کند، لازم است نظریه ای ایجاد شود که در آن هسته به عنوان سیستمی از نوکلئون های برهم کنش در نظر گرفته شود.

یک هسته اتمی که از تعداد معینی پروتون و نوترون تشکیل شده است، یک کل واحد است که در اثر نیروهای خاصی که بین هسته‌های هسته وارد می‌شود، نامیده می‌شود. اتمی.به طور تجربی ثابت شده است که نیروهای هسته ای مقادیر بسیار بزرگی دارند، بسیار بیشتر از نیروهای دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون ها. این در این واقعیت آشکار می شود که انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در هسته بسیار بیشتر از کار انجام شده توسط نیروهای دافعه کولن است. بیایید به اصل نگاه کنیم ویژگی های نیروهای هسته ای.

1. نیروهای هسته ای هستند نیروهای جذاب کوتاه برد . آنها فقط در فواصل بسیار کوچک بین نوکلئون ها در هسته مرتبه 15-10 متر ظاهر می شوند. برد نیروهای هسته ای، با افزایش آن، نیروهای هسته ای به سرعت کاهش می یابد. در فاصله حدود (2-3) متر، برهمکنش هسته ای بین نوکلئون ها عملا وجود ندارد.

2. نیروهای هسته ای دارای خاصیت هستند اشباع, آن ها هر نوکلئون فقط با تعداد معینی از نزدیکترین همسایگان تعامل دارد. این ماهیت نیروهای هسته ای در ثبات تقریبی انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در تعداد بار آشکار می شود. آ> 40. در واقع، اگر اشباع وجود نداشته باشد، انرژی اتصال ویژه با تعداد نوکلئون‌های هسته افزایش می‌یابد.

3. ویژگی نیروهای هسته ای نیز آنهاست استقلال شارژ ، یعنی آنها به بار نوکلئون ها بستگی ندارند، بنابراین برهمکنش های هسته ای بین پروتون ها و نوترون ها یکسان است. استقلال بار نیروهای هسته ای از مقایسه انرژی های اتصال قابل مشاهده است هسته های آینه ای . این نام به هسته‌هایی است که تعداد کل نوکلئون‌ها در آنها یکسان است، اما تعداد پروتون‌های یکی با تعداد نوترون‌های دیگری برابر است. به عنوان مثال، انرژی اتصال هسته هلیوم و هیدروژن-تریتیوم سنگین به ترتیب 7.72 است. MeVو 8.49 MeV. تفاوت در انرژی های اتصال این هسته ها، برابر با 0.77 MeV، مربوط به انرژی دافعه کولن دو پروتون در هسته است. با فرض مساوی بودن این مقدار، می توانیم میانگین فاصله را دریابیم rبین پروتون ها در هسته 1.9·10-15 متر است که با شعاع عمل نیروهای هسته ای مطابقت دارد.

4. نیروهای هسته ای مرکزی نیستند و به جهت گیری متقابل اسپین های نوکلئون های متقابل بستگی دارد. این با ماهیت متفاوت پراکندگی نوترون توسط مولکول های ارتو و پاراهیدروژن تایید می شود. در یک مولکول ارتوهیدروژن، اسپین های هر دو پروتون با یکدیگر موازی هستند، در حالی که در یک مولکول پاراهیدروژن ضد موازی هستند. آزمایشات نشان داده است که پراکندگی نوترون روی پاراهیدروژن 30 برابر بیشتر از پراکندگی روی هیدروژن ارتو است.

ماهیت پیچیده نیروهای هسته ای اجازه توسعه یک نظریه منفرد و منسجم از برهم کنش هسته ای را نمی دهد، اگرچه رویکردهای مختلفی ارائه شده است. با توجه به فرضیه فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa (1907-1981)، که او در سال 1935 پیشنهاد کرد، نیروهای هسته ای توسط تبادل ایجاد می شوند - مزون ها، یعنی. ذرات بنیادی که جرم آنها تقریباً 7 برابر کمتر از جرم نوکلئون ها است. بر اساس این مدل، یک نوکلئون در زمان متر- توده مزون) مزونی ساطع می کند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کند و مسافتی را طی می کند. ، پس از آن توسط نوکلئون دوم جذب می شود. به نوبه خود، نوکلئون دوم نیز مزون ساطع می کند که توسط اولی جذب می شود. بنابراین، در مدل H. Yukawa، فاصله ای که در آن نوکلئون ها برهم کنش می کنند، توسط طول مسیر مزون تعیین می شود که مربوط به فاصله ای در حدود است. مترو به ترتیب بزرگی با شعاع عمل نیروهای هسته ای منطبق است.

اجازه دهید به بررسی برهمکنش تبادلی بین نوکلئون ها بپردازیم. مزون های مثبت، منفی و خنثی وجود دارد. مدول بار - یا - مزون ها از نظر عددی برابر با بار اولیه است ه . جرم مزون های باردار یکسان و برابر با (140) است MeV، جرم مزون 264 (135 MeV). اسپین مزون های باردار و خنثی 0 است. هر سه ذره ناپایدار هستند. طول عمر مزون های - و - 2.6 است با, - مزون – 0.8·10 -16 با. برهمکنش بین نوکلئون ها طبق یکی از طرح های زیر انجام می شود:

1. نوکلئون ها مزون ها را مبادله می کنند: . (22.8)

در این حالت، پروتون مزون ساطع می کند و به نوترون تبدیل می شود. مزون توسط یک نوترون جذب می شود، که در نتیجه به پروتون تبدیل می شود، سپس همان فرآیند در جهت مخالف اتفاق می افتد. بنابراین، هر یک از نوکلئون های برهم کنش، بخشی از زمان را در حالت باردار و بخشی از زمان را در حالت خنثی می گذراند.

2. تبادل نوکلئون - مزون ها:

3. تبادل نوکلئون ها - مزون ها:

, (22.10)

همه این فرآیندها به صورت تجربی ثابت شده اند. به طور خاص، اولین فرآیند زمانی تایید می شود که یک پرتو نوترونی از هیدروژن عبور می کند. پروتون های متحرک در پرتو ظاهر می شوند و تعداد متناظری از نوترون های عملاً در حال استراحت در هدف شناسایی می شوند.

مدل های هستهزیر مدل هسته در فیزیک هسته ای آنها مجموعه ای از مفروضات فیزیکی و ریاضی را درک می کنند که با کمک آنها می توان ویژگی های یک سیستم هسته ای متشکل از آنوکلئون ها

مدل هیدرودینامیکی (چکه ای) هستهبر این فرض استوار است که به دلیل چگالی بالای نوکلئون ها در هسته و برهمکنش بسیار قوی بین آنها، حرکت مستقل تک تک نوکلئون ها غیرممکن است و هسته یک قطره مایع باردار با چگالی است. .

مدل پوسته هستهفرض بر این است که هر نوکلئون مستقل از سایرین در میدان پتانسیل متوسط ​​حرکت می کند (چاه پتانسیل ایجاد شده توسط نوکلئون های باقیمانده هسته).

مدل هسته تعمیم یافته، ترکیبی از مفاد اصلی سازندگان مدل های هیدرودینامیکی و پوسته است. در مدل تعمیم یافته، فرض بر این است که هسته از یک بخش پایدار داخلی تشکیل شده است - هسته که توسط نوکلئون های پوسته های پر شده و نوکلئون های خارجی در حال حرکت در میدان ایجاد شده توسط نوکلئون های هسته تشکیل شده است. در این راستا، حرکت هسته توسط یک مدل هیدرودینامیکی، و حرکت نوکلئون های خارجی توسط یک مدل پوسته توصیف می شود. به دلیل تعامل با نوکلئون های خارجی، هسته می تواند تغییر شکل داده و هسته می تواند حول محوری عمود بر محور تغییر شکل بچرخد.

26. واکنش های شکافت هسته اتم. انرژی هسته ای.

واکنش های هسته ایبه دگرگونی هسته های اتمی می گویند که در اثر برهمکنش آنها با یکدیگر یا با دیگر هسته ها یا ذرات بنیادی ایجاد می شود. اولین پیام در مورد واکنش هسته ای متعلق به ای. رادرفورد است. در سال 1919، او کشف کرد که وقتی ذرات از گاز نیتروژن عبور می کنند، برخی از آنها جذب می شوند و پروتون ها به طور همزمان منتشر می شوند. رادرفورد نتیجه گرفت که هسته های نیتروژن در نتیجه یک واکنش هسته ای به شکل زیر به هسته های اکسیژن تبدیل می شوند:

, (22.11)

جایی که − یک ذره است. - پروتون (هیدروژن).

پارامتر مهم یک واکنش هسته ای بازده انرژی آن است که با فرمول تعیین می شود:

(22.12)

در اینجا مجموع جرم های باقی مانده ذرات قبل و بعد از واکنش آمده است. وقتی واکنش‌های هسته‌ای با جذب انرژی اتفاق می‌افتد، به همین دلیل نامیده می‌شوند گرماگیر، و زمانی که - با آزاد شدن انرژی. در این مورد آنها نامیده می شوند گرمازا.

در هر واکنش هسته ای، موارد زیر همیشه انجام می شود: قوانین حفاظت :

− شارژ الکتریکی;

- تعداد نوکلئون ها

- انرژی؛

- تکانه.

دو قانون اول اجازه می دهد تا واکنش های هسته ای به درستی نوشته شود حتی در مواردی که یکی از ذرات درگیر در واکنش یا یکی از محصولات آن ناشناخته باشد. با استفاده از قوانین بقای انرژی و تکانه، می توان انرژی جنبشی ذرات را که در طی فرآیند واکنش تشکیل می شوند و همچنین جهت حرکت بعدی آنها را تعیین کرد.

برای توصیف واکنش های گرماگیر، این مفهوم معرفی شده است آستانه انرژی جنبشی ، یا آستانه واکنش هسته ای , آن ها کمترین انرژی جنبشی یک ذره برخوردی (در چارچوب مرجع که هسته هدف در حالت سکون است) که در آن واکنش هسته ای ممکن می شود. از قانون بقای انرژی و تکانه چنین می شود که انرژی آستانه یک واکنش هسته ای با فرمول محاسبه می شود:

. (22.13)

در اینجا انرژی واکنش هسته ای است (7.12). - جرم هسته ثابت - هدف. جرم ذره ای است که روی هسته می افتد.

واکنش های شکافت. در سال 1938، دانشمندان آلمانی O. Hahn و F. Strassmann کشف کردند که وقتی اورانیوم با نوترون بمباران می شود، گاهی اوقات هسته هایی ظاهر می شوند که تقریباً نصف هسته اصلی اورانیوم هستند. این پدیده نامیده شد همجوشی هستهای.

این اولین واکنش دگرگونی هسته ای مشاهده شده را نشان می دهد. یک مثال یکی از واکنش های شکافت احتمالی هسته اورانیوم 235 است:

فرآیند شکافت هسته ای بسیار سریع در زمان ~10-12 ثانیه پیش می رود. انرژی آزاد شده در طی واکنشی مانند (22.14) تقریباً 200 مگا ولت در هر رویداد شکافت هسته اورانیوم 235 است.

به طور کلی، واکنش شکافت هسته اورانیوم 235 را می توان به صورت زیر نوشت:

+ نوترون . (22.15)

مکانیسم واکنش شکافت را می توان در چارچوب مدل هیدرودینامیکی هسته توضیح داد. بر اساس این مدل، هنگامی که یک نوترون توسط یک هسته اورانیوم جذب می شود، به حالت برانگیخته می رود (شکل 22.2).

انرژی اضافی که هسته در اثر جذب یک نوترون دریافت می کند باعث حرکت شدیدتر نوکلئون ها می شود. در نتیجه، هسته تغییر شکل می‌یابد که منجر به تضعیف برهم‌کنش هسته‌ای کوتاه‌برد می‌شود. اگر انرژی برانگیختگی هسته از انرژی معینی بیشتر باشد نامیده می شود انرژی فعال سازی سپس تحت تأثیر دافعه الکترواستاتیکی پروتون ها، هسته به دو قسمت تقسیم می شود و ساطع می کند. نوترون های شکافت . اگر انرژی برانگیختگی در هنگام جذب یک نوترون کمتر از انرژی فعال سازی باشد، هسته به آن نمی رسد.

مرحله بحرانی شکافت و با گسیل یک کوانتوم به حالت اصلی باز می گردد

در فیزیک، مفهوم "نیرو" به اندازه گیری برهمکنش تشکیلات مادی با یکدیگر، از جمله برهمکنش بخش هایی از ماده (جسم ماکروسکوپی، ذرات بنیادی) با یکدیگر و با میدان های فیزیکی (الکترومغناطیسی، گرانشی) اشاره دارد. در مجموع چهار نوع برهمکنش در طبیعت شناخته شده است: قوی، ضعیف، الکترومغناطیسی و گرانشی و هر یک نوع نیروی خاص خود را دارند. اولین آنها مربوط به نیروهای هسته ای است که در داخل هسته اتم عمل می کنند.

چه چیزی هسته ها را متحد می کند؟

این دانش عمومی است که هسته یک اتم کوچک است، اندازه آن چهار تا پنج مرتبه کوچکتر از اندازه خود اتم است. این یک سوال واضح را ایجاد می کند: چرا اینقدر کوچک است؟ از این گذشته، اتم‌هایی که از ذرات ریز ساخته شده‌اند، هنوز بسیار بزرگتر از ذرات موجود در آنها هستند.

در مقابل، هسته‌ها از نظر اندازه تفاوت چندانی با نوکلئون‌ها (پروتون‌ها و نوترون‌ها) ندارند که از آنها ساخته شده‌اند. آیا این دلیلی دارد یا تصادفی است؟

در همین حال، مشخص است که این نیروهای الکتریکی هستند که الکترون های دارای بار منفی را در نزدیکی هسته اتم نگه می دارند. چه نیرو یا نیروهایی ذرات هسته را کنار هم نگه می دارد؟ این وظیفه توسط نیروهای هسته ای انجام می شود که معیاری از فعل و انفعالات قوی هستند.

نیروی هسته ای قوی

اگر در طبیعت فقط نیروهای گرانشی و الکتریکی وجود داشت، یعنی. که در زندگی روزمره با آن مواجه می شویم، هسته های اتمی، که اغلب از پروتون های بار مثبت زیادی تشکیل شده اند، ناپایدار خواهند بود: نیروهای الکتریکی که پروتون ها را از یکدیگر دور می کنند، میلیون ها بار قوی تر از هر نیروی گرانشی است که آنها را به یک دوست نزدیک می کند. . نیروهای هسته ای جاذبه ای حتی قوی تر از دافعه الکتریکی ایجاد می کنند، اگرچه تنها سایه ای از قدر واقعی آنها در ساختار هسته آشکار می شود. وقتی ساختار خود پروتون‌ها و نوترون‌ها را مطالعه می‌کنیم، احتمالات واقعی چیزی را می‌بینیم که به عنوان نیروی هسته‌ای قوی شناخته می‌شود. نیروهای هسته ای مظهر آن هستند.

شکل بالا نشان می دهد که دو نیروی متضاد در هسته، دافعه الکتریکی بین پروتون های با بار مثبت و نیروی هسته ای است که پروتون ها (و نوترون ها) را با هم جذب می کند. اگر تعداد پروتون ها و نوترون ها خیلی متفاوت نباشد، نیروهای دوم بر نیروی اول برتری دارند.

پروتون ها مشابه اتم ها هستند و هسته ها مشابه مولکول ها؟

نیروهای هسته ای بین چه ذراتی عمل می کنند؟ اول از همه، بین نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) در هسته. در نهایت، آنها همچنین بین ذرات (کوارک ها، گلوئون ها، آنتی کوارک ها) داخل یک پروتون یا نوترون عمل می کنند. وقتی متوجه می‌شویم پروتون‌ها و نوترون‌ها ذاتاً پیچیده هستند، تعجب‌آور نیست.

در یک اتم، هسته‌های کوچک و حتی الکترون‌های کوچک‌تر در مقایسه با اندازه‌شان نسبتاً از هم دور هستند و نیروهای الکتریکی که آنها را در یک اتم کنار هم نگه می‌دارند، بسیار ساده هستند. اما در مولکول‌ها، فاصله بین اتم‌ها با اندازه اتم‌ها قابل مقایسه است، بنابراین پیچیدگی داخلی اتم‌ها مطرح می‌شود. وضعیت متنوع و پیچیده ناشی از جبران جزئی نیروهای الکتریکی درون اتمی باعث ایجاد فرآیندهایی می شود که در آن الکترون ها واقعاً می توانند از یک اتم به اتم دیگر حرکت کنند. این باعث می شود فیزیک مولکول ها بسیار غنی تر و پیچیده تر از اتم ها باشد. به همین ترتیب، فاصله بین پروتون ها و نوترون ها در یک هسته با اندازه آنها قابل مقایسه است - و درست مانند مولکول ها، خواص نیروهای هسته ای که هسته ها را در کنار هم نگه می دارند بسیار پیچیده تر از جاذبه ساده پروتون ها و نوترون ها است.

هیچ هسته ای بدون نوترون وجود ندارد، به جز هیدروژن

مشخص شده است که هسته برخی از عناصر شیمیایی پایدار است، در حالی که برای برخی دیگر به طور مداوم در حال پوسیدگی هستند و دامنه سرعت این فروپاشی بسیار گسترده است. چرا نیروهایی که نوکلئون ها را در هسته نگه می دارند دیگر عمل نمی کنند؟ بیایید ببینیم از ملاحظات ساده در مورد خواص نیروهای هسته ای چه چیزی می توانیم بیاموزیم.

یکی این که همه هسته ها، به جز رایج ترین ایزوتوپ هیدروژن (که فقط یک پروتون دارد)، حاوی نوترون هستند. یعنی هیچ هسته ای با چندین پروتون که نوترون نداشته باشد وجود ندارد (شکل زیر را ببینید). بنابراین واضح است که نوترون ها نقش مهمی در کمک به چسبیدن پروتون ها به یکدیگر دارند.

در شکل در بالا، هسته های پایدار نور یا تقریباً پایدار به همراه یک نوترون نشان داده شده اند. دومی، مانند تریتیوم، با یک خط نقطه چین نشان داده شده است، که نشان می دهد که آنها در نهایت تجزیه می شوند. سایر ترکیبات با تعداد کمی پروتون و نوترون اصلاً هسته تشکیل نمی دهند یا هسته های بسیار ناپایدار را تشکیل می دهند. همچنین با حروف مورب، نام‌های جایگزین اغلب به برخی از این اشیاء داده می‌شود. به عنوان مثال، هسته هلیوم-4 اغلب ذره α نامیده می شود، نامی که در ابتدا در مطالعات اولیه رادیواکتیویته در دهه 1890 کشف شد، به آن داده شد.

نوترون ها به عنوان شبان پروتون

برعکس، هیچ هسته ای تنها از نوترون ها بدون پروتون ساخته شده است. بیشتر هسته های سبک، مانند اکسیژن و سیلیکون، تقریباً تعداد نوترون ها و پروتون های مشابهی دارند (شکل 2). هسته‌های بزرگ با جرم‌های بزرگ، مانند طلا و رادیوم، اندکی بیشتر از پروتون‌ها نوترون دارند.

این دو چیز می گوید:

1. نه تنها نوترون ها برای نگه داشتن پروتون ها در کنار هم لازم هستند، بلکه پروتون ها برای نگه داشتن نوترون ها در کنار هم لازم هستند.

2. اگر تعداد پروتون ها و نوترون ها بسیار زیاد شود، دافعه الکتریکی پروتون ها باید با افزودن چند نوترون اضافی جبران شود.

آخرین بیانیه در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل بالا هسته های اتمی پایدار و تقریباً پایدار را به عنوان تابعی از P (تعداد پروتون) و N (تعداد نوترون) نشان می دهد. خط نشان داده شده با نقاط سیاه نشان دهنده هسته های پایدار است. هر گونه جابجایی از خط سیاه به بالا یا پایین به معنای کاهش عمر هسته ها است - در نزدیکی آن، عمر هسته ها میلیون ها سال یا بیشتر است، همانطور که بیشتر به سمت نواحی آبی، قهوه ای یا زرد حرکت می کنید (رنگ های مختلف مربوط به متفاوت است. مکانیسم‌های فروپاشی هسته‌ای)، زمان عمر آنها کوتاه‌تر و کوتاه‌تر می‌شود، تا کسری از ثانیه.

توجه داشته باشید که هسته های پایدار P و N تقریباً برای P و N کوچک برابر هستند، اما N به تدریج با ضریب بیش از یک و نیم از P بزرگتر می شود. همچنین توجه داشته باشید که گروه هسته های ناپایدار پایدار و طولانی مدت در یک نوار نسبتاً باریک برای تمام مقادیر P تا 82 باقی می مانند. در تعداد بیشتر، هسته های شناخته شده در اصل ناپایدار هستند (اگرچه می توانند برای میلیون ها سال وجود داشته باشند. ). ظاهراً مکانیسم ذکر شده در بالا برای تثبیت پروتون‌ها در هسته‌ها با افزودن نوترون‌ها به آنها در این منطقه، 100٪ مؤثر نیست.

اندازه یک اتم چگونه به جرم الکترون های آن بستگی دارد؟

نیروهای مورد بررسی چگونه بر ساختار هسته اتم تأثیر می گذارند؟ نیروهای هسته ای در درجه اول بر اندازه آن تأثیر می گذارد. چرا هسته ها در مقایسه با اتم ها بسیار کوچک هستند؟ برای فهمیدن، اجازه دهید با ساده ترین هسته شروع کنیم، که هم پروتون و هم نوترون دارد: این دومین ایزوتوپ رایج هیدروژن است، اتمی حاوی یک الکترون (مانند همه ایزوتوپ های هیدروژن) و هسته ای از یک پروتون و یک نوترون. . این ایزوتوپ اغلب "دوتریوم" نامیده می شود و هسته آن (نگاه کنید به شکل 2) گاهی اوقات "دوترون" نامیده می شود. چگونه می توانیم توضیح دهیم که چه چیزی دوترون را کنار هم نگه می دارد؟ خوب، می توانید تصور کنید که آنقدرها با یک اتم هیدروژن معمولی که شامل دو ذره (یک پروتون و یک الکترون) نیز می شود، تفاوتی ندارد.

در شکل در بالا نشان داده شده است که در یک اتم هیدروژن، هسته و الکترون بسیار از هم دور هستند، به این معنا که اتم بسیار بزرگتر از هسته است (و الکترون حتی کوچکتر است.) اما در دوترون، فاصله بین پروتون و نوترون با اندازه آنها قابل مقایسه است. این تا حدی توضیح می دهد که چرا نیروهای هسته ای بسیار پیچیده تر از نیروهای موجود در یک اتم هستند.

مشخص است که الکترون ها در مقایسه با پروتون ها و نوترون ها جرم کمی دارند. نتیجه می شود که

• جرم یک اتم اساساً به جرم هسته آن نزدیک است،
• اندازه یک اتم (که اساساً اندازه ابر الکترونی است) با جرم الکترون ها نسبت معکوس دارد و با کل نیروی الکترومغناطیسی نسبت معکوس دارد. اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتومی نقش تعیین کننده ای دارد.

اگر نیروهای هسته ای مشابه نیروهای الکترومغناطیسی باشند چه؟

در مورد دوترون چطور؟ این اتم مانند اتم از دو جسم ساخته شده است، اما جرم آنها تقریبا یکسان است (جرم نوترون و پروتون تنها حدود یک قسمت در سال 1500 با هم تفاوت دارند)، بنابراین هر دو ذره در تعیین جرم دوترون به یک اندازه اهمیت دارند. و اندازه آن حال فرض کنید که نیروی هسته ای پروتون را به سمت نوترون می کشد مانند نیروهای الکترومغناطیسی (این دقیقاً درست نیست، اما یک لحظه تصور کنید). و سپس، بر حسب قیاس با هیدروژن، انتظار داریم اندازه دوترون با جرم پروتون یا نوترون نسبت معکوس داشته باشد و با بزرگی نیروی هسته ای نسبت معکوس داشته باشد. اگر قدر آن (در فاصله معینی) با نیروی الکترومغناطیسی یکسان بود، به این معنی است که از آنجایی که یک پروتون تقریباً 1850 بار سنگین‌تر از یک الکترون است، پس دوترون (و در واقع هر هسته) باید حداقل هزار برابر باشد. کوچکتر از هیدروژن

در نظر گرفتن تفاوت قابل توجه بین نیروهای هسته ای و الکترومغناطیسی چه چیزی را فراهم می کند؟

اما ما قبلا حدس زدیم که نیروی هسته ای بسیار بیشتر از نیروی الکترومغناطیسی (در همان فاصله) است، زیرا اگر اینطور نبود، تا زمانی که هسته از هم پاشیده نشود، نمی توانست از دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون ها جلوگیری کند. بنابراین پروتون و نوترون تحت تأثیر آن، محکم تر به هم می رسند. و بنابراین جای تعجب نیست که دوترون و سایر هسته ها نه تنها هزار بلکه صد هزار بار کوچکتر از اتم هستند! باز هم، این فقط به این دلیل است

• پروتون ها و نوترون ها تقریبا 2000 برابر سنگین تر از الکترون ها هستند.
• در این فواصل، نیروی هسته‌ای بزرگ بین پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته، چندین برابر نیروهای الکترومغناطیسی مربوطه (از جمله دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون‌های هسته) است.

این حدس ساده لوحانه تقریباً جواب درست را می دهد! اما این به طور کامل پیچیدگی برهمکنش بین پروتون و نوترون را نشان نمی دهد. یک مشکل آشکار این است که نیرویی مشابه نیروی الکترومغناطیسی، اما با قدرت جاذبه یا دافعه بیشتر، باید در زندگی روزمره خود را آشکار کند، اما ما چیزی شبیه به این را مشاهده نمی کنیم. بنابراین چیزی در مورد این نیرو باید با نیروهای الکتریکی متفاوت باشد.

برد کوتاه نیروی هسته ای

چیزی که آنها را متفاوت می کند این است که نیروهای هسته ای که هسته اتم را از فروپاشی باز می دارند برای پروتون ها و نوترون هایی که در فاصله بسیار کمی از یکدیگر قرار دارند، اما در یک فاصله معین (به اصطلاح "محدوده") بسیار مهم و قوی هستند. نیرو)، آنها بسیار سریع، بسیار سریعتر از الکترومغناطیسی سقوط می کنند. به نظر می رسد که برد می تواند به اندازه یک هسته نسبتاً بزرگ باشد که فقط چندین برابر بزرگتر از یک پروتون است. اگر یک پروتون و یک نوترون را در فاصله ای قابل مقایسه با این محدوده قرار دهید، آنها یکدیگر را جذب می کنند و یک دوترون تشکیل می دهند. اگر با فاصله بیشتری از هم جدا شوند، به سختی هیچ جاذبه ای احساس خواهند کرد. در واقع، اگر آنها خیلی نزدیک به هم قرار گیرند تا جایی که شروع به همپوشانی کنند، در واقع یکدیگر را دفع خواهند کرد. این پیچیدگی مفهومی مانند نیروهای هسته ای را آشکار می کند. فیزیک به طور مداوم در جهت توضیح مکانیسم عمل خود پیشرفت می کند.

مکانیسم فیزیکی برهمکنش هسته ای

هر فرآیند مادی، از جمله برهمکنش بین نوکلئون ها، باید حامل های مادی داشته باشد. آنها کوانتوم های میدان هسته ای هستند - پی مزون ها (پیون ها) که به دلیل تبادل آنها بین نوکلئون ها جاذبه ایجاد می شود.

طبق اصول مکانیک کوانتومی، پی مزون‌ها که دائماً ظاهر می‌شوند و بلافاصله ناپدید می‌شوند، چیزی شبیه ابر در اطراف یک نوکلئون "برهنه" تشکیل می‌دهند که به آن پوشش مزون می‌گویند (ابرهای الکترونی را در اتم‌ها به خاطر بسپارید). هنگامی که دو نوکلئون احاطه شده توسط چنین پوششی خود را در فاصله 15-10 متری می بینند، تبادل پیون ها اتفاق می افتد، مشابه تبادل الکترون های ظرفیت در اتم ها در طول تشکیل مولکول ها، و جاذبه بین نوکلئون ها ایجاد می شود.

اگر فاصله بین نوکلئون ها کمتر از 0.7∙10 -15 متر شود، آنها شروع به تبادل ذرات جدید می کنند - به اصطلاح. ω و ρ-مزون ها، در نتیجه نه جاذبه، بلکه دافعه بین نوکلئون ها رخ می دهد.

نیروهای هسته ای: ساختار هسته از ساده ترین به بزرگترین

با جمع بندی تمام موارد فوق می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نیروی هسته ای قوی بسیار بسیار ضعیف تر از الکترومغناطیس در فواصل بسیار بزرگتر از اندازه یک هسته معمولی است، بنابراین ما در زندگی روزمره با آن مواجه نمی شویم. ولی
• در فواصل کوتاه قابل مقایسه با هسته، بسیار قوی تر می شود - نیروی جاذبه (به شرطی که فاصله خیلی کوتاه نباشد) می تواند بر دافعه الکتریکی بین پروتون ها غلبه کند.

بنابراین، این نیرو فقط در فواصل قابل مقایسه با اندازه هسته اهمیت دارد. شکل زیر وابستگی آن به فاصله بین نوکلئون ها را نشان می دهد.

هسته های بزرگ کم و بیش با همان نیرویی که دوترون را در کنار هم نگه می دارد نگه می دارد، اما جزئیات این فرآیند به قدری پیچیده است که توصیف آنها آسان نیست. آنها همچنین به طور کامل درک نشده اند. اگرچه خطوط اصلی فیزیک هسته ای برای دهه ها به خوبی درک شده است، بسیاری از جزئیات مهم هنوز تحت بررسی فعال هستند.