Sifat-sifat gaya nuklir. Sifat-sifat gaya nuklir Apa yang disebut gaya nuklir dan apa sifat-sifatnya

Kekuatan nuklir memberikan daya tarik- ini mengikuti fakta adanya inti stabil yang terdiri dari proton dan neutron.

Kekuatan nuklir sangat besar dalam besaran absolut. Aksi mereka dalam jarak pendek secara signifikan melebihi aksi semua gaya yang diketahui di alam, termasuk gaya elektromagnetik.

Sejauh ini kita mengenal empat jenis interaksi:

a) interaksi kuat (nuklir);

b) interaksi elektromagnetik;

c) interaksi lemah, terutama terlihat jelas pada partikel yang tidak menunjukkan interaksi kuat dan elektromagnetik (neutrino);

d) interaksi gravitasi.

Perbandingan gaya-gaya untuk jenis interaksi ini dapat diperoleh dengan menggunakan sistem satuan yang karakteristik konstanta interaksinya yang bersesuaian dengan gaya-gaya ini (“kuadrat “muatan”) tidak berdimensi.

Jadi, untuk interaksi di dalam inti dua nukleon yang memiliki semua gaya ini, konstanta interaksinya adalah sebagai berikut:

Kekuatan nuklir menjamin keberadaan inti atom. Elektromagnetik - atom dan molekul. Energi ikat rata-rata suatu nukleon dalam inti sama dengan yaitu dimana adalah energi diam nukleon. Energi ikat elektron dalam atom hidrogen hanya yaitu dimana energi sisa elektron. Oleh karena itu, pada skala ini, energi pengikat dihubungkan sebagai konstanta karakteristik:

Interaksi lemah bertanggung jawab atas efek halus seperti transformasi timbal balik melalui -peluruhan dan -penangkapan (lihat § 19), untuk berbagai peluruhan partikel elementer, serta untuk semua proses interaksi neutrino dengan materi.

Stabilitas benda dan sistem kosmik dikaitkan dengan interaksi gravitasi.

Gaya interaksi tipe kedua dan keempat berkurang seiring dengan jarak, yaitu cukup lambat dan oleh karena itu bersifat jangka panjang. Interaksi tipe pertama dan ketiga berkurang dengan sangat cepat seiring dengan jarak dan oleh karena itu bersifat jangka pendek.

Kekuatan nuklir bersifat jangka pendek. Berikut ini: a) dari percobaan Rutherford tentang hamburan -partikel oleh inti cahaya (untuk jarak melebihi cm, hasil percobaan

dijelaskan oleh interaksi murni Coulomb partikel - dengan inti, tetapi pada jarak yang lebih kecil, penyimpangan dari hukum Coulomb terjadi karena gaya nuklir. Oleh karena itu, jangkauan aksi gaya nuklir lebih kecil

b) dari studi peluruhan inti berat (lihat § 15);

c) dari percobaan hamburan neutron oleh proton dan proton oleh proton.

Mari kita lihat lebih detail.

Beras. 17. Target partikel dan hamburan

Pada energi neutron rendah, hamburannya di pusat sistem inersia bersifat isotropik. Memang, sebuah partikel klasik dengan momentum akan “menangkap” target hamburan dengan radius aksi gaya nuklir jika ia terbang pada jarak yang lebih kecil, yaitu jika komponen momentum sudutnya pada arah tegak lurus bidang lintasan tidak melebihi pegunungan (Gbr. 17).

Namun menurut hubungan de Broglie untuk partikel kejadian, oleh karena itu,

Namun, nilai maksimum proyeksi momentum orbital suatu partikel hanya dapat sama dengan Oleh karena itu

Jadi, untuk nilai a, fungsi gelombang yang menggambarkan keadaan sistem adalah simetris bola di c. C. yaitu, dalam sistem ini hamburan harus bersifat isotropik.

Saat hamburan tidak lagi bersifat isotropik. Dengan mengurangi energi neutron yang datang dan dengan demikian meningkatkannya, seseorang dapat menemukan nilainya di mana isotropi hamburan tercapai. Ini memberikan perkiraan kisaran kekuatan nuklir.

Energi neutron maksimum di mana hamburan simetris bola masih diamati adalah sama dengan Hal ini memungkinkan untuk menentukan batas atas jari-jari aksi gaya nuklir; ternyata sama dengan cm.

Selanjutnya, ketika fluks proton tersebar pada target proton, kita dapat menghitung nilai yang diharapkan dari penampang efektif proses tersebut jika hanya gaya Coulomb yang bekerja. Namun, ketika partikel-partikel tersebut saling berdekatan, gaya nuklir mulai mendominasi

di atas Coulomb, dan distribusi proton yang tersebar berubah.

Dari percobaan tersebut ditemukan bahwa gaya nuklir berkurang tajam dengan bertambahnya jarak antar proton. Daerah aksinya sangat kecil dan juga berada pada orde besarnya cm Sayangnya, hasil percobaan hamburan nukleon berenergi rendah tidak memberikan informasi tentang hukum perubahan gaya nuklir terhadap jarak. Bentuk rinci dari sumur potensial masih belum pasti.

Eksperimen untuk mempelajari sifat-sifat dua nukleon yang terikat dalam inti deuteron juga tidak memungkinkan kita untuk secara jelas menetapkan hukum perubahan potensi medan gaya nuklir terhadap jarak. Alasannya terletak pada radius aksi gaya nuklir yang sangat kecil dan besarnya yang sangat besar dalam radius aksi. Sebagai perkiraan pertama terhadap potensi yang menggambarkan sifat-sifat deuteron, kita dapat mengambil rentang fungsi yang berbeda-beda, yang akan berkurang cukup cepat seiring dengan bertambahnya jarak.

Data eksperimen secara kasar dipenuhi, misalnya, dengan fungsi berikut.

Beras. 18. Kemungkinan bentuk sumur potensial deuteron: a - sumur persegi panjang; eksponensial dengan baik; c adalah bentuk sumur pada potensi Yukawa; -baik pada potensial dengan pusat tolak-menolak yang kuat

1. Sumur potensial berbentuk persegi panjang (Gbr. 18a):

dimana adalah jari-jari aksi gaya nuklir, jarak antara pusat dua nukleon yang berinteraksi.

2. Fungsi eksponensial (Gbr. 18,b):

3. Potensi meson Yukawa (Gbr. 18c):

4. Potensial dengan titik tengah tolak-menolak padat (Gbr. 18d):

Sebuah studi rinci tentang struktur hamburan dan perbandingan dengan perhitungan teoretis mendukung bentuk-bentuk terakhir ini. Saat ini, bentuk yang lebih kompleks digunakan untuk penghitungan, sehingga memberikan kesesuaian yang lebih baik dengan data eksperimen.

Dalam semua kasus, kedalaman sumur potensial adalah sekitar beberapa puluh. Nilai dalam kasus potensi dengan titik tengah yang tolak-menolak adalah sekitar sepersepuluh Fermi.

Gaya nuklir tidak bergantung pada muatan listrik partikel yang berinteraksi. Kekuatan interaksi antara atau adalah sama. Properti ini mengikuti fakta berikut.

Pada inti atom stabil ringan, ketika gaya tolak menolak elektromagnetik masih dapat diabaikan, maka jumlah proton sama dengan jumlah neutron, sehingga gaya yang bekerja di antara keduanya adalah sama, jika tidak maka akan terjadi pergeseran ke arah tertentu (salah satu atau lebih).

Inti cermin cahaya (inti yang diperoleh dengan mengganti neutron dengan proton dan sebaliknya, misalnya, memiliki tingkat energi yang sama.

Percobaan hamburan neutron oleh proton dan proton oleh proton menunjukkan bahwa besarnya gaya tarik inti proton dengan proton dan neutron dengan proton adalah sama.

Sifat gaya nuklir ini bersifat mendasar dan menunjukkan kesimetrian mendalam yang ada antara dua partikel: proton dan neutron. Itu disebut kemandirian muatan (atau simetri) dan memungkinkan kita menganggap proton dan neutron sebagai dua keadaan dari partikel yang sama - nukleon.

Jadi, nukleon memiliki derajat kebebasan internal tambahan - muatan - yang memungkinkan terjadinya dua keadaan: proton dan neutron. Hal ini analog dengan sifat spin partikel: spin juga, selain gerak dalam ruang, merupakan derajat kebebasan internal partikel, dalam kaitannya dengan elektron (atau nukleon) hanya memiliki dua kemungkinan keadaan. Mekanika kuantum berurutan

deskripsi dua derajat kebebasan ini: muatan dan putaran - secara formal sama. Oleh karena itu, derajat kebebasan muatan biasanya digambarkan secara visual menggunakan ruang tiga dimensi konvensional, yang disebut isotop, dan keadaan partikel (nukleon) dalam ruang ini dicirikan oleh putaran isotop, yang dilambangkan dengan

Mari kita lihat ini lebih detail, kembali ke konsep putaran biasa.

Mari kita asumsikan ada dua elektron, yang seperti kita ketahui, benar-benar identik. Keduanya mempunyai momentum sudut masing-masing - putaran. Namun arah putarannya tidak dapat dideteksi. Sekarang mari kita tempatkan mereka di medan magnet luar. Menurut postulat dasar mekanika kuantum, “sumbu rotasi” setiap partikel hanya dapat menempati posisi yang ditentukan secara ketat relatif terhadap medan eksternal ini. Sumbu putaran partikel dengan putaran yang sama dapat diorientasikan sepanjang atau menuju arah medan (Gbr. 19). Sebuah partikel yang mempunyai momentum dapat mempunyai keadaan; elektron yang mempunyai 2 keadaan. Nilai proyeksi putaran dapat Hal ini mengarah pada fakta bahwa partikel-partikel dalam medan magnet sekarang dapat memiliki energi yang berbeda dan menjadi mungkin untuk membedakannya satu sama lain. Hal ini menunjukkan bahwa keadaan elektron, karena sifat magnetiknya, adalah doublet.

Tanpa medan magnet luar, tidak ada cara untuk memisahkan dua kemungkinan keadaan elektron; negara-negara dikatakan “merosot” menjadi negara-negara yang tidak dapat dibedakan.

Situasi serupa terjadi pada atom hidrogen. Untuk mengkarakterisasi keadaan atom, bilangan kuantum orbital diperkenalkan, yang mencirikan momentum sudut orbital atom. Sebuah atom dengan I tertentu dapat memiliki keadaan, karena dalam medan luar hanya nilai proyeksi I yang pasti ke arah medan yang dapat ada (dari - I ke Meskipun tidak ada medan luar, keadaannya berlipat ganda degenerasi .

Penemuan neutron memunculkan gagasan tentang adanya fenomena yang mirip dengan degenerasi magnetik elektron.

Bagaimanapun, independensi muatan gaya nuklir berarti bahwa dalam interaksi kuat, proton dan neutron berperilaku seperti partikel yang sama. Mereka hanya dapat dibedakan jika kita memperhitungkan interaksi elektromagnetik. Jika kita membayangkan bahwa LED elektromagnetik entah bagaimana dapat “dimatikan” (Gbr. 20, a), maka proton dan neutron akan menjadi partikel yang tidak dapat dibedakan dan bahkan massanya akan sama (untuk lebih jelasnya tentang persamaan massa; lihat § 12 ). Oleh karena itu, siklon dapat dianggap sebagai "muatan ganda", di mana satu keadaan mewakili proton dan keadaan lainnya mewakili neutron. Jika Anda memasukkan gaya elektromagnetik, dengan syarat

disajikan pada Gambar. 20b dengan garis putus-putus, maka gaya-gaya listrik yang bergantung pada muatannya akan ditambahkan pada gaya-gaya yang tidak bergantung muatan sebelumnya.

Beras. 19. Orientasi putaran elektron dalam medan magnet

Beras. 20. Perbedaan proton dan neutron akibat interaksi elektromagnetik

Energi partikel bermuatan akan berbeda dengan energi partikel netral dan proton serta neutron dapat dipisahkan. Akibatnya, massa istirahatnya tidak akan sama.

Untuk mengkarakterisasi keadaan nukleon dalam inti, Heisenberg memperkenalkan konsep spin isotop yang murni formal, yang, dengan analogi bilangan kuantum, harus menentukan jumlah keadaan degenerasi nukleon yang sama dengan Kata “isotopik” mengungkapkan fakta tersebut. bahwa proton dan neutron memiliki sifat yang mirip (isotop adalah atom dengan sifat kimia yang sama, berbeda dalam jumlah neutron dalam inti).

Kata “putaran” dalam konsep ini muncul dari analogi matematis murni dengan putaran biasa suatu partikel.

Penting untuk dicatat sekali lagi bahwa vektor mekanika kuantum dari putaran isotop diperkenalkan bukan dalam ruang biasa, tetapi dalam ruang konvensional, yang disebut ruang isotop atau ruang muatan. Yang terakhir, tidak seperti sumbu konvensional, ditentukan oleh sumbu bersyarat. Di ruang ini, partikel tidak dapat bergerak secara translasi, melainkan hanya berputar.

Jadi, putaran isotop harus dianggap sebagai karakteristik matematika yang membedakan proton dari neutron; secara fisik mereka dilemparkan ke dalam hubungan yang berbeda dengan medan elektromagnetik.

Putaran isotop suatu nukleon adalah sama dan mempunyai komponen-komponen dan terhadap sumbu. Proyeksi ke sumbu ini dilambangkan. Secara konvensional diterima bahwa untuk proton dan untuk neutron, yaitu, proton berubah menjadi neutron ketika isotop putaran diputar 180° dalam ruang isotop.

Saat menggunakan teknik formal ini, ketergantungan muatan mengambil bentuk hukum kekekalan: selama interaksi nukleon, putaran isotop total dan proyeksinya tetap tidak berubah, yaitu.

Hukum kekekalan ini secara formal dapat dianggap sebagai konsekuensi dari independensi hukum fisika dari rotasi dalam ruang isotop. Namun, hukum konservasi ini hanyalah perkiraan. Hal ini berlaku sejauh gaya elektromagnetik dapat diabaikan dan mungkin sedikit dilanggar - sejauh rasio gaya elektromagnetik dan nuklir. Arti fisiknya terletak pada kenyataan bahwa gaya nuklir dalam sistem adalah identik.

Kita akan kembali ke konsep spin isotop dalam bab tentang partikel elementer, yang memiliki makna tambahan.

Gaya nuklir bergantung pada putaran. Ketergantungan gaya nuklir pada putaran mengikuti fakta berikut.

Inti yang sama di negara bagian dengan spin berbeda memiliki energi ikat yang berbeda. Misalnya, energi ikat deuteron yang putarannya sejajar adalah sama; dengan putaran antiparalel, tidak ada keadaan stabil sama sekali.

Hamburan neutron-proton sensitif terhadap orientasi putaran. Kemungkinan interaksi antara neutron dan proton secara teoritis dihitung dengan asumsi bahwa potensial interaksi tidak bergantung pada putaran. Ternyata hasil eksperimen berbeda lima kali lipat dari hasil teoritis.

Perbedaan ini dihilangkan jika kita memperhitungkan bahwa interaksi bergantung pada orientasi relatif putaran.

Ketergantungan gaya nuklir pada orientasi putaran diwujudkan dalam eksperimen hamburan neutron pada molekul orto dan para-hidrogen.

Faktanya adalah ada dua jenis molekul hidrogen: dalam molekul orto-hidrogen, putaran dua proton sejajar satu sama lain, putaran totalnya adalah 1 dan dapat memiliki tiga orientasi (yang disebut keadaan triplet); dalam molekul para-hidrogen, putarannya antiparalel, putaran totalnya nol dan keadaan tunggal dimungkinkan (yang disebut keadaan singlet),

Rasio antara jumlah molekul orto dan para-hidrogen pada suhu kamar adalah Rasio ini ditentukan oleh jumlah kemungkinan keadaan.

Energi keadaan para dasar lebih rendah dibandingkan energi keadaan orgo dasar. Pada suhu rendah, molekul orto-hidrogen berubah menjadi molekul para-hidrogen. Dengan adanya katalis, transformasi ini berlangsung cukup cepat dan hidrogen cair dapat diperoleh dalam bentuk para-hidrogen murni. Kapan

hamburan neutron pada orto-hidrogen, putaran neutron sejajar dengan putaran kedua proton, atau antiparalel keduanya; yaitu ada konfigurasi:

Ketika dihamburkan oleh para-hidrogen, putaran neutron selalu sejajar dengan putaran satu proton dan antiparalel dengan putaran proton lainnya; Terlepas dari orientasi molekul para-hidrogen, konfigurasinya mempunyai karakter

Beras. 21 Neutron berhamburan pada molekul hidrogen

Mari kita anggap hamburan sebagai proses gelombang. Jika hamburan bergantung pada orientasi timbal balik spin, maka efek interferensi yang diamati dari gelombang neutron yang dihamburkan oleh kedua proton akan berbeda secara signifikan untuk proses hamburan pada molekul orto dan para-hidrogen.

Berapakah energi neutron agar perbedaan hamburan dapat terlihat? Dalam sebuah molekul, proton terletak pada jarak yang berkali-kali lipat lebih besar dari jari-jari gaya nuklir. cm Oleh karena itu, karena sifat gelombang neutron, proses hamburan dapat terjadi secara bersamaan pada kedua proton jika (Gbr. 21). Gelombang de Broglie diperlukan untuk ini

untuk neutron yang massanya setara dengan energi

Gaya nuklir memiliki sifat jenuh. Seperti yang telah disebutkan dalam § 4, sifat kejenuhan gaya nuklir dimanifestasikan dalam kenyataan bahwa energi ikat inti sebanding dengan jumlah nukleon dalam inti - A, dan bukan

Ciri gaya nuklir ini juga mengikuti stabilitas inti ringan. Misalnya, tidak mungkin menambahkan lebih banyak partikel baru ke deuteron; hanya satu kombinasi dengan tambahan neutron-tritium yang diketahui. Dengan demikian, sebuah proton dapat membentuk keadaan terikat dengan tidak lebih dari dua neutron.

Untuk menjelaskan kejenuhan Heisenberg, dikemukakan bahwa gaya nuklir bersifat pertukaran.

Kekuatan nuklir bersifat pertukaran. Untuk pertama kalinya, sifat pertukaran gaya ikatan kimia diketahui: ikatan terbentuk sebagai hasil transfer elektron dari satu atom ke atom lainnya. Gaya elektromagnetik juga dapat diklasifikasikan sebagai gaya pertukaran: interaksi muatan dijelaskan oleh fakta bahwa mereka bertukar kuanta y. Namun, dalam hal ini tidak ada saturasi, karena pertukaran y-quanta tidak mengubah sifat setiap partikel.

Sifat pertukaran gaya nuklir diwujudkan dalam kenyataan bahwa selama tumbukan, nukleon dapat saling mentransfer karakteristik seperti muatan, proyeksi putaran, dan lain-lain.

Sifat pertukaran ini dibuktikan dengan berbagai eksperimen, misalnya dengan hasil pengukuran distribusi sudut neutron berenergi tinggi ketika dihamburkan oleh proton. Mari kita lihat ini lebih terinci.

Dalam fisika nuklir, energi disebut tinggi ketika gelombang de Broglie partikel memenuhi hubungan yaitu.

Untuk nukleon, panjang gelombang de Broglie berhubungan dengan energi kinetik melalui persamaan

dan, oleh karena itu, energi kinetik suatu nukleon dapat disebut tinggi jika energi kinetiknya jauh lebih besar

Mekanika kuantum memungkinkan kita memperoleh ketergantungan penampang hamburan efektif pada energi neutron datang dan sudut hamburan jika potensial interaksi diketahui.

Perhitungan menunjukkan bahwa untuk potensial seperti sumur persegi panjang, penampang hamburan harus bervariasi tergantung pada energi partikel, dan hamburan itu sendiri harus terjadi dalam sudut yang kecil.Oleh karena itu, distribusi sudut neutron yang tersebar di pusat sumur inersia sistem harus maksimal pada arah pergerakannya, dan distribusi recoil proton harus maksimal pada arah sebaliknya.

Secara eksperimental, tidak hanya puncak dalam distribusi sudut yang mengarah ke depan, tetapi juga puncak kedua dalam arah ke belakang ditemukan untuk neutron (Gbr. 22).

Beras. 22. Ketergantungan penampang diferensial hamburan neutron pada proton pada sudut hamburan

Hasil percobaan hanya dapat dijelaskan dengan asumsi bahwa gaya pertukaran bekerja antara nukleon dan bahwa selama proses hamburan, neutron dan proton bertukar muatan, yaitu hamburan terjadi dengan “pertukaran muatan”. Dalam hal ini, sebagian neutron berubah menjadi proton, dan proton diamati terbang ke arah datangnya neutron, yang disebut proton pertukaran muatan. Pada saat yang sama, sebagian proton berubah menjadi neutron dan dicatat sebagai neutron yang dihamburkan kembali ke s.

Peran relatif gaya pertukaran dan gaya biasa ditentukan oleh rasio jumlah neutron yang terbang mundur dengan jumlah neutron yang terbang ke depan.

Berdasarkan mekanika kuantum dapat dibuktikan bahwa adanya gaya pertukaran selalu menimbulkan fenomena kejenuhan, karena suatu partikel tidak dapat berinteraksi melalui pertukaran dengan banyak partikel secara bersamaan.

Namun, studi yang lebih rinci tentang eksperimen hamburan nukleon-nukleon menunjukkan bahwa meskipun gaya interaksi memang bersifat pertukaran, campuran potensial biasa dengan potensial pertukaran sedemikian rupa sehingga tidak dapat sepenuhnya menjelaskan kejenuhan. Sifat lain dari gaya nuklir juga ditemukan. Ternyata jika gaya tarik menarik yang dominan bekerja pada jarak yang jauh antar nukleon, maka ketika nukleon saling berdekatan (pada jarak orde cm), terjadi tolakan yang tajam. Hal ini dapat dijelaskan dengan adanya inti pada nukleon yang saling tolak menolak.

Perhitungan menunjukkan bahwa inti inilah yang terutama bertanggung jawab atas efek saturasi. Dalam hal ini, interaksi nuklir, tampaknya, harus dicirikan oleh potensi yang tidak seragam seperti sumur persegi panjang (Gbr. fungsi kompleks dengan fitur pada jarak kecil (Gbr. 18d).

Inti atom, yang terdiri dari sejumlah proton dan neutron, merupakan satu kesatuan karena adanya gaya-gaya tertentu yang bekerja antara nukleon-nukleon inti dan disebut nuklir. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa gaya nuklir mempunyai nilai yang sangat besar, jauh lebih besar daripada gaya tolak-menolak elektrostatis antar proton. Hal ini diwujudkan dalam kenyataan bahwa energi ikat spesifik nukleon dalam inti jauh lebih besar daripada usaha yang dilakukan oleh gaya tolak-menolak Coulomb. Mari kita perhatikan ciri-ciri utama gaya nuklir.

1. Kekuatan nuklir adalah kekuatan tarik-menarik jarak pendek . Mereka hanya muncul pada jarak yang sangat kecil antar nukleon dalam inti dengan orde 10 –15 m Panjang (1,5 – 2,2) 10 –15 m disebut jangkauan kekuatan nuklir mereka berkurang dengan cepat dengan bertambahnya jarak antar nukleon. Pada jarak (2-3) m, praktis tidak ada interaksi nuklir.

2. Kekuatan nuklir mempunyai sifat kejenuhan, itu. setiap nukleon hanya berinteraksi dengan sejumlah tetangga terdekatnya. Sifat gaya nuklir ini diwujudkan dalam perkiraan keteguhan energi ikat spesifik nukleon pada jumlah muatan A>40. Memang, jika tidak ada saturasi, maka energi ikat spesifik akan meningkat seiring dengan jumlah nukleon dalam inti.

3. Ciri gaya nuklir juga adalah cirinya menuntut kemerdekaan , yaitu. mereka tidak bergantung pada muatan nukleon, oleh karena itu interaksi nuklir antara proton dan neutron adalah sama.Kemandirian muatan gaya nuklir terlihat dari perbandingan energi ikat inti cermin.Inilah yang disebut dengan kernel, yang jumlah nukleonnya sama, tetapi jumlah proton pada satu sama dengan jumlah neutron pada yang lain. Misalnya, energi ikat inti helium dan hidrogen berat – tritium masing-masing adalah 7,72 SayaV dan 8.49 SayaV Perbedaan energi ikat inti-inti ini, sama dengan 0,77 MeV, sesuai dengan energi tolakan Coulomb dua proton dalam inti. Dengan asumsi nilai ini sama, kita dapat menemukan jarak rata-ratanya R jarak antar proton dalam inti adalah 1,9·10 –15 m, yang konsisten dengan jari-jari aksi gaya nuklir.

4. Kekuatan nuklir tidak terpusat dan bergantung pada orientasi timbal balik dari putaran nukleon yang berinteraksi. Hal ini dibuktikan dengan perbedaan sifat hamburan neutron oleh molekul orto- dan parahidrogen. Pada molekul ortohidrogen, putaran kedua proton sejajar satu sama lain, sedangkan pada molekul parahidrogen putarannya antiparalel. Eksperimen menunjukkan bahwa hamburan neutron dari parahidrogen 30 kali lebih besar daripada hamburan dari ortohidrogen.

Sifat kompleks gaya nuklir tidak memungkinkan pengembangan teori interaksi nuklir tunggal yang konsisten, meskipun banyak pendekatan berbeda telah diusulkan. Menurut hipotesis fisikawan Jepang H. Yukawa (1907-1981), yang ia ajukan pada tahun 1935, gaya nuklir disebabkan oleh pertukaran - meson, yaitu. partikel elementer yang massanya kira-kira 7 kali lebih kecil dari massa nukleon. Menurut model ini, waktu nukleon M- massa meson) memancarkan meson, yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, menempuh jarak, setelah itu diserap oleh nukleon kedua. Pada gilirannya, nukleon kedua juga mengeluarkan meson, yang diserap oleh nukleon pertama. Oleh karena itu, dalam model H. Yukawa, jarak interaksi nukleon ditentukan oleh panjang jalur meson, yang setara dengan jarak sekitar M dan urutan besarnya bertepatan dengan radius aksi gaya nuklir.

Pertanyaan 26. Reaksi fisi. Pada tahun 1938, ilmuwan Jerman O. Hahn (1879-1968) dan F. Strassmann (1902-1980) menemukan bahwa ketika uranium dibombardir dengan neutron, terkadang muncul inti yang berukuran kira-kira setengah dari ukuran inti uranium asli. Fenomena ini disebut fisi nuklir.

Ini merupakan reaksi transformasi nuklir pertama yang diamati secara eksperimental. Contohnya adalah salah satu kemungkinan reaksi fisi inti uranium-235:

Proses fisi nuklir berlangsung sangat cepat (dalam waktu ~10 -12 detik). Energi yang dilepaskan selama reaksi tipe (7.14) kira-kira 200 MeV per peristiwa fisi inti uranium-235.

Secara umum reaksi fisi inti uranium-235 dapat dituliskan sebagai:

Neutron (7.15)

Mekanisme reaksi fisi dapat dijelaskan dalam kerangka model hidrodinamik inti. Menurut model ini, ketika sebuah neutron diserap oleh inti uranium, ia berubah menjadi keadaan tereksitasi (Gbr. 7.2).

Kelebihan energi yang diterima inti akibat penyerapan neutron menyebabkan pergerakan nukleon lebih intens. Akibatnya, inti mengalami deformasi, yang menyebabkan melemahnya interaksi nuklir jarak pendek. Jika energi eksitasi inti lebih besar dari energi tertentu disebut energi aktivasi , kemudian di bawah pengaruh tolakan elektrostatik proton, inti atom terbelah menjadi dua bagian, memancarkan neutron fisi . Jika energi eksitasi pada penyerapan neutron lebih kecil dari energi aktivasi, maka inti tidak akan mencapai

tahap kritis fisi dan, setelah memancarkan kuantum, kembali ke tanah

negara.

Ciri penting dari reaksi fisi nuklir adalah kemampuan untuk menerapkan reaksi berantai nuklir mandiri berdasarkan reaksi tersebut. . Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa setiap peristiwa fisi rata-rata menghasilkan lebih dari satu neutron. Massa, muatan dan energi kinetik pecahan X Dan Eh, terbentuk selama reaksi fisi tipe (7.15) berbeda. Fragmen-fragmen ini dengan cepat dihambat oleh medium, menyebabkan ionisasi, pemanasan, dan gangguan strukturnya. Penggunaan energi kinetik pecahan fisi akibat pemanasan lingkungan menjadi dasar konversi energi nuklir menjadi energi panas. Fragmen fisi nuklir berada dalam keadaan tereksitasi setelah reaksi dan berpindah ke keadaan dasar melalui emisi β - partikel dan -kuanta.

Reaksi nuklir terkendali dilakukan di reaktor nuklir dan disertai dengan pelepasan energi. Reaktor nuklir pertama dibangun pada tahun 1942 di Amerika Serikat (Chicago) di bawah pimpinan fisikawan E. Fermi (1901 – 1954). Di Uni Soviet, reaktor nuklir pertama dibuat pada tahun 1946 di bawah kepemimpinan I.V.Kurchatov. Kemudian, setelah memperoleh pengalaman dalam mengendalikan reaksi nuklir, mereka mulai membangun pembangkit listrik tenaga nuklir.

Pertanyaan 27. Reaksi sintesis. Fusi nuklir disebut reaksi fusi proton dan neutron atau inti ringan individu, yang menghasilkan terbentuknya inti yang lebih berat. Reaksi fusi nuklir yang paling sederhana adalah:

, ΔQ = 17,59 MeV; (7.17)

Perhitungan menunjukkan bahwa energi yang dilepaskan selama reaksi fusi nuklir per satuan massa secara signifikan melebihi energi yang dilepaskan selama reaksi fisi nuklir. Selama reaksi fisi inti uranium-235, sekitar 200 MeV dilepaskan, yaitu. 200:235=0,85 MeV per nukleon, dan selama reaksi fusi (7.17) energi yang dilepaskan kira-kira 17,5 MeV, yaitu 3,5 MeV per nukleon (17,5:5=3,5 MeV). Dengan demikian, proses fusi kira-kira 4 kali lebih efisien dibandingkan proses fisi uranium (per satu nukleon inti yang berpartisipasi dalam reaksi fisi).

Kecepatan reaksi yang tinggi dan pelepasan energi yang relatif tinggi membuat campuran deuterium dan tritium menjadi solusi yang paling menjanjikan untuk memecahkan masalah ini. fusi termonuklir yang terkendali. Harapan umat manusia untuk memecahkan masalah energinya terkait dengan fusi termonuklir yang terkendali. Pasalnya, cadangan uranium sebagai bahan baku pembangkit listrik tenaga nuklir di bumi terbatas. Namun deuterium yang terkandung dalam air laut merupakan sumber bahan bakar nuklir murah yang hampir tidak ada habisnya. Situasi dengan tritium agak lebih rumit. Tritium bersifat radioaktif (waktu paruhnya 12,5 tahun, reaksi peluruhannya :), dan tidak terjadi di alam. Oleh karena itu, untuk memastikan pekerjaan reaktor fusi menggunakan tritium sebagai bahan bakar nuklir, kemungkinan reproduksinya harus dipastikan.

Untuk tujuan ini, area kerja reaktor harus dikelilingi oleh lapisan isotop litium ringan, di mana reaksi akan berlangsung.

Sebagai hasil dari reaksi ini, isotop hidrogen tritium () terbentuk.

Di masa depan, kemungkinan untuk membuat reaktor termonuklir radioaktif rendah menggunakan campuran isotop deuterium dan helium sedang dipertimbangkan; reaksi fusi berbentuk:

SayaV.(7.20)

Sebagai hasil dari reaksi ini, karena tidak adanya neutron dalam produk sintesis, bahaya biologis reaktor dapat dikurangi empat hingga lima kali lipat dibandingkan dengan reaktor fisi nuklir dan reaktor termonuklir yang menggunakan bahan bakar deuterium dan tritium. dan tidak diperlukannya industri pengolahan bahan radioaktif dan pengangkutannya, pembuangan limbah radioaktif disederhanakan secara kualitatif. Namun, prospek untuk menciptakan reaktor termonuklir ramah lingkungan di masa depan menggunakan campuran deuterium () dengan isotop helium () diperumit oleh masalah bahan mentah: cadangan alami isotop helium di Bumi tidak signifikan. Dampak deuterium pada masa depan termonuklir yang ramah lingkungan

Dalam perjalanan menuju penerapan reaksi fusi dalam kondisi terestrial, masalah tolakan elektrostatik inti cahaya muncul ketika mereka mendekati jarak di mana gaya tarik menarik nuklir mulai bekerja, yaitu. sekitar 10 -15 m, setelah itu terjadi proses penggabungan karena efek terowongan. Untuk mengatasi penghalang potensial, inti cahaya yang bertabrakan harus diberi energi sebesar ≈10 keV, yang sesuai dengan suhu T ≈10 8 K dan lebih tinggi. Oleh karena itu, reaksi termonuklir dalam kondisi alami hanya terjadi di bagian dalam bintang. Untuk menerapkannya dalam kondisi terestrial, diperlukan pemanasan yang kuat terhadap materi, baik melalui ledakan nuklir, atau pelepasan gas yang kuat, atau gelombang radiasi laser yang sangat besar, atau pemboman dengan pancaran partikel yang intens. Reaksi termonuklir sejauh ini hanya dilakukan pada uji ledakan bom termonuklir (hidrogen).

Persyaratan dasar yang harus dipenuhi oleh reaktor termonuklir sebagai alat untuk melaksanakan fusi termonuklir terkendali adalah sebagai berikut.

Pertama, diperlukan pengurungan plasma panas yang andal (≈10 8 K) di zona reaksi. Ide mendasar yang menentukan cara untuk memecahkan masalah ini selama bertahun-tahun diungkapkan pada pertengahan abad ke-20 di Uni Soviet, Amerika Serikat dan Inggris hampir secara bersamaan. Ide ini adalah penggunaan medan magnet untuk penahanan dan isolasi termal plasma suhu tinggi.

Kedua, ketika beroperasi dengan bahan bakar yang mengandung tritium (yang merupakan isotop hidrogen yang sangat radioaktif), akan terjadi kerusakan radiasi pada dinding ruang reaktor fusi. Menurut para ahli, ketahanan mekanis dinding pertama ruangan tidak mungkin melebihi 5-6 tahun. Artinya, instalasi tersebut harus dibongkar seluruhnya secara berkala dan kemudian dipasang kembali menggunakan robot jarak jauh karena sisa radioaktivitas yang sangat tinggi.

Ketiga, persyaratan utama yang harus dipenuhi oleh fusi termonuklir adalah bahwa pelepasan energi sebagai akibat dari reaksi termonuklir lebih dari sekadar mengkompensasi energi yang dikonsumsi dari sumber eksternal untuk mempertahankan reaksi itu sendiri. Yang sangat menarik adalah reaksi termonuklir “murni”,

tidak menghasilkan neutron (lihat (7.20) dan reaksi di bawah:

Pertanyaan 28. Peluruhan radioaktif α−, β−, γ− radiasi.

Di bawah radioaktivitas memahami kemampuan beberapa inti atom yang tidak stabil untuk secara spontan berubah menjadi inti atom lain dengan emisi radiasi radioaktif.

Radioaktivitas alami disebut radioaktivitas yang diamati pada isotop tidak stabil yang terjadi secara alami.

Radioaktivitas buatan adalah radioaktivitas isotop yang diperoleh sebagai hasil reaksi nuklir yang dilakukan di akselerator dan reaktor nuklir.

Transformasi radioaktif terjadi dengan perubahan struktur, komposisi dan keadaan energi inti atom, dan disertai dengan emisi atau penangkapan partikel bermuatan atau netral, dan pelepasan radiasi gelombang pendek yang bersifat elektromagnetik (kuanta radiasi gamma). Partikel dan kuanta yang dipancarkan ini secara kolektif disebut radioaktif (atau Ionisasi ) radiasi, dan unsur-unsur yang intinya dapat meluruh secara spontan karena satu dan lain hal (alami atau buatan) disebut radioaktif atau radionuklida . Penyebab peluruhan radioaktif adalah ketidakseimbangan antara gaya tarik menarik nuklir (jarak pendek) dan gaya tolak menolak elektromagnetik (jarak jauh) dari proton yang bermuatan positif.

Radiasi pengion– aliran partikel bermuatan atau netral dan kuanta radiasi elektromagnetik, yang perjalanannya melalui suatu zat menyebabkan ionisasi dan eksitasi atom atau molekul medium. Berdasarkan sifatnya, ia terbagi menjadi foton (radiasi gamma, bremsstrahlung, radiasi sinar-X) dan sel (radiasi alfa, elektron, proton, neutron, meson).

Dari 2.500 nuklida yang diketahui saat ini, hanya 271 yang stabil, dan sisanya (90%!) Tidak stabil, yaitu. radioaktif; melalui satu atau lebih peluruhan berturut-turut, disertai dengan emisi partikel atau -kuanta, mereka berubah menjadi nuklida stabil.

Studi tentang komposisi radiasi radioaktif memungkinkan kita untuk membaginya menjadi tiga komponen berbeda: -radiasi adalah aliran partikel bermuatan positif - inti helium (), radiasi β – aliran elektron atau positron, radiasi – fluks radiasi elektromagnetik gelombang pendek.

Biasanya, semua jenis radioaktivitas disertai dengan emisi sinar gamma - radiasi elektromagnetik gelombang pendek yang keras. Sinar gamma adalah bentuk utama pengurangan energi produk tereksitasi dari transformasi radioaktif. Inti yang mengalami peluruhan radioaktif disebut keibuan; muncul anak perusahaan inti, sebagai suatu peraturan, menjadi tereksitasi, dan transisinya ke keadaan dasar disertai dengan emisi kuantum.

hukum konservasi. Selama peluruhan radioaktif, parameter berikut dipertahankan:

1. Mengenakan biaya . Muatan listrik tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Muatan total sebelum dan sesudah reaksi harus kekal, meskipun muatan tersebut mungkin didistribusikan secara berbeda antar inti dan partikel yang berbeda.

2. Nomor massal atau jumlah nukleon setelah reaksi harus sama dengan jumlah nukleon sebelum reaksi.

3. Energi total . Energi Coulomb dan energi massa setara harus kekal dalam semua reaksi dan peluruhan.

4.Momentum dan momentum sudut . Kekekalan momentum linier bertanggung jawab atas distribusi energi Coulomb di antara inti, partikel, dan/atau radiasi elektromagnetik. Momentum sudut mengacu pada putaran partikel.

peluruhan α disebut emisi dari inti atom α− partikel. Pada α− peluruhan, seperti biasa, hukum kekekalan energi harus dipenuhi. Pada saat yang sama, setiap perubahan energi sistem berhubungan dengan perubahan proporsional dalam massanya. Oleh karena itu, selama peluruhan radioaktif, massa inti induk harus melebihi massa produk peluruhan dengan jumlah yang sesuai dengan energi kinetik sistem setelah peluruhan (jika inti induk dalam keadaan diam sebelum peluruhan). Jadi, untuk berjaga-jaga α− kondisi peluruhan harus dipenuhi

dimana adalah massa inti induk dengan nomor massa A dan nomor seri Z, adalah massa inti anak dan merupakan massa α− partikel. Masing-masing massa ini, pada gilirannya, dapat direpresentasikan sebagai jumlah dari nomor massa dan cacat massa:

Mengganti ekspresi massa ini ke dalam pertidaksamaan (8.2), kita memperoleh kondisi berikut untuk α− peluruhan:, (8.3)

itu. perbedaan cacat massa inti ibu dan inti anak harus lebih besar daripada cacat massa α− partikel. Jadi, kapan α− peluruhan, jumlah massa inti induk dan inti anak harus berbeda satu sama lain sebanyak empat. Jika selisih nomor massanya empat, maka bila terjadi cacat massa isotop alam selalu mengecil seiring bertambahnya A. Jadi, jika pertidaksamaan (8.3) tidak terpenuhi, karena cacat massa inti yang lebih berat, yang seharusnya menjadi inti induk, lebih kecil daripada cacat massa inti yang lebih ringan. Oleh karena itu, kapan α− peluruhan nuklir tidak terjadi. Hal yang sama berlaku untuk sebagian besar isotop buatan. Pengecualian adalah beberapa isotop ringan buatan, yang mana lonjakan energi pengikatannya, dan oleh karena itu cacat massa, dibandingkan dengan isotop tetangganya sangat besar (misalnya, isotop berilium, yang meluruh menjadi dua. α− partikel).

Energi α− partikel hasil peluruhan inti terkandung dalam kisaran yang relatif sempit dari 2 hingga 11 MeV. Pada saat yang sama, terdapat kecenderungan waktu paruh menurun seiring dengan meningkatnya energi α− partikel. Kecenderungan ini terutama terlihat selama transformasi radioaktif berturut-turut dalam keluarga radioaktif yang sama (hukum Geiger-Nattall). Misalnya energi α− partikel selama peluruhan uranium (T = 7.1 .10 8 bertahun-tahun)adalah 4,58 saya, selama peluruhan protaktinium (T = 3.4 .10 4 bertahun-tahun) - 5,04 Mev selama peluruhan polonium (T = 1,83 ,10 -3 Dengan)- 7,36saya.

Secara umum, inti dari isotop yang sama dapat mengeluarkan emisi α− partikel dengan beberapa nilai energi yang ditentukan secara ketat (dalam contoh sebelumnya, energi tertinggi ditunjukkan). Dengan kata lain, α− partikel mempunyai spektrum energi diskrit. Hal ini dijelaskan sebagai berikut. Inti anak yang dihasilkan dari peluruhan, menurut hukum mekanika kuantum, dapat berada dalam beberapa keadaan berbeda, yang masing-masing mempunyai energi tertentu. Keadaan dengan energi terendah disebut stabil utama . Negara bagian lainnya dipanggil bersemangat . Inti dapat bertahan di dalamnya untuk waktu yang sangat singkat (10 -8 - 10 -12 detik), dan kemudian berpindah ke keadaan dengan energi yang lebih rendah (tidak harus langsung menjadi energi utama) dengan emisi γ− kuantum.

Sedang berlangsung α− Ada dua tahap peluruhan: pembentukan α− partikel dari nukleon nuklir dan emisi α− partikel yang mempunyai inti.

Peluruhan beta (radiasi). Konsep peluruhan menggabungkan tiga jenis transformasi intranuklear spontan: peluruhan elektron, peluruhan positron, dan penangkapan elektron ( E- menangkap).

Terdapat lebih banyak isotop radioaktif beta dibandingkan isotop radioaktif alfa. Mereka hadir dalam seluruh rentang perubahan jumlah massa inti (dari inti ringan hingga yang terberat).

Peluruhan beta inti atom disebabkan oleh interaksi yang lemah partikel elementer dan, seperti peluruhan, tunduk pada hukum tertentu. Selama peluruhan, salah satu neutron dalam inti berubah menjadi proton, memancarkan elektron dan antineutrino elektron. Proses ini terjadi sesuai dengan skema berikut: . (8.8)

Selama − peluruhan, salah satu proton inti berubah menjadi neutron dengan emisi positron dan elektron neutrino:

Sebuah neutron bebas, bukan bagian dari inti, meluruh secara spontan menurut reaksi (8.8) dengan waktu paruh sekitar 12 menit, hal ini dimungkinkan karena massa neutron adalah sma. lebih besar dari massa proton a.m.u. dengan nilai amu, yang melebihi massa diam elektron amu. (massa diam neutrino adalah nol). Peluruhan proton bebas dilarang oleh hukum kekekalan energi, karena jumlah massa diam partikel yang dihasilkan - neutron dan positron - lebih besar daripada massa proton. Peluruhan (8.9) proton hanya mungkin terjadi dalam inti jika massa inti anak lebih kecil dari massa inti induk dengan jumlah yang lebih besar daripada massa sisa positron (massa sisa positron dan elektron). adalah sama). Di sisi lain, kondisi serupa harus dipenuhi dalam kasus peluruhan neutron yang termasuk dalam inti atom.

Selain proses yang terjadi menurut reaksi (8.9), transformasi proton menjadi neutron juga dapat terjadi melalui penangkapan elektron oleh proton dengan emisi elektron neutrino secara simultan.

Sama seperti proses (8.9), proses (8.10) tidak terjadi dengan proton bebas. Namun, jika sebuah proton berada di dalam inti, maka ia dapat menangkap salah satu elektron orbital atomnya, asalkan jumlah massa inti induk dan elektron lebih besar daripada massa inti anak. Kemungkinan bertemunya proton yang terletak di dalam inti dengan elektron orbital suatu atom disebabkan oleh fakta bahwa, menurut mekanika kuantum, pergerakan elektron dalam suatu atom tidak terjadi dalam orbit yang ditentukan secara ketat, seperti yang diterima dalam teori Bohr. , tetapi ada kemungkinan tertentu untuk bertemu elektron di wilayah ruang mana pun di dalam atom, khususnya, dan di wilayah yang ditempati oleh inti atom.

Transformasi inti yang disebabkan oleh penangkapan elektron orbital disebut E-menangkap. Paling sering, terjadi penangkapan elektron milik kulit K yang paling dekat dengan inti (K-capture). Penangkapan elektron yang termasuk dalam kulit L berikutnya (penangkapan L) terjadi kira-kira 100 kali lebih jarang.

Radiasi gamma. Radiasi gamma adalah radiasi elektromagnetik gelombang pendek, yang memiliki panjang gelombang sangat pendek dan, sebagai akibatnya, memiliki sifat sel yang nyata, yaitu. adalah aliran kuanta dengan energi ( ν − frekuensi radiasi), momentum dan putaran J(dalam satuan ħ ).

Radiasi gamma menyertai peluruhan inti, terjadi selama pemusnahan partikel dan antipartikel, selama perlambatan partikel bermuatan cepat dalam suatu medium, selama peluruhan meson, terdapat dalam radiasi kosmik, dalam reaksi nuklir, dll. Telah dilakukan secara eksperimental menetapkan bahwa inti tereksitasi yang terbentuk sebagai hasil peluruhan dapat melalui serangkaian keadaan antara yang kurang tereksitasi. Oleh karena itu, radiasi dari isotop radioaktif yang sama mungkin mengandung beberapa jenis kuanta, yang nilai energinya berbeda satu sama lain. Masa hidup inti yang tereksitasi biasanya meningkat tajam seiring dengan penurunan energinya dan dengan peningkatan perbedaan antara putaran inti pada keadaan awal dan akhir.

Emisi kuantum juga terjadi selama transisi radiasi inti atom dari keadaan tereksitasi dengan energi E saya ke tanah atau keadaan kurang bersemangat dengan energi Ek (E saya >Ek). Menurut hukum kekekalan energi (sampai energi mundur inti), energi kuantum ditentukan oleh ekspresi: . (8.11)

Selama radiasi, hukum kekekalan momentum dan momentum sudut juga terpenuhi.

Karena perbedaan tingkat energi inti, radiasi memiliki spektrum garis energi dan frekuensi. Pada kenyataannya, spektrum energi inti atom terbagi menjadi daerah diskrit dan kontinu. Di wilayah spektrum diskrit, jarak antara tingkat energi inti jauh lebih besar daripada lebar energinya G level yang ditentukan oleh masa pakai kernel dalam keadaan ini:

Waktu menentukan laju peluruhan inti yang tereksitasi:

dimana jumlah core pada waktu awal (); jumlah inti yang tidak membusuk pada satu waktu T.

pertanyaan 29. Hukum perpindahan. Ketika sebuah partikel dipancarkan, inti kehilangan dua proton dan dua neutron. Oleh karena itu, inti (anak) yang dihasilkan, dibandingkan dengan inti asli (induk), mempunyai nomor massa kurang dari empat dan nomor urut dua.

Jadi, setelah peluruhan, diperoleh suatu unsur, yang dalam tabel periodik menempati tempat dua sel ke kiri dibandingkan dengan aslinya :. (8.14)

Selama peluruhan, salah satu neutron dalam inti berubah menjadi proton dengan emisi elektron dan antineutrino (–peluruhan). Akibat peluruhan, jumlah nukleon dalam inti tetap tidak berubah. Oleh karena itu nomor massa tidak berubah, dengan kata lain terjadi transformasi isobar yang satu menjadi isobar yang lain. Namun, muatan inti anak dan nomor atomnya berubah. Selama –peluruhan, ketika neutron berubah menjadi proton, nomor atom bertambah satu, yaitu. dalam hal ini, muncul suatu unsur yang digeser dalam tabel periodik sebanyak satu sel ke kanan dibandingkan dengan sel aslinya:

Selama peluruhan, ketika proton berubah menjadi neutron, nomor atom berkurang satu, dan unsur yang baru dihasilkan digeser satu sel ke kiri dalam tabel periodik:

Dalam ekspresi (8.14) − (8.16) X- simbol inti keibuan, Y– lambang inti anak; – inti helium, dan – simbol elektron yang digunakan A= 0 dan Z= –1, dan sebuah positron, yang mana A= 0 dan Z=+1.

Inti radioaktif terbentuk secara alami tiga keluarga radioaktif , ditelepon keluarga uranium (), keluarga torium ()Dan keluarga anemon laut (). Mereka mendapatkan namanya dari isotop berumur panjang dengan waktu paruh terpanjang. Semua keluarga setelah rantai peluruhan α− dan β− berakhir pada inti stabil isotop timbal – , dan. Keluarga neptunium, dimulai dengan unsur transuranium neptunium, diproduksi secara artifisial dan berakhir pada isotop bismut.

Inti atom, yang terdiri dari sejumlah proton dan neutron, merupakan satu kesatuan karena adanya gaya-gaya tertentu yang bekerja antara nukleon-nukleon inti dan disebut nuklir. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa gaya nuklir mempunyai nilai yang sangat besar, jauh lebih besar daripada gaya tolak-menolak elektrostatis antar proton. Hal ini diwujudkan dalam kenyataan bahwa energi ikat spesifik nukleon dalam inti jauh lebih besar daripada usaha yang dilakukan oleh gaya tolak-menolak Coulomb. Mari kita perhatikan ciri-ciri utama gaya nuklir.

1. Kekuatan nuklir adalah kekuatan menarik jangka pendek . Mereka hanya muncul pada jarak yang sangat kecil antara nukleon dalam inti dengan orde 10–15 m. Jarak orde (1,5 – 2.2)·10–15 m disebut jari-jari aksi gaya nuklir; dengan peningkatannya , kekuatan nuklir dengan cepat berkurang. Pada jarak orde (2-3) m, interaksi nuklir antar nukleon praktis tidak ada.

2. Kekuatan nuklir mempunyai sifat kejenuhan, itu. setiap nukleon hanya berinteraksi dengan sejumlah tetangga terdekatnya. Sifat gaya nuklir ini diwujudkan dalam perkiraan keteguhan energi ikat spesifik nukleon pada jumlah muatan A>40. Memang, jika tidak ada saturasi, maka energi ikat spesifik akan meningkat seiring dengan jumlah nukleon dalam inti.

3. Ciri gaya nuklir juga adalah cirinya menuntut kemerdekaan , yaitu. mereka tidak bergantung pada muatan nukleon, sehingga interaksi inti antara proton dan neutron adalah sama. Kemandirian muatan gaya nuklir terlihat dari perbandingan energi ikat inti cermin . Ini adalah nama yang diberikan untuk inti atom yang jumlah total nukleonnya sama, tetapi jumlah proton di salah satu nukleon sama dengan jumlah neutron di nukleon lainnya. Misalnya, energi ikat inti helium dan hidrogen berat – tritium masing-masing adalah 7,72 SayaV dan 8.49 SayaV. Perbedaan energi ikat inti-inti ini, sama dengan 0,77 MeV, sesuai dengan energi tolakan Coulomb dua proton dalam inti. Dengan asumsi nilai ini sama dengan , kita dapat mencari jarak rata-ratanya R jarak antar proton dalam inti adalah 1,9·10 –15 m, yang konsisten dengan jari-jari aksi gaya nuklir.

4. Kekuatan nuklir tidak terpusat dan bergantung pada orientasi timbal balik dari putaran nukleon yang berinteraksi. Hal ini dibuktikan dengan perbedaan sifat hamburan neutron oleh molekul orto- dan parahidrogen. Pada molekul ortohidrogen, putaran kedua proton sejajar satu sama lain, sedangkan pada molekul parahidrogen putarannya antiparalel. Eksperimen menunjukkan bahwa hamburan neutron pada parahidrogen 30 kali lebih besar daripada hamburan pada ortohidrogen.

Sifat kompleks gaya nuklir tidak memungkinkan pengembangan teori interaksi nuklir tunggal yang konsisten, meskipun banyak pendekatan berbeda telah diusulkan. Menurut hipotesis fisikawan Jepang H. Yukawa, yang ia ajukan pada tahun 1935, gaya nuklir disebabkan oleh pertukaran - meson, yaitu. partikel elementer yang massanya kira-kira 7 kali lebih kecil dari massa nukleon. Menurut model ini, sebuah nukleon dalam waktu M- massa meson) memancarkan meson, yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, menempuh jarak , setelah itu diserap oleh nukleon kedua. Pada gilirannya, nukleon kedua juga mengeluarkan meson, yang diserap oleh nukleon pertama. Oleh karena itu, dalam model H. Yukawa, jarak interaksi nukleon ditentukan oleh panjang jalur meson, yang setara dengan jarak sekitar M dan urutan besarnya bertepatan dengan radius aksi gaya nuklir.

Mari kita beralih ke pertimbangan interaksi pertukaran antar nukleon. Ada meson positif, negatif dan netral. Modulus muatan - atau - meson secara numerik sama dengan muatan dasar e. Massa meson bermuatan sama dan sama dengan (140 SayaV), massa meson adalah 264 (135 SayaV). Putaran meson bermuatan dan netral adalah 0. Ketiga partikel tersebut tidak stabil. Masa hidup - dan - meson adalah 2,6 Dengan, - meson – 0,8·10 -16 Dengan. Interaksi antar nukleon dilakukan menurut salah satu skema berikut:

(22.7)
1. Nukleon bertukar meson:

Dalam hal ini, proton mengeluarkan meson, berubah menjadi neutron. Meson diserap oleh neutron, yang akibatnya berubah menjadi proton, kemudian proses yang sama terjadi dalam arah sebaliknya. Jadi, masing-masing nukleon yang berinteraksi menghabiskan sebagian waktunya dalam keadaan bermuatan dan sebagian lagi dalam keadaan netral.

2. Pertukaran nukleon - meson:

3. Pertukaran nukleon - meson:

. (22.10)

Semua proses ini telah dibuktikan secara eksperimental. Secara khusus, proses pertama dikonfirmasi ketika berkas neutron melewati hidrogen. Proton yang bergerak muncul dalam berkas, dan sejumlah neutron yang praktis diam terdeteksi pada target.

Model kernel. Tidak adanya hukum matematika untuk gaya nuklir tidak memungkinkan terciptanya teori terpadu tentang inti atom. Upaya untuk menciptakan teori semacam itu menemui kesulitan yang serius. Berikut beberapa di antaranya:

1. Kurangnya pengetahuan tentang gaya-gaya yang bekerja antar nukleon.

2. Sangat rumitnya masalah banyak benda kuantum (inti dengan nomor massa A adalah sistem dari A telp).

Kesulitan-kesulitan ini memaksa kita untuk mengambil jalur pembuatan model nuklir yang memungkinkan untuk menggambarkan sekumpulan sifat nuklir tertentu menggunakan cara matematika yang relatif sederhana. Tak satu pun dari model ini dapat memberikan gambaran yang benar-benar akurat tentang inti atom. Oleh karena itu, Anda harus menggunakan beberapa model.

Di bawah model kernel dalam fisika nuklir mereka memahami seperangkat asumsi fisika dan matematika yang dapat digunakan untuk menghitung karakteristik sistem nuklir yang terdiri dari A nukleon. Banyak model dengan tingkat kompleksitas yang berbeda-beda telah diusulkan dan dikembangkan. Kami hanya akan mempertimbangkan yang paling terkenal di antara mereka.

Model inti hidrodinamik (tetesan). dikembangkan pada tahun 1939. N. Bohr dan ilmuwan Soviet J. Frenkel. Hal ini didasarkan pada asumsi bahwa, karena kepadatan nukleon yang tinggi dalam inti dan interaksi yang sangat kuat di antara mereka, pergerakan independen masing-masing nukleon tidak mungkin dilakukan dan inti adalah setetes cairan bermuatan dengan kepadatan. Seperti setetes cairan pada umumnya, permukaan inti dapat berosilasi. Jika amplitudo getaran menjadi cukup besar maka terjadilah proses fisi nuklir. Model tetesan memungkinkan diperolehnya rumus energi ikat nukleon dalam inti dan menjelaskan mekanisme beberapa reaksi nuklir. Namun, model ini tidak menjelaskan sebagian besar spektrum eksitasi inti atom dan stabilitas khusus beberapa di antaranya. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa model hidrodinamik kurang lebih mencerminkan esensi struktur internal inti.

Model cangkang kernel dikembangkan pada tahun 1940-1950 oleh fisikawan Amerika M. Geppert - Mayer dan fisikawan Jerman H. Jensen. Diasumsikan bahwa setiap nukleon bergerak secara independen satu sama lain dalam suatu medan potensial rata-rata (potensial yang diciptakan oleh nukleon-nukleon inti yang tersisa. Dalam kerangka model cangkang, fungsinya tidak dihitung, tetapi dipilih sedemikian rupa sehingga paling sesuai dengan data eksperimen dapat dicapai.

Kedalaman sumur potensial biasanya ~ (40-50) SayaV dan tidak bergantung pada jumlah nukleon dalam inti. Menurut teori kuantum, nukleon dalam suatu medan berada pada tingkat energi diskrit tertentu. Asumsi utama pencipta model cangkang tentang pergerakan independen nukleon dalam medan potensial rata-rata bertentangan dengan ketentuan dasar pengembang model hidrodinamik. Oleh karena itu, karakteristik inti yang digambarkan dengan baik oleh model hidrodinamik (misalnya nilai energi ikat), tidak dapat dijelaskan dalam kerangka model cangkang, begitu pula sebaliknya.

Model kernel yang digeneralisasi , dikembangkan pada tahun 1950-1953, menggabungkan ketentuan utama pencipta model hidrodinamik dan cangkang. Dalam model umum, diasumsikan bahwa inti terdiri dari bagian stabil internal - inti, yang dibentuk oleh nukleon cangkang yang terisi, dan nukleon luar yang bergerak dalam medan yang diciptakan oleh nukleon inti. Dalam hal ini, pergerakan inti digambarkan dengan model hidrodinamik, dan pergerakan nukleon luar dijelaskan dengan model cangkang. Akibat interaksi dengan nukleon luar, inti dapat berubah bentuk, dan inti dapat berputar pada sumbu yang tegak lurus terhadap sumbu deformasi. Model umum memungkinkan untuk menjelaskan ciri-ciri utama spektrum rotasi dan vibrasi inti atom, serta nilai momen listrik kuadrupol yang tinggi dari beberapa di antaranya.

Kami telah mempertimbangkan yang fenomenologis utama, yaitu. deskriptif, model kernel. Namun, untuk memahami secara utuh sifat interaksi nuklir yang menentukan sifat dan struktur inti, perlu dibuat teori yang menyatakan bahwa inti atom sebagai suatu sistem nukleon yang berinteraksi.

Inti atom, yang terdiri dari sejumlah proton dan neutron, merupakan satu kesatuan karena adanya gaya-gaya tertentu yang bekerja antara nukleon-nukleon inti dan disebut nuklir. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa gaya nuklir mempunyai nilai yang sangat besar, jauh lebih besar daripada gaya tolak-menolak elektrostatis antar proton. Hal ini diwujudkan dalam kenyataan bahwa energi ikat spesifik nukleon dalam inti jauh lebih besar daripada usaha yang dilakukan oleh gaya tolak-menolak Coulomb. Mari kita lihat yang utama ciri-ciri kekuatan nuklir.

1. Kekuatan nuklir adalah kekuatan menarik jangka pendek . Mereka hanya muncul pada jarak yang sangat kecil antar nukleon dalam inti dengan orde 10 –15 m. Jarak orde (1,5 – 2,2) 10 –15 m disebut jangkauan kekuatan nuklir, dengan peningkatannya, gaya nuklir berkurang dengan cepat. Pada jarak orde (2-3) m, interaksi nuklir antar nukleon praktis tidak ada.

2. Kekuatan nuklir mempunyai sifat kejenuhan, itu. setiap nukleon hanya berinteraksi dengan sejumlah tetangga terdekatnya. Sifat gaya nuklir ini diwujudkan dalam perkiraan keteguhan energi ikat spesifik nukleon pada jumlah muatan A>40. Memang, jika tidak ada saturasi, maka energi ikat spesifik akan meningkat seiring dengan jumlah nukleon dalam inti.

3. Ciri gaya nuklir juga adalah cirinya menuntut kemerdekaan , yaitu. mereka tidak bergantung pada muatan nukleon, sehingga interaksi inti antara proton dan neutron adalah sama. Kemandirian muatan gaya nuklir terlihat dari perbandingan energi ikat inti cermin . Ini adalah nama yang diberikan untuk inti atom yang jumlah total nukleonnya sama, tetapi jumlah proton di salah satu nukleon sama dengan jumlah neutron di nukleon lainnya. Misalnya, energi ikat inti helium dan hidrogen berat – tritium masing-masing adalah 7,72 SayaV dan 8.49 SayaV. Perbedaan energi ikat inti-inti ini, sama dengan 0,77 MeV, sesuai dengan energi tolakan Coulomb dua proton dalam inti. Dengan asumsi nilai ini sama dengan , kita dapat mencari jarak rata-ratanya R jarak antar proton dalam inti adalah 1,9·10 –15 m, yang konsisten dengan jari-jari aksi gaya nuklir.

4. Kekuatan nuklir tidak terpusat dan bergantung pada orientasi timbal balik dari putaran nukleon yang berinteraksi. Hal ini dibuktikan dengan perbedaan sifat hamburan neutron oleh molekul orto- dan parahidrogen. Pada molekul ortohidrogen, putaran kedua proton sejajar satu sama lain, sedangkan pada molekul parahidrogen putarannya antiparalel. Eksperimen menunjukkan bahwa hamburan neutron pada parahidrogen 30 kali lebih besar daripada hamburan pada ortohidrogen.

Sifat kompleks gaya nuklir tidak memungkinkan pengembangan teori interaksi nuklir tunggal yang konsisten, meskipun banyak pendekatan berbeda telah diusulkan. Menurut hipotesis fisikawan Jepang H. Yukawa (1907-1981), yang ia ajukan pada tahun 1935, gaya nuklir disebabkan oleh pertukaran - meson, yaitu. partikel elementer yang massanya kira-kira 7 kali lebih kecil dari massa nukleon. Menurut model ini, sebuah nukleon dalam waktu M- massa meson) memancarkan meson, yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya, menempuh jarak , setelah itu diserap oleh nukleon kedua. Pada gilirannya, nukleon kedua juga mengeluarkan meson, yang diserap oleh nukleon pertama. Oleh karena itu, dalam model H. Yukawa, jarak interaksi nukleon ditentukan oleh panjang jalur meson, yang setara dengan jarak sekitar M dan urutan besarnya bertepatan dengan radius aksi gaya nuklir.

Mari kita beralih ke pertimbangan interaksi pertukaran antar nukleon. Ada meson positif, negatif dan netral. Modulus muatan - atau - meson secara numerik sama dengan muatan dasar e . Massa meson bermuatan sama dan sama dengan (140 SayaV), massa meson adalah 264 (135 SayaV). Putaran meson bermuatan dan netral adalah 0. Ketiga partikel tersebut tidak stabil. Masa hidup - dan - meson adalah 2,6 Dengan, - meson – 0,8·10 -16 Dengan. Interaksi antar nukleon dilakukan menurut salah satu skema berikut:

1. Nukleon bertukar meson: . (22.8)

Dalam hal ini, proton mengeluarkan meson, berubah menjadi neutron. Meson diserap oleh neutron, yang akibatnya berubah menjadi proton, kemudian proses yang sama terjadi dalam arah sebaliknya. Jadi, masing-masing nukleon yang berinteraksi menghabiskan sebagian waktunya dalam keadaan bermuatan dan sebagian lagi dalam keadaan netral.

2. Pertukaran nukleon - meson:

3. Pertukaran nukleon - meson:

, (22.10)

Semua proses ini telah dibuktikan secara eksperimental. Secara khusus, proses pertama dikonfirmasi ketika berkas neutron melewati hidrogen. Proton yang bergerak muncul dalam berkas, dan sejumlah neutron yang praktis diam terdeteksi pada target.

Model kernel. Di bawah model kernel dalam fisika nuklir mereka memahami seperangkat asumsi fisika dan matematika yang dapat digunakan untuk menghitung karakteristik sistem nuklir yang terdiri dari A nukleon.

Model inti hidrodinamik (tetesan). Hal ini didasarkan pada asumsi bahwa, karena kepadatan nukleon yang tinggi dalam inti dan interaksi yang sangat kuat di antara mereka, pergerakan independen masing-masing nukleon tidak mungkin dilakukan dan inti adalah setetes cairan bermuatan dengan kepadatan tersebut. .

Model cangkang kernel Diasumsikan bahwa masing-masing nukleon bergerak secara independen satu sama lain dalam suatu medan potensial rata-rata (potensial yang diciptakan dengan baik oleh nukleon-nukleon yang tersisa dalam inti.

Model kernel yang digeneralisasi, menggabungkan ketentuan utama pencipta model hidrodinamik dan cangkang. Dalam model umum, diasumsikan bahwa inti terdiri dari bagian stabil internal - inti, yang dibentuk oleh nukleon cangkang yang terisi, dan nukleon luar yang bergerak dalam medan yang diciptakan oleh nukleon inti. Dalam hal ini, pergerakan inti digambarkan dengan model hidrodinamik, dan pergerakan nukleon luar dijelaskan dengan model cangkang. Akibat interaksi dengan nukleon luar, inti dapat berubah bentuk, dan inti dapat berputar pada sumbu yang tegak lurus terhadap sumbu deformasi.

26. Reaksi fisi inti atom. Energi nuklir.

Reaksi nuklir disebut transformasi inti atom yang disebabkan oleh interaksinya satu sama lain atau dengan inti lain atau partikel elementer. Pesan pertama tentang reaksi nuklir adalah milik E. Rutherford. Pada tahun 1919, ia menemukan bahwa ketika partikel melewati gas nitrogen, beberapa di antaranya diserap, dan proton juga dipancarkan secara bersamaan. Rutherford menyimpulkan bahwa inti nitrogen diubah menjadi inti oksigen sebagai hasil reaksi nuklir berbentuk:

, (22.11)

dimana − adalah sebuah partikel; − proton (hidrogen).

Parameter penting dari reaksi nuklir adalah hasil energinya, yang ditentukan oleh rumus:

(22.12)

Di sini dan merupakan jumlah dari massa partikel sebelum dan sesudah reaksi. Ketika reaksi nuklir terjadi dengan penyerapan energi, itulah sebabnya disebut endotermik, dan kapan - dengan pelepasan energi. Dalam hal ini mereka dipanggil eksotermik.

Dalam setiap reaksi nuklir, hal-hal berikut ini selalu terpenuhi: undang-undang konservasi :

− muatan listrik;

– jumlah nukleon;

− energi;

− dorongan hati.

Dua hukum pertama memperbolehkan reaksi nuklir ditulis dengan benar meskipun salah satu partikel yang terlibat dalam reaksi atau salah satu produknya tidak diketahui. Dengan menggunakan hukum kekekalan energi dan momentum, energi kinetik partikel yang terbentuk selama reaksi dapat ditentukan, serta arah pergerakan selanjutnya.

Untuk mengkarakterisasi reaksi endotermik, konsep ini diperkenalkan energi kinetik ambang batas , atau ambang batas reaksi nuklir , itu. energi kinetik terendah dari partikel yang datang (dalam kerangka acuan di mana inti target diam) yang memungkinkan terjadinya reaksi nuklir. Dari hukum kekekalan energi dan momentum maka energi ambang reaksi nuklir dihitung dengan rumus:

. (22.13)

Berikut adalah energi reaksi nuklir (7.12); -massa inti stasioner – target; adalah massa partikel yang mengenai inti.

Reaksi fisi. Pada tahun 1938, ilmuwan Jerman O. Hahn dan F. Strassmann menemukan bahwa ketika uranium dibombardir dengan neutron, terkadang muncul inti yang berukuran kira-kira setengah dari ukuran inti uranium aslinya. Fenomena ini disebut fisi nuklir.

Ini merupakan reaksi transformasi nuklir pertama yang diamati secara eksperimental. Contohnya adalah salah satu kemungkinan reaksi fisi inti uranium-235:

Proses fisi nuklir berlangsung sangat cepat dalam waktu ~10 -12 detik. Energi yang dilepaskan selama reaksi seperti (22.14) kira-kira 200 MeV per peristiwa fisi inti uranium-235.

Secara umum reaksi fisi inti uranium-235 dapat dituliskan sebagai:

+neutron . (22.15)

Mekanisme reaksi fisi dapat dijelaskan dalam kerangka model hidrodinamik inti. Menurut model ini, ketika sebuah neutron diserap oleh inti uranium, ia berubah menjadi keadaan tereksitasi (Gbr. 22.2).

Kelebihan energi yang diterima inti akibat penyerapan neutron menyebabkan pergerakan nukleon lebih intens. Akibatnya, inti mengalami deformasi, yang menyebabkan melemahnya interaksi nuklir jarak pendek. Jika energi eksitasi inti lebih besar dari energi tertentu disebut energi aktivasi , kemudian di bawah pengaruh tolakan elektrostatik proton, inti atom terbelah menjadi dua bagian, memancarkan neutron fisi . Jika energi eksitasi pada penyerapan neutron lebih kecil dari energi aktivasi, maka inti tidak akan mencapai

tahap kritis fisi dan, setelah memancarkan kuantum, kembali ke tahap utama

Dalam fisika, konsep “gaya” berarti ukuran interaksi formasi material satu sama lain, termasuk interaksi bagian-bagian materi (benda makroskopis, partikel elementer) satu sama lain dan dengan medan fisik (elektromagnetik, gravitasi). Secara total, ada empat jenis interaksi di alam yang diketahui: kuat, lemah, elektromagnetik, dan gravitasi, dan masing-masing memiliki jenis gaya tersendiri. Yang pertama berhubungan dengan gaya nuklir yang bekerja di dalam inti atom.

Apa yang menyatukan inti atom?

Sudah menjadi rahasia umum bahwa inti atom sangatlah kecil, ukurannya empat sampai lima kali lipat lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri. Hal ini menimbulkan pertanyaan yang jelas: mengapa ukurannya begitu kecil? Bagaimanapun, atom, yang terbuat dari partikel-partikel kecil, masih jauh lebih besar daripada partikel yang dikandungnya.

Sebaliknya, ukuran inti atom tidak jauh berbeda dengan nukleon (proton dan neutron) penyusunnya. Apakah hal ini ada alasannya atau hanya sebuah kebetulan?

Sementara itu, diketahui bahwa gaya listriklah yang menahan elektron bermuatan negatif di dekat inti atom. Gaya atau gaya apa yang menyatukan partikel-partikel inti? Tugas ini dilakukan oleh gaya nuklir, yang merupakan ukuran interaksi kuat.

Kekuatan nuklir yang kuat

Jika di alam hanya ada gaya gravitasi dan listrik, mis. yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari, maka inti atom, yang seringkali terdiri dari banyak proton bermuatan positif, akan menjadi tidak stabil: gaya listrik yang mendorong proton menjauhi satu sama lain akan jutaan kali lebih kuat daripada gaya gravitasi yang menarik mereka bersama-sama. . Gaya nuklir memberikan gaya tarik-menarik yang bahkan lebih kuat daripada gaya tolak-menolak listrik, meskipun hanya bayangan besarnya yang sebenarnya yang terlihat dalam struktur inti. Ketika kita mempelajari struktur proton dan neutron itu sendiri, kita melihat kemungkinan sebenarnya dari apa yang dikenal sebagai gaya nuklir kuat. Kekuatan nuklir adalah manifestasinya.

Gambar di atas menunjukkan bahwa dua gaya yang berlawanan dalam inti adalah gaya tolak menolak listrik antara proton yang bermuatan positif dan gaya nuklir yang menarik proton (dan neutron) secara bersamaan. Jika jumlah proton dan neutron tidak terlalu berbeda, maka gaya kedua lebih unggul dibandingkan gaya pertama.

Proton adalah analog dari atom, dan inti adalah analog dari molekul?

Di antara partikel manakah gaya nuklir bekerja? Pertama-tama, antar nukleon (proton dan neutron) dalam inti atom. Pada akhirnya, mereka juga bertindak antara partikel (quark, gluon, antiquark) di dalam proton atau neutron. Hal ini tidak mengherankan bila kita menyadari bahwa proton dan neutron pada hakikatnya kompleks.

Dalam sebuah atom, inti-inti kecil dan bahkan elektron-elektron yang lebih kecil jaraknya relatif berjauhan dibandingkan dengan ukurannya, dan gaya listrik yang mengikat mereka bersama-sama dalam sebuah atom cukup sederhana. Namun dalam molekul, jarak antar atom sebanding dengan ukuran atom, sehingga kompleksitas internal atom ikut berperan. Situasi yang bervariasi dan kompleks yang disebabkan oleh kompensasi parsial gaya listrik intra-atom menimbulkan proses di mana elektron sebenarnya dapat berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Hal ini membuat fisika molekul jauh lebih kaya dan kompleks dibandingkan dengan atom. Demikian pula, jarak antara proton dan neutron dalam sebuah inti sebanding dengan ukurannya - dan seperti halnya molekul, sifat gaya nuklir yang menyatukan inti atom jauh lebih kompleks daripada gaya tarik sederhana antara proton dan neutron.

Tidak ada inti tanpa neutron, kecuali hidrogen

Diketahui bahwa inti beberapa unsur kimia stabil, sedangkan inti unsur lain terus meluruh, dan kisaran laju peluruhan ini sangat luas. Mengapa gaya yang menahan nukleon di dalam inti atom berhenti bekerja? Mari kita lihat apa yang dapat kita pelajari dari pertimbangan sederhana tentang sifat-sifat gaya nuklir.

Salah satunya adalah bahwa semua inti atom, kecuali isotop hidrogen yang paling umum (yang hanya memiliki satu proton), mengandung neutron; artinya, tidak ada inti dengan beberapa proton yang tidak mengandung neutron (lihat gambar di bawah). Jadi jelas bahwa neutron berperan penting dalam membantu proton bersatu.

Pada Gambar. Di atas, inti cahaya stabil atau hampir stabil ditampilkan bersama dengan neutron. Yang terakhir, seperti tritium, ditunjukkan dengan garis putus-putus, yang menunjukkan bahwa mereka akhirnya membusuk. Kombinasi lain dengan sejumlah kecil proton dan neutron tidak membentuk inti sama sekali, atau membentuk inti yang sangat tidak stabil. Juga ditampilkan dalam huruf miring adalah nama alternatif yang sering diberikan kepada beberapa objek ini; Misalnya, inti helium-4 sering disebut partikel α, nama yang diberikan padanya saat pertama kali ditemukan dalam studi awal radioaktivitas pada tahun 1890-an.

Neutron sebagai penggembala proton

Sebaliknya, tidak ada inti yang hanya terdiri dari neutron tanpa proton; sebagian besar inti ringan, seperti oksigen dan silikon, memiliki jumlah neutron dan proton yang kira-kira sama (Gambar 2). Inti atom yang besar dan bermassa besar, seperti emas dan radium, mempunyai jumlah neutron yang lebih banyak daripada proton.

Ini mengatakan dua hal:

1. Neutron tidak hanya diperlukan untuk menyatukan proton, tetapi proton juga diperlukan untuk menyatukan neutron.

2. Jika jumlah proton dan neutron menjadi sangat besar, maka tolakan listrik proton harus dikompensasi dengan menambahkan beberapa neutron tambahan.

Pernyataan terakhir diilustrasikan pada gambar di bawah ini.

Gambar di atas menunjukkan inti atom yang stabil dan hampir stabil sebagai fungsi dari P (jumlah proton) dan N (jumlah neutron). Garis yang ditunjukkan dengan titik hitam menunjukkan inti stabil. Pergeseran apa pun ke atas atau ke bawah dari garis hitam berarti penurunan masa hidup inti - di dekatnya, masa hidup inti adalah jutaan tahun atau lebih, saat Anda bergerak lebih jauh ke area biru, coklat, atau kuning (warna berbeda sesuai dengan warna berbeda). mekanisme peluruhan nuklir), masa hidup mereka menjadi semakin pendek, hingga sepersekian detik.

Perhatikan bahwa inti stabil mempunyai P dan N yang kira-kira sama untuk P dan N kecil, namun N lambat laun menjadi lebih besar dari P dengan faktor lebih dari satu setengah. Perhatikan juga bahwa kelompok inti tidak stabil yang stabil dan berumur panjang tetap berada pada pita yang cukup sempit untuk semua nilai P hingga 82. Pada jumlah yang lebih besar, inti yang diketahui pada prinsipnya tidak stabil (meskipun dapat bertahan selama jutaan tahun). ). Rupanya, mekanisme menstabilkan proton dalam inti dengan menambahkan neutron ke wilayah ini yang disebutkan di atas tidak 100% efektif.

Bagaimana ukuran atom bergantung pada massa elektronnya?

Bagaimana gaya-gaya yang dipertimbangkan mempengaruhi struktur inti atom? Kekuatan nuklir terutama mempengaruhi ukurannya. Mengapa inti atom berukuran sangat kecil jika dibandingkan dengan atom? Untuk mengetahuinya, mari kita mulai dengan inti paling sederhana, yang memiliki proton dan neutron: ini adalah isotop hidrogen paling umum kedua, atom yang mengandung satu elektron (seperti semua isotop hidrogen) dan inti dari satu proton dan satu neutron. . Isotop ini sering disebut “deuterium”, dan intinya (lihat Gambar 2) kadang-kadang disebut “deuteron”. Bagaimana kita bisa menjelaskan apa yang menyatukan deuteron? Nah, bisa dibayangkan tidak jauh berbeda dengan atom hidrogen biasa yang juga mengandung dua partikel (satu proton dan satu elektron).

Pada Gambar. Ditunjukkan di atas bahwa dalam atom hidrogen, jarak inti dan elektron sangat berjauhan, dalam artian atom jauh lebih besar daripada inti (dan elektron bahkan lebih kecil). Namun dalam deuteron, jarak antara proton dan neutron sebanding dengan ukurannya. Hal ini sebagian menjelaskan mengapa gaya nuklir jauh lebih kompleks dibandingkan gaya dalam atom.

Diketahui bahwa elektron memiliki massa yang kecil dibandingkan dengan proton dan neutron. Oleh karena itu

• massa suatu atom pada dasarnya mendekati massa intinya,
• ukuran atom (pada dasarnya ukuran awan elektron) berbanding terbalik dengan massa elektron dan berbanding terbalik dengan gaya elektromagnetik total; Prinsip ketidakpastian mekanika kuantum memainkan peran yang menentukan.

Bagaimana jika gaya nuklir mirip dengan gaya elektromagnetik?

Bagaimana dengan deuteron? Ia, seperti halnya atom, tersusun dari dua benda, namun massanya hampir sama (massa neutron dan proton hanya berbeda sekitar satu bagian dalam 1500), sehingga kedua partikel tersebut sama pentingnya dalam menentukan massa deuteron. dan ukurannya. Sekarang misalkan gaya nuklir menarik proton ke arah neutron dengan cara yang sama seperti gaya elektromagnetik (ini tidak sepenuhnya benar, tapi bayangkan sejenak); dan kemudian, dengan analogi hidrogen, kita memperkirakan ukuran deuteron berbanding terbalik dengan massa proton atau neutron, dan berbanding terbalik dengan besarnya gaya nuklir. Jika besarnya sama (pada jarak tertentu) dengan gaya elektromagnetik, maka ini berarti bahwa karena proton sekitar 1.850 kali lebih berat daripada elektron, maka deuteron (dan inti mana pun) setidaknya harus seribu kali lebih berat. lebih kecil dibandingkan hidrogen.

Apa yang didapat dari mempertimbangkan perbedaan signifikan antara gaya nuklir dan elektromagnetik?

Namun kita sudah menduga bahwa gaya nuklir jauh lebih besar daripada gaya elektromagnetik (pada jarak yang sama), karena jika tidak demikian maka gaya tolak-menolak elektromagnetik antar proton tidak akan mampu dicegah hingga inti atom hancur. Jadi proton dan neutron di bawah pengaruhnya bersatu lebih erat lagi. Oleh karena itu, tidak mengherankan jika deuteron dan inti atom lainnya tidak hanya seribu, tetapi seratus ribu kali lebih kecil dari atom! Sekali lagi, ini hanya karena

• proton dan neutron hampir 2000 kali lebih berat dari elektron,
• pada jarak ini, gaya nuklir yang besar antara proton dan neutron di dalam inti jauh lebih besar daripada gaya elektromagnetik yang bersangkutan (termasuk tolakan elektromagnetik antar proton di dalam inti.)

Tebakan naif ini memberikan kira-kira jawaban yang benar! Namun hal ini tidak sepenuhnya mencerminkan kompleksitas interaksi antara proton dan neutron. Salah satu masalah yang jelas adalah bahwa gaya yang mirip dengan gaya elektromagnetik, tetapi dengan daya tarik menarik atau tolak menolak yang lebih besar, seharusnya muncul dalam kehidupan sehari-hari, namun kita tidak mengamati hal seperti ini. Jadi sesuatu tentang gaya ini pasti berbeda dengan gaya listrik.

Jangkauan gaya nuklir yang pendek

Yang membedakannya adalah gaya nuklir yang menjaga inti atom agar tidak membusuk sangat penting dan kuat untuk proton dan neutron yang berada pada jarak yang sangat pendek satu sama lain, namun pada jarak tertentu (yang disebut “jarak” dari peluruhan inti atom. kekuatan), mereka jatuh dengan sangat cepat, jauh lebih cepat daripada elektromagnetik. Ternyata, jangkauannya bisa sebesar inti yang cukup besar, hanya beberapa kali lebih besar dari proton. Jika Anda menempatkan proton dan neutron pada jarak yang sebanding dengan kisaran ini, keduanya akan saling tarik menarik dan membentuk deuteron; jika mereka dipisahkan oleh jarak yang lebih jauh, mereka hampir tidak akan merasakan ketertarikan sama sekali. Faktanya, jika mereka ditempatkan terlalu berdekatan hingga saling tumpang tindih, mereka malah akan saling tolak menolak. Hal ini mengungkapkan kompleksitas konsep gaya nuklir. Fisika terus berkembang ke arah penjelasan mekanisme kerjanya.

Mekanisme fisik interaksi nuklir

Setiap proses material, termasuk interaksi antar nukleon, pasti mempunyai pembawa material. Mereka adalah kuanta medan nuklir - pi-meson (pion), karena pertukaran yang timbul gaya tarik menarik antar nukleon.

Menurut prinsip mekanika kuantum, pi-meson, yang terus-menerus muncul dan segera menghilang, membentuk sesuatu seperti awan di sekitar nukleon “telanjang”, yang disebut lapisan meson (ingat awan elektron dalam atom). Ketika dua nukleon yang dikelilingi oleh lapisan tersebut berada pada jarak sekitar 10 -15 m, terjadi pertukaran pion, mirip dengan pertukaran elektron valensi dalam atom selama pembentukan molekul, dan timbul gaya tarik-menarik antar nukleon.

Jika jarak antar nukleon menjadi kurang dari 0,7∙10 -15 m, maka mereka mulai bertukar partikel baru - yang disebut. ω dan ρ-meson, akibatnya bukan terjadi tarik-menarik, melainkan tolak-menolak antar nukleon.

Gaya nuklir: struktur inti atom dari yang paling sederhana hingga yang terbesar

Meringkas semua hal di atas, kita dapat mencatat:

• gaya nuklir kuat jauh lebih lemah daripada elektromagnetisme pada jarak yang jauh lebih besar dari ukuran inti atom pada umumnya, sehingga kita tidak menemukannya dalam kehidupan sehari-hari; Tetapi
• pada jarak pendek yang sebanding dengan inti, ia menjadi lebih kuat - gaya tarik menarik (asalkan jaraknya tidak terlalu pendek) mampu mengatasi tolakan listrik antar proton.

Jadi, gaya ini hanya penting pada jarak yang sebanding dengan ukuran inti atom. Gambar di bawah menunjukkan ketergantungannya pada jarak antar nukleon.

Inti-inti besar disatukan oleh gaya yang kurang lebih sama dengan yang menyatukan deuteron, namun detail prosesnya sangat rumit sehingga tidak mudah untuk dijelaskan. Mereka juga belum sepenuhnya dipahami. Meskipun garis besar dasar fisika nuklir telah dipahami dengan baik selama beberapa dekade, banyak rincian penting yang masih dalam penyelidikan aktif.