Branduolinių jėgų savybės. Branduolinių jėgų savybės Kaip vadinamos branduolinės jėgos ir kokios jų savybės

Branduolinės jėgos suteikia trauką- tai išplaukia iš paties stabilių branduolių, susidedančių iš protonų ir neutronų, egzistavimo fakto.

Branduolinės jėgos yra didelės absoliučiu dydžiu. Jų veikimas nedideliais atstumais gerokai viršija visų gamtoje žinomų jėgų, įskaitant elektromagnetines, veikimą.

Iki šiol žinome keturis sąveikos tipus:

a) stipri (branduolinė) sąveika;

b) elektromagnetinės sąveikos;

c) silpna sąveika, ypač aiškiai pastebima dalelėse, kurios neturi stiprios ir elektromagnetinės sąveikos (neutrinų);

d) gravitacinės sąveikos.

Šių tipų sąveikos jėgas galima palyginti naudojant vienetų sistemą, kurioje šias jėgas atitinkančios charakteringos sąveikos konstantos ("krūvių" kvadratai) yra bedimensijos.

Taigi dviejų nukleonų, turinčių visas šias jėgas, sąveikos branduolyje sąveikos konstantos yra tokios eilės:

Branduolinės jėgos užtikrina branduolių egzistavimą. Elektromagnetiniai – atomai ir molekulės. Vidutinė nukleono surišimo energija branduolyje yra lygi, t.y. kur yra likusi nukleono energija. Elektrono surišimo energija vandenilio atome yra tik t.y. kur yra likusioji elektrono energija. Todėl šioje skalėje rišamosios energijos yra susijusios kaip būdingos konstantos:

Silpnos sąveikos yra atsakingos už tokius subtilius efektus kaip abipusės transformacijos per -skilimą ir gaudymą (žr. § 19), už įvairius elementariųjų dalelių skilimus, taip pat už visus neutrinų sąveikos su medžiaga procesus.

Kosminių kūnų ir sistemų stabilumas yra susijęs su gravitacine sąveika.

Antrojo ir ketvirtojo tipų sąveikos jėgos mažėja didėjant atstumui, t.y. gana lėtai, todėl yra toli. Pirmojo ir trečiojo tipo sąveika su atstumu mažėja labai greitai, todėl yra trumpo nuotolio.

Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio. Tai išplaukia: a) iš Rutherfordo eksperimentų dėl -dalelių sklaidos šviesos branduoliuose (atstumams, viršijantiems cm, eksperimento rezultatai

paaiškinami grynai Kulono dalelių sąveika su branduoliu, tačiau mažesniais atstumais dėl branduolinių jėgų atsiranda nukrypimų nuo Kulono dėsnio. Iš to išplaukia, kad branduolinių jėgų veikimo diapazonas bet kuriuo atveju yra mažesnis

b) iš sunkiųjų branduolių irimo tyrimo (žr. § 15);

c) iš eksperimentų apie neutronų sklaidą protonais ir protonus protonais.

Pažvelkime į juos šiek tiek išsamiau.

Ryžiai. 17. Dalelių ir sklaidos taikinys

Esant mažoms neutronų energijoms, jų sklaida inercijos sistemos centre yra izotropinė. Iš tiesų, klasikinė dalelė, turinti impulsą, „pagaus“ į sklaidos taikinį, kurio branduolinių jėgų veikimo spindulys, jei ji skris mažesniais atstumais, t. y. jei jos kampinio momento komponentas statmena trajektorijos plokštumai kryptimi neviršys kalnai (17 pav.).

Tačiau pagal de Broglie santykį su atsitiktine dalele, todėl

Tačiau didžiausia dalelės orbitos momento projekcijos vertė gali būti lygi tik Todėl

Taigi a reikšmei bangos funkcija, apibūdinanti sistemos būseną, yra sferiškai simetriška c. c. y., šioje sistemoje sklaida turi būti izotropinė.

Kai sklaida nebebus izotropinė. Sumažinus krintančių neutronų energiją ir taip ją padidinus, galima rasti jos reikšmę, kuriai esant pasiekiama sklaidos izotropija. Tai leidžia įvertinti branduolinių jėgų diapazoną.

Didžiausia neutronų energija, kuriai esant vis dar buvo stebimas sferinis simetriškas sklaidymas, buvo lygi Tai leido nustatyti viršutinę branduolinių jėgų veikimo spindulio ribą; ji pasirodė lygi cm.

Be to, kai protonų srautas yra išsklaidytas ant protonų taikinio, galima apskaičiuoti numatomą efektyvaus proceso skerspjūvio vertę, jei veikia tik Kulono jėgos. Tačiau kai dalelės labai arti viena kitos, pradeda dominuoti branduolinės jėgos

virš Kulonų ir pasikeičia išsibarsčiusių protonų pasiskirstymas.

Iš tokių eksperimentų buvo nustatyta, kad branduolinės jėgos smarkiai mažėja didėjant atstumui tarp protonų. Jų veikimo plotas yra itin mažas ir taip pat apie cm. Deja, mažos energijos nukleonų sklaidos eksperimentų rezultatai nesuteikia informacijos apie branduolinių jėgų kitimo su atstumu dėsnį. Išsami potencialaus šulinio forma lieka neaiški.

Eksperimentai, skirti tirti dviejų surištų nukleonų savybes deuterono branduolyje, taip pat neleidžia vienareikšmiškai nustatyti branduolinio jėgos lauko potencialo kitimo su atstumu dėsnio. Priežastis yra neįprastai mažas branduolinių jėgų veikimo spindulys ir labai didelis jų dydis veikimo spinduliu. Pirmuoju deuterono savybes apibūdinančio potencialo aproksimavimu galime paimti gana platų įvairių funkcijų spektrą, kurios turėtų gana greitai sumažėti didėjant atstumui.

Eksperimentinius duomenis apytiksliai patenkina, pavyzdžiui, šios funkcijos.

Ryžiai. 18. Galimos deuterono potencialo šulinio formos: a - stačiakampis šulinys; eksponentinis šulinys; c yra gręžinio, esančio Jukavos potenciale, forma; -gerai esant potencialui su tvirtu atstūmimo centru

1. Stačiakampis potencialo šulinys (18a pav.):

kur yra branduolinių jėgų veikimo spindulys, atstumas tarp dviejų sąveikaujančių nukleonų centrų.

2. Eksponentinė funkcija (18 pav.,b):

3. Jukavos mezono potencialas (18c pav.):

4. Potencialas su kietu atstumiančiu viduriu (18d pav.):

Išsamus sklaidos struktūros tyrimas ir palyginimas su teoriniais skaičiavimais pasisako už pastarąją iš šių formų. Šiuo metu skaičiavimams naudojamos sudėtingesnės formos, leidžiančios geriau suderinti eksperimentinius duomenis.

Visais atvejais potencialo šulinio gylis yra kelių dešimčių eilės, o potencialo su atstumiančiu viduriu reikšmė yra dešimtųjų Fermio eilės.

Branduolinės jėgos nepriklauso nuo sąveikaujančių dalelių elektrinių krūvių. Sąveikos jėgos tarp arba yra vienodos. Ši savybė išplaukia iš toliau nurodytų faktų.

Lengvuose stabiliuose branduoliuose, kai dar galima nepaisyti elektromagnetinio atstūmimo, protonų skaičius lygus neutronų skaičiui.Todėl tarp jų veikiančios jėgos yra lygios, antraip įvyktų poslinkis kokia nors kryptimi (arba arba

Šviesos veidrodžio branduoliai (pavyzdžiui, branduoliai, gauti pakeitus neutronus protonais ir atvirkščiai, turi vienodus energijos lygius.

Neutronų sklaidos protonais ir protonų protonais eksperimentai rodo, kad protono su protonu ir neutrono su protonu branduolinės traukos dydis yra vienodas.

Ši branduolinių jėgų savybė yra esminė ir rodo gilią simetriją, kuri egzistuoja tarp dviejų dalelių: protono ir neutrono. Jis buvo vadinamas nepriklausomumu nuo krūvio (arba simetrija) ir leido protoną ir neutroną laikyti dviem tos pačios dalelės – nukleono – būsenomis.

Taigi nukleonas turi tam tikrą papildomą vidinį laisvės laipsnį – krūvį, kurio atžvilgiu galimos dvi būsenos: protonas ir neutronas. Tai analogiška dalelių sukimosi savybėms: sukinys, be judėjimo erdvėje, yra ir vidinis dalelės laisvės laipsnis, kurio atžvilgiu elektronas (arba nukleonas) turi tik dvi galimas būsenas. Nuoseklioji kvantinė mechaninė

šių dviejų laisvės laipsnių: krūvio ir sukimosi aprašymas formaliai yra tas pats. Todėl atitinkamai įprasta vizualiai apibūdinti krūvio laisvės laipsnį naudojant įprastą trimatę erdvę, kuri vadinama izotopine, o dalelės (nukleono) būsena šioje erdvėje apibūdinama izotopiniu sukiniu, žymimu

Pažvelkime į tai šiek tiek išsamiau, grįždami prie įprasto sukimosi sampratos.

Tarkime, kad yra du elektronai, kurie, kaip žinome, yra visiškai identiški. Abu jie turi savo kampinį momentą – sukimąsi. Tačiau negalima nustatyti jų sukimosi krypties. Dabar pastatykime juos į išorinį magnetinį lauką. Remiantis pagrindiniais kvantinės mechanikos postulatais, kiekvienos dalelės „sukimosi ašis“ gali užimti tik griežtai apibrėžtas pozicijas šio išorinio lauko atžvilgiu. Vienodo sukimosi dalelių sukimosi ašis gali būti orientuota išilgai arba į lauko kryptį (19 pav.). Dalelė su impulsu gali turėti būsenas; elektronas, turintis 2 būsenas. Sukimosi projekcijų vertė gali būti Tai lemia tai, kad dalelės magnetiniame lauke dabar gali turėti skirtingą energiją ir tampa įmanoma atskirti jas vieną nuo kitos. Tai rodo, kad elektrono būsena dėl jo magnetinių savybių yra dubletas.

Be išorinio magnetinio lauko nėra galimybės atskirti dviejų galimų elektrono būsenų; sakoma, kad valstybės „išsigimsta“ į nepastebimas būsenas.

Panaši situacija yra ir vandenilio atome. Atomo būsenoms apibūdinti įvedamas orbitinis kvantinis skaičius, apibūdinantis atomų orbitinį kampinį momentą. Atomas, turintis duotą I, gali turėti būsenas, nes išoriniame lauke gali egzistuoti tik visiškai apibrėžtos I projekcijų reikšmės į lauko kryptį (nuo - I iki Kol nėra išorinio lauko, būsena yra daug kartų išsigimusi .

Neutrono atradimas paskatino idėją apie reiškinio, panašaus į elektrono magnetinį išsigimimą, egzistavimą.

Juk branduolinių jėgų nepriklausomybė nuo krūvio reiškia, kad stiprioje sąveikoje protonas ir neutronas elgiasi kaip ta pati dalelė. Juos galima atskirti tik atsižvelgus į elektromagnetinę sąveiką. Jeigu įsivaizduosime, kad elektromagnetinius šviesos diodus galima kaip nors „išjungti“ (20 pav., a), tai protonas ir neutronas taps neatskiriamomis dalelėmis ir net jų masės bus lygios (plačiau apie masių lygybę; žr. § 12 ). Todėl cikloną galima laikyti „krūvio dubletu“, kuriame viena būsena reiškia protoną, o kita – neutroną. Jei įtraukiate elektromagnetines jėgas, sąlyginai

pateikta pav. 20b su punktyrine linija, tada elektrinės jėgos, priklausančios nuo krūvio, bus pridėtos prie ankstesnių nuo krūvio nepriklausomų jėgų.

Ryžiai. 19. Elektronų sukinio orientacija magnetiniame lauke

Ryžiai. 20. Protono ir neutrono skirtumas dėl elektromagnetinės sąveikos

Įkrautų dalelių energija skirsis nuo neutralių dalelių energijos ir protoną ir neutroną galima atskirti. Vadinasi, jų poilsio masės nebus vienodos.

Siekdamas apibūdinti nukleono būseną branduolyje, Heisenbergas įvedė grynai formalią izotopinio sukinio sampratą, kuri pagal analogiją su kvantiniais skaičiais turėtų nustatyti išsigimusių nukleono būsenų skaičių, lygų Žodis „izotopas“ išreiškia faktą. kad protonas ir neutronas yra artimi savo savybėmis (izotopai – identiškų cheminių savybių atomai, besiskiriantys neutronų skaičiumi branduolyje).

Žodis „suktis“ šioje sąvokoje atsirado dėl grynai matematinės analogijos su įprastu dalelės sukimu.

Svarbu dar kartą pažymėti, kad kvantinis mechaninis izotopinio sukimosi vektorius įvedamas ne įprastoje, o įprastoje erdvėje, vadinamoje izotopine arba krūvio erdve. Pastaroji, skirtingai nuo įprastų ašių, nurodoma sąlyginėmis ašimis. Šioje erdvėje dalelė negali judėti, o tik sukasi.

Taigi izotopinis sukinys turėtų būti laikomas matematine charakteristika, skiriančia protoną nuo neutrono; fiziškai jie yra mesti skirtingais santykiais su elektromagnetiniu lauku.

Nukleono izotopinis sukinys yra lygus ir turi komponentus ir ašies atžvilgiu. Projekcija į šią ašį žymima. Buvo sutartinai priimta, kad protonui ir neutronui, t.y. protonas virsta neutronu, kai izotopas izotopinėje erdvėje sukimas pasisuka 180°.

Naudojant šią formalią techniką, krūvio priklausomybė įgauna tvermės dėsnio pavidalą: nukleonų sąveikos metu suminis izotopinis sukinys ir jo projekcija išlieka nepakitę, t.y.

Šis išsaugojimo įstatymas formaliai gali būti laikomas fizikinių dėsnių nepriklausomumo nuo sukimosi izotopinėje erdvėje pasekmė. Tačiau šis išsaugojimo įstatymas yra apytikslis. Jis galioja tiek, kiek galima nepaisyti elektromagnetinių jėgų ir gali būti šiek tiek pažeistos – iki elektromagnetinių ir branduolinių jėgų santykio. Jo fizinė prasmė slypi tame, kad branduolinės jėgos sistemose yra identiškos.

Prie izotopinio sukinio sampratos grįšime elementariųjų dalelių skyriuje, kuriam ji įgauna papildomą reikšmę.

Branduolinės jėgos priklauso nuo sukimosi. Branduolinių jėgų priklausomybė nuo sukimosi išplaukia iš šių faktų.

Tas pats branduolys būsenose su skirtingais sukiniais turi skirtingą surišimo energiją. Pavyzdžiui, deuterono, kurio sukiniai yra lygiagretūs, jungimosi energija yra lygi, o su antilygiagrečiais sukimais visiškai nėra stabilios būsenos.

Neutronų-protonų sklaida yra jautri sukimosi orientacijai. Neutronų ir protonų sąveikos tikimybė teoriškai buvo apskaičiuota darant prielaidą, kad sąveikos potencialas nepriklauso nuo sukinio. Paaiškėjo, kad eksperimentiniai rezultatai nuo teorinių skyrėsi penkis kartus.

Neatitikimas pašalinamas, jei atsižvelgsime į tai, kad sąveika priklauso nuo santykinės sukimų orientacijos.

Branduolinių jėgų priklausomybė nuo sukinio orientacijos pasireiškia eksperimentuose su neutronų sklaida orto- ir para-vandenilio molekulėse.

Faktas yra tas, kad yra dviejų tipų vandenilio molekulės: orto-vandenilio molekulėje dviejų protonų sukiniai yra lygiagrečiai vienas kitam, bendras sukinys yra 1 ir gali turėti tris orientacijas (vadinamoji tripletinė būsena); para-vandenilio molekulėje sukiniai yra antilygiagretūs, bendras sukimas yra lygus nuliui ir galima viena būsena (vadinamoji singletinė būsena),

Orto- ir para-vandenilio molekulių skaičiaus santykis kambario temperatūroje yra Šis santykis nustatomas pagal galimų būsenų skaičių.

Pagrindinės para būsenos energija yra mažesnė nei pagrindinės orgo būsenos energija. Žemoje temperatūroje orto-vandenilio molekulės virsta para-vandenilio molekulėmis. Esant katalizatoriui, ši transformacija vyksta gana greitai ir galima gauti skystą vandenilį gryno para-vandenilio būsenoje. Kada

neutronų sklaida orto-vandenilyje, neutrono sukinys yra arba lygiagretus abiejų protonų sukiniams, arba antilygiagretus abiem; y., yra konfigūracijos:

Išsklaidytas para-vandeniliu, neutrono sukimasis visada yra lygiagretus vieno protono sukimuisi ir antilygiagretus kito protono sukimuisi; Nepriklausomai nuo para-vandenilio molekulės orientacijos, konfigūracija turi charakterį

Ryžiai. 21 Neutronų sklaida ant vandenilio molekulių

Laikykime sklaidą bangų procesu. Jei sklaida priklauso nuo sukinių abipusės orientacijos, tai stebimas abiejų protonų išsklaidytų neutroninių bangų interferencinis efektas sklaidos ant orto ir para-vandenilio molekulių procesams labai skirsis.

Kokia turi būti neutronų energija, kad būtų pastebimas sklaidos skirtumas? Molekulėje protonai yra daug kartų didesniu atstumu nei branduolinių jėgų spindulys. cm.Todėl dėl neutrono banginių savybių sklaidos procesas vienu metu gali vykti ant abiejų protonų jei (21 pav.). Tam reikalinga de Broglie banga

neutronui, kurio masė lygi energijai

Branduolinės jėgos turi prisotinimo savybę. Kaip jau minėta § 4, branduolinių jėgų prisotinimo savybė pasireiškia tuo, kad branduolio surišimo energija yra proporcinga nukleonų skaičiui branduolyje - A, o ne

Ši branduolinių jėgų savybė išplaukia ir iš lengvųjų branduolių stabilumo. Pavyzdžiui, neįmanoma pridėti vis daugiau naujų dalelių į deuteroną, žinomas tik vienas toks derinys su papildomu neutronu-tričiu. Taigi protonas gali sudaryti susietas būsenas su ne daugiau kaip dviem neutronais.

Norint paaiškinti Heisenbergo prisotinimą, buvo pasiūlyta, kad branduolinės jėgos yra mainų pobūdžio.

Branduolinės jėgos yra mainų pobūdžio. Pirmą kartą buvo nustatytas cheminių ryšių jėgų mainų pobūdis: ryšys susidaro dėl elektronų perdavimo iš vieno atomo į kitą. Elektromagnetines jėgas taip pat galima priskirti prie mainų jėgų: krūvių sąveika paaiškinama tuo, kad jos keičiasi y kvantais. Tačiau šiuo atveju nėra soties, nes y-kvantų pasikeitimas nekeičia kiekvienos dalelės savybių.

Branduolinių jėgų mainų savybė pasireiškia tuo, kad susidūrimo metu nukleonai gali perduoti vienas kitam tokias charakteristikas kaip krūvis, sukimosi projekcijos ir kt.

Mainų pobūdį patvirtina įvairūs eksperimentai, pavyzdžiui, didelės energijos neutronų kampinio pasiskirstymo matavimų rezultatai, kai jie yra išsklaidyti protonų. Pažvelkime į tai išsamiau.

Branduolinėje fizikoje energija vadinama didele, kai dalelės de Broglie banga tenkina santykį t.y.

Nukleonams de Broglie bangos ilgis yra susietas su kinetine energija pagal lygtį

ir todėl nukleono kinetinė energija gali būti vadinama didele, jei ji yra žymiai didesnė

Kvantinė mechanika leidžia gauti efektyviojo sklaidos skerspjūvio priklausomybę nuo krintančių neutronų energijos ir sklaidos kampo, jei žinomas sąveikos potencialas.

Skaičiavimai rodo, kad tokiam potencialui kaip stačiakampis šulinys sklaidos skerspjūvis turėtų kisti priklausomai nuo dalelių energijos, o taip pat ir pati sklaida turėtų vykti nedideliu kampu.Todėl išsibarsčiusių neutronų kampinis pasiskirstymas centre Inercijos sistema turi turėti maksimumą jų judėjimo kryptimi, o atatrankos protonų pasiskirstymas – priešinga kryptimi.

Eksperimentiniu būdu neutronams buvo aptikta ne tik kampinio pasiskirstymo, nukreipto į priekį, smailė, bet ir antroji smailė atgaline kryptimi (22 pav.).

Ryžiai. 22. Neutronų sklaidos ant protonų diferencialinio skerspjūvio priklausomybė nuo sklaidos kampo

Eksperimentinius rezultatus galima paaiškinti tik darant prielaidą, kad tarp nukleonų veikia mainų jėgos ir kad sklaidos proceso metu neutronai ir protonai keičiasi savo krūviais, ty sklaida vyksta „krūvių mainais“. Šiuo atveju dalis neutronų virsta protonais, o protonai stebimi skrendant krentančių neutronų, vadinamųjų krūvių mainų protonų, kryptimi. Tuo pačiu metu dalis protonų virsta neutronais ir registruojami kaip neutronai, išsibarstę atgal į s.

Santykinį mainų ir eilinių jėgų vaidmenį nulemia atgal skrendančių neutronų ir į priekį skrendančių neutronų skaičiaus santykis.

Remiantis kvantine mechanika, galima įrodyti, kad mainų jėgų egzistavimas visada sukelia prisotinimo reiškinį, nes dalelė negali sąveikauti per mainus su daugybe dalelių vienu metu.

Tačiau išsamesnis nukleonų ir nukleonų sklaidos eksperimentų tyrimas rodo, kad nors sąveikos jėgos iš tikrųjų yra mainų pobūdžio, įprasto potencialo ir mainų potencialo mišinys yra toks, kad jis negali visiškai paaiškinti soties. Atrandama ir kita branduolinių jėgų savybė. Pasirodo, jei dideliais atstumais tarp nukleonų daugiausia veikia traukos jėgos, tada, kai nukleonai suartėja (cm atstumu), įvyksta staigus atstūmimas. Tai galima paaiškinti branduolių buvimu nukleonuose, kurie atstumia vienas kitą.

Skaičiavimai rodo, kad būtent šios šerdys yra pirmiausia atsakingos už prisotinimo efektą. Šiuo atžvilgiu branduolinė sąveika, matyt, turėtų pasižymėti nevienodu potencialu, kaip stačiakampio šulinio (pav. sudėtinga funkcija su ypatybe nedideliais atstumais (18d pav.).

Atomo branduolys, susidedantis iš tam tikro skaičiaus protonų ir neutronų, yra viena visuma dėl specifinių jėgų, veikiančių tarp branduolio nukleonų ir vadinamų branduolinis. Eksperimentiškai įrodyta, kad branduolinės jėgos turi labai dideles reikšmes, daug didesnes nei elektrostatinės atstūmimo tarp protonų jėgos. Tai pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei Kulono atstūmimo jėgų atliktas darbas. Panagrinėkime pagrindinius branduolinių pajėgų bruožus.

1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio traukos jėgos . Jie atsiranda tik labai mažais atstumais tarp nukleonų maždaug 10–15 m dydžio branduolyje.Ilgis (1,5–2,2) 10–15 m vadinamas branduolinių jėgų diapazonas jų sparčiai mažėja didėjant atstumui tarp nukleonų. (2–3) m atstumu branduolinės sąveikos praktiškai nėra.

2. Branduolinės pajėgos turi savybę prisotinimas, tie. kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su tam tikru artimiausių kaimynų skaičiumi. Toks branduolinių jėgų pobūdis pasireiškia apytiksliu nukleonų specifinės surišimo energijos pastovumu, esant krūviui. A>40. Iš tiesų, jei nebūtų prisotinimo, specifinė surišimo energija padidėtų didėjant nukleonų skaičiui branduolyje.

3. Branduolinių jėgų bruožas yra ir jų apmokestinimo nepriklausomybė , t.y. jie nepriklauso nuo nukleonų krūvio, todėl protonų ir neutronų branduolinės sąveikos yra vienodos.Branduolinių jėgų krūvio nepriklausomumas matomas palyginus rišančias energijas veidrodžio šerdys.Taip vadinami branduoliai, kuriame bendras nukleonų skaičius yra vienodas, bet protonų skaičius viename lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio ir sunkiojo vandenilio-tričio branduolių surišimo energija yra atitinkamai 7,72 MeV ir 8.49 val MeVŠių branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją. Darant prielaidą, kad ši vertė yra lygi, galime nustatyti, kad vidutinis atstumas r tarp protonų branduolyje yra 1,9·10–15 m, o tai atitinka branduolinių jėgų veikimo spindulį.

4. Branduolinės jėgos nėra centrinės ir priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Tai patvirtina skirtingas orto- ir paravandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida iš paravandenilio yra 30 kartų didesnė nei sklaida iš ortovandenilio.

Sudėtingas branduolinių jėgų pobūdis neleidžia sukurti vienos nuoseklios branduolinės sąveikos teorijos, nors buvo pasiūlyta daug skirtingų požiūrių. Pagal japonų fiziko H. Yukawa (1907-1981) hipotezę, kurią jis pasiūlė 1935 m., branduolines jėgas sukelia mainai – mezonai, t.y. elementariosios dalelės, kurių masė yra maždaug 7 kartus mažesnė už nukleonų masę. Pagal šį modelį nukleono laikas m- mezono masė) išskiria mezoną, kuris, judėdamas artimu šviesos greičiui, įveikia atstumą, po kurio jį sugeria antrasis nukleonas. Savo ruožtu antrasis nukleonas taip pat išskiria mezoną, kurį sugeria pirmasis. Todėl H. Yukawa modelyje atstumą, kuriuo nukleonai sąveikauja, lemia mezono kelio ilgis, kuris atitinka atstumą maždaug m o pagal dydį sutampa su branduolinių jėgų veikimo spinduliu.

26 klausimas. Skilimo reakcijos. 1938 metais vokiečių mokslininkai O. Hahnas (1879-1968) ir F. Strassmannas (1902-1980) atrado, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, kartais atsiranda branduolių, kurie yra maždaug perpus mažesni už pradinį urano branduolį. Šis reiškinys buvo vadinamas branduolio dalijimasis.

Tai yra pirmoji eksperimentiškai pastebėta branduolinės transformacijos reakcija. Pavyzdys yra viena iš galimų urano-235 branduolio dalijimosi reakcijų:

Branduolio dalijimosi procesas vyksta labai greitai (per ~10 -12 s). (7.14) tipo reakcijos metu išsiskirianti energija yra maždaug 200 MeV vienam urano-235 branduolio dalijimosi įvykiui.

Apskritai urano-235 branduolio dalijimosi reakcija gali būti parašyta taip:

Neutronai (7,15)

Skilimo reakcijos mechanizmas gali būti paaiškintas hidrodinaminio branduolio modelio rėmuose. Pagal šį modelį urano branduoliui sugertas neutronas pereina į sužadinimo būseną (7.2 pav.).

Energijos perteklius, kurį branduolys gauna dėl neutrono absorbcijos, sukelia intensyvesnį nukleonų judėjimą. Dėl to branduolys deformuojasi, o tai lemia trumpojo nuotolio branduolinės sąveikos susilpnėjimą. Jei branduolio sužadinimo energija yra didesnė už tam tikrą energiją, vadinamą aktyvacijos energija , tada veikiamas elektrostatinio protonų atstūmimo branduolys skyla į dvi dalis, išspinduliuodamas dalijimosi neutronai . Jei sužadinimo energija absorbuojant neutroną yra mažesnė už aktyvacijos energiją, tai branduolys nepasiekia

kritinėje dalijimosi stadijoje ir, išspindėjęs kvantą, grįžta į žemę

valstybė.

Svarbus branduolio dalijimosi reakcijos bruožas yra galimybė jos pagrindu įgyvendinti savaime išsilaikančią grandininę branduolinę reakciją. . Taip yra dėl to, kad kiekvienas dalijimosi įvykis vidutiniškai sukuria daugiau nei vieną neutroną. Fragmentų masė, krūvis ir kinetinė energija X Ir ei, susidariusios (7.15) tipo dalijimosi reakcijos metu yra skirtingos. Šiuos fragmentus greitai slopina terpė, sukeldama jonizaciją, kaitinimą ir jos struktūros sutrikimą. Skilimo fragmentų kinetinės energijos panaudojimas dėl jų aplinkos įkaitimo yra pagrindas branduolinei energijai paversti šilumine energija. Branduolio dalijimosi fragmentai po reakcijos yra sužadintos ir spinduliuodami pereina į pradinę būseną β - dalelės ir -kvantai.

Kontroliuojama branduolinė reakcija atliktas m branduolinis reaktorius ir jį lydi energijos išlaisvinimas. Pirmasis branduolinis reaktorius buvo pastatytas 1942 metais JAV (Čikagoje), vadovaujant fizikui E. Fermi (1901 - 1954). SSRS pirmasis branduolinis reaktorius buvo sukurtas 1946 m., vadovaujant I. V. Kurchatovui. Tada, įgiję branduolinių reakcijų valdymo patirties, pradėjo statyti atomines elektrines.

27 klausimas. Sintezės reakcija. Branduolinė sintezė vadinama protonų ir neutronų arba atskirų lengvųjų branduolių sintezės reakcija, kurios pasekoje susidaro sunkesnis branduolys. Paprasčiausios branduolių sintezės reakcijos yra:

, ΔQ = 17,59 MeV; (7.17)

Skaičiavimai rodo, kad branduolių sintezės reakcijų metu išsiskirianti energija masės vienetui gerokai viršija energiją, išsiskiriančią vykstant branduolio dalijimosi reakcijoms. Vykstant urano-235 branduolio dalijimosi reakcijai, išsiskiria maždaug 200 MeV, t.y. 200:235=0,85 MeV vienam nukleonui, o sintezės reakcijos metu (7,17) išsiskiria maždaug 17,5 MeV, t.y. 3,5 MeV vienam nukleonui (17,5:5=3,5 MeV). Taigi, sintezės procesas yra maždaug 4 kartus efektyvesnis nei urano dalijimosi procesas (vienam dalijimosi reakcijoje dalyvaujančio branduolio nukleonui).

Dėl didelio šių reakcijų greičio ir santykinai didelio energijos išsiskyrimo vienodas deuterio ir tričio mišinys yra perspektyviausias problemos sprendimui. valdoma termobranduolinė sintezė. Žmonijos viltys išspręsti savo energetines problemas yra susijusios su valdoma termobranduoline sinteze. Situacija tokia, kad urano, kaip žaliavos atominėms elektrinėms, atsargos Žemėje yra ribotos. Tačiau vandenyno vandenyje esantis deuteris yra beveik neišsenkantis pigaus branduolinio kuro šaltinis. Su tričiu padėtis yra šiek tiek sudėtingesnė. Tritis yra radioaktyvus (jo pusinės eliminacijos laikas 12,5 metų, skilimo reakcija:), gamtoje nebūna. Todėl norint užtikrinti darbą sintezės reaktorius naudojant tritį kaip branduolinį kurą, turi būti numatyta jo dauginimosi galimybė.

Šiuo tikslu reaktoriaus darbo zona turi būti apsupta lengvo ličio izotopo sluoksniu, kuriame vyks reakcija.

Dėl šios reakcijos susidaro vandenilio izotopas tritis ().

Ateityje svarstoma galimybė sukurti mažai radioaktyvų termobranduolinį reaktorių naudojant deuterio ir helio izotopų mišinį, sintezės reakcija yra tokia:

MeV.(7.20)

Dėl šios reakcijos, nes sintezės produktuose nėra neutronų, biologinis reaktoriaus pavojus gali sumažėti keturiomis–penkiomis eilėmis, palyginti su branduolių dalijimosi reaktoriais ir termobranduoliniais reaktoriais, veikiančiais deuterio ir tričio kuru, ir nereikia pramoninio radioaktyviųjų medžiagų perdirbimo ir jų transportavimo, kokybiškai supaprastinamas radioaktyviųjų atliekų šalinimas. Tačiau perspektyvas ateityje sukurti aplinkai nekenksmingą termobranduolinį reaktorių, naudojant deuterio () ir helio izotopo () mišinį, apsunkina žaliavų problema: natūralios helio izotopo atsargos Žemėje yra nereikšmingos. Deuterio poveikis aplinkai nekenksmingo termobranduolinio aparato ateityje

Vykdant sintezės reakcijas antžeminėmis sąlygomis, šviesos branduolių elektrostatinio atstūmimo problema iškyla, kai jie artėja prie atstumų, kuriais pradeda veikti branduolinės traukos jėgos, t.y. apie 10 -15 m, po to vyksta jų susiliejimo procesas dėl tunelio efektas. Norint įveikti potencialo barjerą, susidūrusiems šviesos branduoliams turi būti suteikta energija, lygi ≈10 keV, kuri atitinka temperatūrą T ≈10 8 K ir aukščiau. Todėl termobranduolinės reakcijos natūraliomis sąlygomis vyksta tik žvaigždžių viduje. Norint juos įgyvendinti antžeminėmis sąlygomis, reikalingas stiprus medžiagos kaitinimas branduoliniu sprogimu arba galingu dujų išlydžiu, arba milžinišku lazerio spinduliuotės impulsu, arba bombardavimu intensyviu dalelių pluoštu. Termobranduolinės reakcijos iki šiol buvo vykdomos tik bandomuosiuose termobranduolinių (vandenilinių) bombų sprogdinimuose.

Pagrindiniai reikalavimai, kuriuos turi atitikti termobranduolinis reaktorius, kaip įtaisas valdomai termobranduolinei sintezei įgyvendinti, yra šie.

Pirma, būtinas patikimas karštos plazmos izoliavimas (≈10 8 K) reakcijos zonoje. Pagrindinė idėja, daugelį metų nulėmusi šios problemos sprendimo būdus, XX amžiaus viduryje buvo išreikšta SSRS, JAV ir Didžiojoje Britanijoje beveik vienu metu. Ši idėja yra magnetinių laukų naudojimas aukštos temperatūros plazmos izoliacijai ir izoliacijai.

Antra, naudojant kurą, kuriame yra tričio (kuris yra labai radioaktyvus vandenilio izotopas), branduolių sintezės reaktoriaus kameros sienelės bus pažeistos spinduliuote. Ekspertų teigimu, pirmosios kameros sienelės mechaninis atsparumas vargu ar viršys 5-6 metus. Tai reiškia, kad įrenginys turi būti periodiškai visiškai išmontuotas, o vėliau sumontuojamas naudojant nuotolinius robotus dėl išskirtinai didelio liekamojo radioaktyvumo.

Trečia, pagrindinis reikalavimas, kurį turi atitikti termobranduolinė sintezė, yra tai, kad termobranduolinių reakcijų metu išsiskirianti energija daugiau nei kompensuotų iš išorės šaltinių sunaudotą energiją pačiai reakcijai palaikyti. Labai domina „grynos“ termobranduolinės reakcijos,

negamina neutronų (žr. (7.20) ir toliau pateiktą reakciją:

28 klausimas. Radioaktyvusis skilimas α−, β−, γ− radiacija.

Pagal radioaktyvumas suprasti kai kurių nestabilių atomų branduolių gebėjimą spontaniškai transformuotis į kitus atomų branduolius, išspinduliuojant radioaktyviąją spinduliuotę.

Natūralus radioaktyvumas vadinamas radioaktyvumu, stebimu gamtoje atsirandančiuose nestabiliuose izotopuose.

Dirbtinis radioaktyvumas yra izotopų, gautų dėl branduolinių reakcijų greitintuvuose ir branduoliniuose reaktoriuose, radioaktyvumas.

Radioaktyviosios transformacijos įvyksta pasikeitus atominių branduolių struktūrai, sudėčiai ir energetinei būklei, jas lydi įkrautų arba neutralių dalelių išmetimas arba gaudymas bei trumpųjų bangų elektromagnetinio pobūdžio spinduliuotės (gama spinduliuotės kvantų) išsiskyrimas. Šios skleidžiamos dalelės ir kvantai vadinami bendrai radioaktyvus (arba jonizuojantis ) spinduliuotė, o elementai, kurių branduoliai dėl vienokių ar kitokių priežasčių gali savaime suirti (natūralūs ar dirbtiniai), vadinami radioaktyviais arba radionuklidai . Radioaktyvaus skilimo priežastys yra disbalansas tarp branduolinių (trumpojo nuotolio) traukos jėgų ir elektromagnetinių (ilgojo nuotolio) atstumiamųjų teigiamai įkrautų protonų jėgų.

Jonizuojanti radiacija– įkrautų arba neutralių dalelių srautas ir elektromagnetinės spinduliuotės kvantai, kurių prasiskverbimas per medžiagą sukelia terpės atomų ar molekulių jonizaciją ir sužadinimą. Pagal savo pobūdį ji skirstoma į fotoninę (gama spinduliuotė, bremsstrahlung, rentgeno spinduliuotė) ir korpuskulinę (alfa spinduliuotę, elektroną, protoną, neutroną, mezoną).

Iš šiuo metu žinomų 2500 nuklidų stabilūs yra tik 271. Likusieji (90 proc.!) yra nestabilūs, t.y. radioaktyvus; per vieną ar kelis nuoseklius skilimus, lydimus dalelių arba γ-kvantų emisijos, jie virsta stabiliais nuklidais.

Radioaktyviosios spinduliuotės sudėties tyrimas leido ją suskirstyti į tris skirtingus komponentus: α-spinduliuotė yra teigiamai įkrautų dalelių srautas - helio branduoliai (), β spinduliuotė – elektronų arba pozitronų srautas, γ spinduliuotė – trumpųjų bangų elektromagnetinės spinduliuotės srautas.

Paprastai visų rūšių radioaktyvumą lydi gama spindulių – kietosios trumpabangos elektromagnetinės spinduliuotės – išskyrimas. Gama spinduliai yra pagrindinė radioaktyviųjų virsmų sužadintų produktų energijos mažinimo forma. Branduolys, kuriame vyksta radioaktyvus skilimas, vadinamas motinos; atsirandantis dukterinė įmonė branduolys, kaip taisyklė, yra susijaudinęs, o jo perėjimą į pagrindinę būseną lydi kvanto emisija.

Apsaugos įstatymai. Radioaktyvaus skilimo metu išsaugomi šie parametrai:

1. Įkrauti . Elektros krūvis negali būti sukurtas ar sunaikintas. Bendras krūvis prieš ir po reakcijos turi būti išsaugotas, nors jis gali būti skirtingai pasiskirstęs tarp skirtingų branduolių ir dalelių.

2. Masinis skaičius arba nukleonų skaičius po reakcijos turi būti lygus nukleonų skaičiui prieš reakciją.

3. Bendra energija . Kulono energija ir lygiaverčių masių energija turi išlikti visose reakcijose ir skilimo metu.

4.Impulsas ir kampinis momentas . Linijinio impulso išsaugojimas yra atsakingas už Kulono energijos pasiskirstymą tarp branduolių, dalelių ir (arba) elektromagnetinės spinduliuotės. Kampinis momentas reiškia dalelių sukimąsi.

α-skilimas vadinama emisija iš atomo branduolio α− dalelių. At α− skilimas, kaip visada, turi būti įvykdytas energijos tvermės dėsnis. Tuo pačiu metu bet kokie sistemos energijos pokyčiai atitinka proporcingus jos masės pokyčius. Todėl radioaktyvaus skilimo metu motininio branduolio masė turi viršyti skilimo produktų masę kiekiu, atitinkančiu sistemos kinetinę energiją po irimo (jei motininis branduolys prieš skilimą buvo ramybės būsenoje). Taigi, tuo atveju α− skilimo sąlyga turi būti įvykdyta

kur yra motininio branduolio masė su masės skaičiumi A ir serijos numeris Z, yra dukterinio branduolio masė ir yra masė α− dalelių. Kiekviena iš šių masių savo ruožtu gali būti pavaizduota kaip masės skaičiaus ir masės defekto suma:

Pakeitę šias masių išraiškas į nelygybę (8.2), gauname tokią sąlygą α− skilimas:, (8.3)

tie. motinos ir dukters branduolių masės defektų skirtumas turi būti didesnis už masės defektą α− dalelės. Taigi, kada α− skilimo, motinos ir dukters branduolių masės skaičiai turi skirtis vienas nuo kito keturiais. Jei masės skaičių skirtumas yra keturi, tada, kai natūralių izotopų masės defektai visada mažėja didėjant A. Taigi, kai netenkinama nelygybė (8.3), nes sunkesnio branduolio, kuris turėtų būti motininis branduolys, masės defektas yra mažesnis už lengvesniojo branduolio masės defektą. Todėl kai α− branduolio skilimas nevyksta. Tas pats pasakytina apie daugumą dirbtinių izotopų. Išimtis yra keli lengvi dirbtiniai izotopai, kurių rišimosi energijos šuoliai, taigi ir masės defektai, palyginti su kaimyniniais izotopais, yra ypač dideli (pavyzdžiui, berilio izotopas, kuris skyla į dvi dalis). α− dalelės).

Energija α− dalelės, susidarančios dėl branduolių skilimo, yra gana siaurame diapazone nuo 2 iki 11 MeV. Tuo pačiu metu, didėjant energijai, pusinės eliminacijos laikas mažėja α− dalelės. Ši tendencija ypač akivaizdi per nuoseklias radioaktyviąsias transformacijas toje pačioje radioaktyviųjų grupėje (Geiger-Nattall dėsnis). Pavyzdžiui, energija α− dalelės urano skilimo metu (T = 7,1 . 10 8 metų) yra 4,58 Mev, irstant protaktinumui (T = 3,4 . 10 4 metų) - 5,04 Mev polonio skilimo metu (T = 1,83 . 10 -3 Su)- 7,36Mev.

Paprastai tariant, gali skleisti to paties izotopo branduoliai α− dalelės, turinčios keletą griežtai apibrėžtų energijos verčių (ankstesniame pavyzdyje nurodyta didžiausia energija). Kitaip tariant, α− dalelės turi atskirą energijos spektrą. Tai paaiškinama taip. Dukterinis branduolys, atsirandantis dėl skilimo, pagal kvantinės mechanikos dėsnius gali būti kelių skirtingų būsenų, kurių kiekvienoje jis turi tam tikrą energiją. Mažiausios įmanomos energijos būsena yra stabili ir vadinama pagrindinis . Likusios būsenos vadinamos susijaudinęs . Branduolys gali juose išbūti labai trumpai (10 -8 - 10 -12 sek.), o po to pereina į mažesnės energijos būseną (nebūtinai iš karto į pagrindinę) su emisija. γ− kvantinis.

Vykdoma α− Yra du irimo etapai: formavimasis α− dalelės iš branduolinių nukleonų ir emisija α− dalelės su branduoliu.

Beta skilimas (radiacija). Skilimo sąvoka apjungia tris spontaniškų intrabranduolinių transformacijų tipus: elektronų skilimą, pozitronų skilimą ir elektronų gaudymą ( E- užfiksuoti).

Beta radioaktyviųjų izotopų yra žymiai daugiau nei alfa radioaktyviųjų izotopų. Jų yra visame branduolių masės skaičiaus pokyčių diapazone (nuo lengvųjų branduolių iki sunkiausių).

Atominių branduolių beta skilimą sukelia silpna sąveika elementariųjų dalelių ir, kaip ir -skilimui, galioja tam tikri dėsniai. Skilimo metu vienas iš neutronų branduolyje virsta protonu, išspinduliuojančiu elektroną ir elektroninį antineutriną. Šis procesas vyksta pagal šią schemą: . (8.8)

Skilimo metu vienas iš branduolio protonų virsta neutronu, išskirdamas pozitroną ir elektroninį neutriną:

Laisvasis neutronas, kuris nėra branduolio dalis, spontaniškai suyra pagal reakciją (8.8), kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie 12 minučių.Tai įmanoma, nes neutrono masė yra amu. didesnė už protono masę a.m.u. amu verte, kuri viršija likusią elektrono amu masę. (neutrino ramybės masė lygi nuliui). Laisvojo protono skilimą draudžia energijos tvermės įstatymas, nes susidariusių dalelių - neutrono ir pozitrono - likusių masių suma yra didesnė už protono masę. Taigi protono skilimas (8.9) galimas tik branduolyje, jei dukterinio branduolio masė yra mažesnė už motininio branduolio masę tiek, kiek didesnė už likusią pozitrono masę (likusią pozitrono ir elektrono masę). yra lygūs). Kita vertus, panaši sąlyga turi būti tenkinama neutrono, įtraukto į branduolį, skilimo atveju.

Be proceso, vykstančio pagal reakciją (8.9), protonas virsti neutronu taip pat gali vykti protonui pagaunant elektroną ir tuo pačiu metu išspinduliuojant elektronų neutriną.

Kaip ir procesas (8.9), procesas (8.10) nevyksta su laisvu protonu. Tačiau jei protonas yra branduolio viduje, jis gali užfiksuoti vieną iš savo atomo orbitinių elektronų, jei motininio branduolio ir elektrono masių suma yra didesnė už dukterinio branduolio masę. Pati galimybė branduolio viduje esančius protonus susitikti su orbitiniais atomo elektronais atsiranda dėl to, kad pagal kvantinę mechaniką elektronų judėjimas atome nevyksta griežtai apibrėžtomis orbitomis, kaip priimta Bohro teorijoje. , tačiau yra tam tikra tikimybė sutikti elektroną bet kurioje erdvės srityje atomo viduje, ypač ir branduolio užimamoje srityje.

Branduolinė transformacija, kurią sukelia orbitinio elektrono gaudymas, vadinama E- užfiksuoti. Dažniausiai įvyksta arčiausiai branduolio esančiam K apvalkalui priklausančio elektrono pagavimas (K pagavimas). Elektronas, įtrauktas į kitą L apvalkalą (L-pagavimas), įvyksta maždaug 100 kartų rečiau.

Gama spinduliuotė. Gama spinduliuotė – tai trumpųjų bangų elektromagnetinė spinduliuotė, kuri pasižymi itin trumpu bangos ilgiu ir dėl to ryškiomis korpuskulinėmis savybėmis, t.y. yra kvantų srautas su energija ( ν − spinduliavimo dažnis), impulsas ir sukimasis J(vienetais ħ ).

Gama spinduliuotė lydi branduolių irimą, atsiranda naikinant daleles ir antidaleles, lėtėjant greitai įkrautoms dalelėms terpėje, irstant mezonams, yra kosminėje spinduliuotėje, branduolinėse reakcijose ir kt. nustatyta, kad sužadintas branduolys, susidaręs dėl skilimo, gali pereiti eilę tarpinių, mažiau sužadintų būsenų. Todėl to paties radioaktyvaus izotopo spinduliuotėje gali būti kelių tipų kvantų, kurie skiriasi vienas nuo kito energetinėmis vertėmis. Branduolių sužadintų būsenų tarnavimo laikas paprastai smarkiai pailgėja mažėjant jų energijai ir didėjant skirtumui tarp pradinės ir galutinės branduolių sukinių.

Kvantinė emisija taip pat vyksta atomo branduolio radiacinio perėjimo metu iš sužadintos energijos būsenos E iį žemę arba mažiau sužadintą būseną su energija E k (E i >E k). Pagal energijos tvermės dėsnį (iki branduolio atatrankos energijos) kvanto energija nustatoma pagal išraišką: . (8.11)

Spinduliavimo metu taip pat tenkinami judesio ir kampinio momento išsaugojimo dėsniai.

Dėl branduolio energijos lygių diskretiškumo spinduliuotė turi linijinį energijos ir dažnių spektrą. Iš tikrųjų branduolio energijos spektras yra padalintas į atskiras ir ištisines sritis. Diskretaus spektro srityje atstumai tarp branduolio energijos lygių yra žymiai didesni nei energijos plotis G lygis, kurį lemia šios būsenos branduolio eksploatavimo laikas:

Laikas nustato sužadinto branduolio skilimo greitį:

kur yra branduolių skaičius pradiniu metu (); nesuirusių branduolių skaičius vienu metu t.

29 klausimas. Poslinkio dėsniai. Išskleisdamas dalelę, branduolys netenka dviejų protonų ir dviejų neutronų. Todėl gautas (dukterinis) branduolys, palyginti su pradiniu (motininiu) branduoliu, turi keturiais mažesnį masės skaičių, o eilės skaičių – dviem.

Taigi, irstant, gaunamas elementas, kuris periodinėje lentelėje užima vietą dviem langeliais į kairę, palyginti su originalu:. (8.14)

Skilimo metu vienas iš neutronų branduolyje virsta protonu, išskirdamas elektroną ir antineutriną (–skilimas). Dėl skilimo nukleonų skaičius branduolyje išlieka nepakitęs. Todėl masės skaičius nekinta, kitaip tariant, įvyksta vienos izobaros transformacija į kitą. Tačiau dukterinio branduolio krūvis ir jo atominis skaičius keičiasi. Skilimo metu, neutronui virstant protonu, atominis skaičius padidėja vienu, t.y. šiuo atveju atsiranda elementas, kuris periodinėje lentelėje perkeltas vienu langeliu į dešinę, palyginti su pradiniu:

Skilimo metu, kai protonas virsta neutronu, atominis skaičius sumažėja vienu, o naujai gautas elementas periodinėje lentelėje perkeliamas viena ląstele į kairę:

Išraiškose (8.14) − (8.16) X- motinos šerdies simbolis, Y– dukterinio branduolio simbolis; – helio branduolys ir – atitinkamai simboliniai elektrono, kuriam pažymėti A= 0 ir Z= –1, ir pozitronas, kuriam A= 0 ir Z=+1.

Susidaro natūraliai radioaktyvūs branduoliai trys radioaktyvios šeimos , paskambino urano šeima (), torio šeima () Ir jūros anemonų šeima (). Jie gavo savo pavadinimus iš ilgaamžių izotopų, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ilgiausias. Visos šeimos po α− ir β− skilimo grandinės baigiasi ant stabilių švino izotopų branduolių – , ir. Neptūno šeima, pradedant transurano elementu neptūnu, gaminama dirbtinai ir baigiasi bismuto izotopu.

Atomo branduolys, susidedantis iš tam tikro skaičiaus protonų ir neutronų, yra viena visuma dėl specifinių jėgų, veikiančių tarp branduolio nukleonų ir vadinamų branduolinis. Eksperimentiškai įrodyta, kad branduolinės jėgos turi labai dideles reikšmes, daug didesnes nei elektrostatinės atstūmimo tarp protonų jėgos. Tai pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei Kulono atstūmimo jėgų atliktas darbas. Panagrinėkime pagrindinius branduolinių pajėgų bruožus.

1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio traukos jėgos . Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp 10–15 m dydžio branduolyje esančių nukleonų. (1,5 – 2,2)·10–15 m atstumas vadinamas branduolinių jėgų veikimo spinduliu, jam didėjant. , branduolinės jėgos greitai mažėja. (2–3) m atstumu branduolinės sąveikos tarp nukleonų praktiškai nėra.

2. Branduolinės pajėgos turi savybę prisotinimas, tie. kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su tam tikru artimiausių kaimynų skaičiumi. Toks branduolinių jėgų pobūdis pasireiškia apytiksliu nukleonų specifinės surišimo energijos pastovumu, esant krūviui. A>40. Iš tiesų, jei nebūtų prisotinimo, specifinė surišimo energija padidėtų didėjant nukleonų skaičiui branduolyje.

3. Branduolinių jėgų bruožas yra ir jų apmokestinimo nepriklausomybė , t.y. jie nepriklauso nuo nukleonų krūvio, todėl protonų ir neutronų branduolinė sąveika yra vienoda. Branduolinių jėgų nepriklausomybė nuo krūvio matoma palyginus privalomas energijas veidrodžio šerdys . Taip vadinami branduoliai, kuriuose bendras nukleonų skaičius yra vienodas, bet protonų skaičius viename lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio ir sunkiojo vandenilio-tričio branduolių surišimo energija yra atitinkamai 7,72 MeV ir 8.49 val MeV. Šių branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją. Darant prielaidą, kad ši vertė yra lygi , galime nustatyti, kad vidutinis atstumas r tarp protonų branduolyje yra 1,9·10–15 m, o tai atitinka branduolinių jėgų veikimo spindulį.

4. Branduolinės jėgos nėra centrinės ir priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Tai patvirtina skirtingas orto- ir paravandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida paravandenilyje yra 30 kartų didesnė nei ortovandenilio sklaida.

Sudėtingas branduolinių jėgų pobūdis neleidžia sukurti vienos nuoseklios branduolinės sąveikos teorijos, nors buvo pasiūlyta daug skirtingų požiūrių. Pagal japonų fiziko H. Jukavos hipotezę, kurią jis pasiūlė 1935 m., branduolines jėgas sukelia mainai – mezonai, t.y. elementariosios dalelės, kurių masė yra maždaug 7 kartus mažesnė už nukleonų masę. Pagal šį modelį nukleonas laike m- mezono masė) išskiria mezoną, kuris, judėdamas artimu šviesos greičiui, įveikia atstumą , po kurio jį sugeria antrasis nukleonas. Savo ruožtu antrasis nukleonas taip pat išskiria mezoną, kurį sugeria pirmasis. Todėl H. Yukawa modelyje atstumą, kuriuo nukleonai sąveikauja, lemia mezono kelio ilgis, kuris atitinka atstumą maždaug m o pagal dydį sutampa su branduolinių jėgų veikimo spinduliu.

Pereikime prie mainų sąveikos tarp nukleonų svarstymo. Yra teigiami, neigiami ir neutralūs mezonai. Krūvio – arba – mezonų modulis yra skaitiniu požiūriu lygus elementariajam krūviui e. Įkrautų mezonų masė yra tokia pati ir lygi (140 MeV), mezono masė yra 264 (135 MeV). Tiek įkrautų, tiek neutralių mezonų sukinys lygus 0. Visos trys dalelės yra nestabilios. Mezonų ir mezonų gyvenimo trukmė yra 2,6 Su, - mezonas – 0,8·10 -16 Su. Nukleonų sąveika vykdoma pagal vieną iš šių schemų:

(22.7)
1. Nukleonai keičiasi mezonais:

Šiuo atveju protonas išskiria mezoną, virsdamas neutronu. Mezoną sugeria neutronas, kuris dėl to virsta protonu, tada tas pats procesas vyksta priešinga kryptimi. Taigi kiekvienas iš sąveikaujančių nukleonų dalį laiko praleidžia įkrautoje būsenoje, o dalį – neutralioje būsenoje.

2. Nukleonų mainai – mezonai:

3. Nukleonų mainai – mezonai:

. (22.10)

Visi šie procesai buvo įrodyti eksperimentiškai. Visų pirma, pirmasis procesas patvirtinamas, kai neutronų pluoštas praeina per vandenilį. Spindulyje atsiranda judantys protonai, o taikinyje aptinkamas atitinkamas praktiškai ramybės būsenos neutronų skaičius.

Branduolio modeliai. Branduolinių jėgų matematinio dėsnio nebuvimas neleidžia sukurti vieningos branduolio teorijos. Bandymai sukurti tokią teoriją susiduria su rimtais sunkumais. Štai keletas iš jų:

1. Trūksta žinių apie tarp nukleonų veikiančias jėgas.

2. Nepaprastas kvantinės daugelio kūnų problemos sudėtingumas (branduolis su masės skaičiumi A yra sistema A tel).

Šie sunkumai verčia mus imtis branduolinių modelių, leidžiančių gana paprastomis matematinėmis priemonėmis apibūdinti tam tikrą branduolinių savybių rinkinį, kūrimo keliu. Nė vienas iš šių modelių negali pateikti visiškai tikslaus branduolio aprašymo. Todėl turite naudoti kelis modelius.

Pagal branduolio modelis branduolio fizikoje jie supranta aibę fizinių ir matematinių prielaidų, kurių pagalba galima apskaičiuoti branduolinės sistemos, susidedančios iš A nukleonai. Buvo pasiūlyta ir sukurta daug įvairaus sudėtingumo modelių. Mes apsvarstysime tik garsiausius iš jų.

Hidrodinaminis (lašinamasis) šerdies modelis buvo sukurta 1939 m. N. Bohras ir sovietų mokslininkas J. Frenkelis. Jis pagrįstas prielaida, kad dėl didelio nukleonų tankio branduolyje ir itin stiprios jų tarpusavio sąveikos atskirų nukleonų nepriklausomas judėjimas yra neįmanomas, o branduolys yra įkrauto skysčio lašas, kurio tankis . Kaip ir įprasto skysčio lašo atveju, šerdies paviršius gali svyruoti. Jei virpesių amplitudė tampa pakankamai didelė, įvyksta branduolio dalijimosi procesas. Lašelio modelis leido gauti nukleonų jungimosi branduolyje energijos formulę ir paaiškino kai kurių branduolinių reakcijų mechanizmą. Tačiau šis modelis nepaaiškina daugumos atomų branduolių sužadinimo spektrų ir ypatingo kai kurių jų stabilumo. Taip yra dėl to, kad hidrodinaminis modelis labai apytiksliai atspindi šerdies vidinės struktūros esmę.

Branduolio apvalkalo modelis 1940-1950 metais sukūrė amerikiečių fizikas M. Geppertas - Mayeris ir vokiečių fizikas H. Jensenas. Daroma prielaida, kad kiekvienas nukleonas juda nepriklausomai nuo kitų tam tikrame vidutinio potencialo lauke (potencialas, kurį gerai sukuria likę branduolio nukleonai. Apvalkalo modelio rėmuose funkcija ne skaičiuojama, o parenkama taip, kad geriausiai atitiktų galima gauti eksperimentinių duomenų.

Potencialaus šulinio gylis paprastai yra ~ (40-50) MeV ir nepriklauso nuo nukleonų skaičiaus branduolyje. Remiantis kvantine teorija, nukleonai lauke yra tam tikruose atskiruose energijos lygiuose. Pagrindinė apvalkalo modelio kūrėjų prielaida apie savarankišką nukleonų judėjimą vidutinio potencialo lauke prieštarauja pagrindinėms hidrodinaminio modelio kūrėjų nuostatoms. Todėl šerdies charakteristikos, kurias gerai apibūdina hidrodinaminis modelis (pavyzdžiui, surišimo energijos vertė), negali būti paaiškintos apvalkalo modelio rėmuose ir atvirkščiai.

Apibendrintas branduolio modelis 1950-1953 metais sukurtas, apjungia pagrindines hidrodinaminio ir apvalkalo modelių kūrėjų nuostatas. Apibendrintame modelyje daroma prielaida, kad branduolys susideda iš vidinės stabilios dalies – šerdies, kurią sudaro užpildytų apvalkalų nukleonai, ir išorinių nukleonų, judančių šerdies nukleonų sukurtame lauke. Šiuo atžvilgiu šerdies judėjimas apibūdinamas hidrodinaminiu modeliu, o išorinių nukleonų judėjimas – apvalkalo modeliu. Dėl sąveikos su išoriniais nukleonais šerdis gali būti deformuota, o šerdis gali suktis aplink ašį, statmeną deformacijos ašiai. Apibendrintas modelis leido paaiškinti pagrindines atomų branduolių sukimosi ir virpesių spektrų ypatybes, taip pat kai kurių iš jų dideles kvadrupolio elektrinio momento reikšmes.

Apsvarstėme pagrindinius fenomenologinius, t.y. aprašomieji, branduolio modeliai. Tačiau norint visiškai suprasti branduolinės sąveikos, lemiančios branduolio savybes ir struktūrą, prigimtį, būtina sukurti teoriją, kurioje branduolys būtų laikomas sąveikaujančių nukleonų sistema.

Atomo branduolys, susidedantis iš tam tikro skaičiaus protonų ir neutronų, yra viena visuma dėl specifinių jėgų, veikiančių tarp branduolio nukleonų ir vadinamų branduolinis. Eksperimentiškai įrodyta, kad branduolinės jėgos turi labai dideles reikšmes, daug didesnes nei elektrostatinės atstūmimo tarp protonų jėgos. Tai pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei Kulono atstūmimo jėgų atliktas darbas. Pažvelkime į pagrindinį branduolinių jėgų bruožai.

1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio traukos jėgos . Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp 10–15 m eilės nukleonų. (1,5 – 2,2) 10–15 m atstumas vadinamas branduolinių jėgų diapazonas, jam didėjant, branduolinės jėgos greitai mažėja. (2–3) m atstumu branduolinės sąveikos tarp nukleonų praktiškai nėra.

2. Branduolinės pajėgos turi savybę prisotinimas, tie. kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su tam tikru artimiausių kaimynų skaičiumi. Toks branduolinių jėgų pobūdis pasireiškia apytiksliu nukleonų specifinės surišimo energijos pastovumu, esant krūviui. A>40. Iš tiesų, jei nebūtų prisotinimo, specifinė surišimo energija padidėtų didėjant nukleonų skaičiui branduolyje.

3. Branduolinių jėgų bruožas yra ir jų apmokestinimo nepriklausomybė , t.y. jie nepriklauso nuo nukleonų krūvio, todėl protonų ir neutronų branduolinė sąveika yra vienoda. Branduolinių jėgų nepriklausomybė nuo krūvio matoma palyginus privalomas energijas veidrodžio šerdys . Taip vadinami branduoliai, kuriuose bendras nukleonų skaičius yra vienodas, bet protonų skaičius viename lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio ir sunkiojo vandenilio-tričio branduolių surišimo energija yra atitinkamai 7,72 MeV ir 8.49 val MeV. Šių branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją. Darant prielaidą, kad ši vertė yra lygi , galime nustatyti, kad vidutinis atstumas r tarp protonų branduolyje yra 1,9·10–15 m, o tai atitinka branduolinių jėgų veikimo spindulį.

4. Branduolinės jėgos nėra centrinės ir priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Tai patvirtina skirtingas orto- ir paravandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida paravandenilyje yra 30 kartų didesnė nei ortovandenilio sklaida.

Sudėtingas branduolinių jėgų pobūdis neleidžia sukurti vienos nuoseklios branduolinės sąveikos teorijos, nors buvo pasiūlyta daug skirtingų požiūrių. Pagal japonų fiziko H. Yukawa (1907-1981) hipotezę, kurią jis pasiūlė 1935 m., branduolines jėgas sukelia mainai – mezonai, t.y. elementariosios dalelės, kurių masė yra maždaug 7 kartus mažesnė už nukleonų masę. Pagal šį modelį nukleonas laike m- mezono masė) išskiria mezoną, kuris, judėdamas artimu šviesos greičiui, įveikia atstumą , po kurio jį sugeria antrasis nukleonas. Savo ruožtu antrasis nukleonas taip pat išskiria mezoną, kurį sugeria pirmasis. Todėl H. Yukawa modelyje atstumą, kuriuo nukleonai sąveikauja, lemia mezono kelio ilgis, kuris atitinka atstumą maždaug m o pagal dydį sutampa su branduolinių jėgų veikimo spinduliu.

Pereikime prie mainų sąveikos tarp nukleonų svarstymo. Yra teigiami, neigiami ir neutralūs mezonai. Krūvio – arba – mezonų modulis yra skaitiniu požiūriu lygus elementariajam krūviui e . Įkrautų mezonų masė yra tokia pati ir lygi (140 MeV), mezono masė yra 264 (135 MeV). Tiek įkrautų, tiek neutralių mezonų sukinys lygus 0. Visos trys dalelės yra nestabilios. Mezonų ir mezonų gyvenimo trukmė yra 2,6 Su, - mezonas – 0,8·10 -16 Su. Nukleonų sąveika vykdoma pagal vieną iš šių schemų:

1. Nukleonai keičiasi mezonais: . (22.8)

Šiuo atveju protonas išskiria mezoną, virsdamas neutronu. Mezoną sugeria neutronas, kuris dėl to virsta protonu, tada tas pats procesas vyksta priešinga kryptimi. Taigi kiekvienas iš sąveikaujančių nukleonų dalį laiko praleidžia įkrautoje būsenoje, o dalį – neutralioje būsenoje.

2. Nukleonų mainai – mezonai:

3. Nukleonų mainai – mezonai:

, (22.10)

Visi šie procesai buvo įrodyti eksperimentiškai. Visų pirma, pirmasis procesas patvirtinamas, kai neutronų pluoštas praeina per vandenilį. Spindulyje atsiranda judantys protonai, o taikinyje aptinkamas atitinkamas praktiškai ramybės būsenos neutronų skaičius.

Branduolio modeliai. Pagal branduolio modelis branduolio fizikoje jie supranta aibę fizinių ir matematinių prielaidų, kurių pagalba galima apskaičiuoti branduolinės sistemos, susidedančios iš A nukleonai.

Hidrodinaminis (lašinamasis) šerdies modelis Jis pagrįstas prielaida, kad dėl didelio nukleonų tankio branduolyje ir itin stiprios sąveikos tarp atskirų nukleonų neįmanomas savarankiškas judėjimas, o branduolys yra įkrauto skysčio lašas, kurio tankis .

Branduolio apvalkalo modelis Daroma prielaida, kad kiekvienas nukleonas juda nepriklausomai nuo kitų tam tikrame vidutinio potencialo lauke (potencialas, kurį gerai sukuria likę branduolio nukleonai.

Apibendrintas branduolio modelis, sujungia pagrindines hidrodinaminio ir apvalkalo modelių kūrėjų nuostatas. Apibendrintame modelyje daroma prielaida, kad branduolys susideda iš vidinės stabilios dalies – šerdies, kurią sudaro užpildytų apvalkalų nukleonai, ir išorinių nukleonų, judančių šerdies nukleonų sukurtame lauke. Šiuo atžvilgiu šerdies judėjimas apibūdinamas hidrodinaminiu modeliu, o išorinių nukleonų judėjimas – apvalkalo modeliu. Dėl sąveikos su išoriniais nukleonais šerdis gali būti deformuota, o šerdis gali suktis aplink ašį, statmeną deformacijos ašiai.

26. Atomų branduolių dalijimosi reakcijos. Atominė energija.

Branduolinės reakcijos vadinamos atomų branduolių transformacijomis, kurias sukelia jų sąveika tarpusavyje arba su kitais branduoliais ar elementariosiomis dalelėmis. Pirmoji žinia apie branduolinę reakciją priklauso E. Rutherfordui. 1919 m. jis išsiaiškino, kad dalelėms praeinant per azoto dujas dalis jų yra absorbuojamos ir kartu išsiskiria protonai. Rutherfordas padarė išvadą, kad azoto branduoliai buvo paversti deguonies branduoliais dėl tokios formos branduolinės reakcijos:

, (22.11)

kur − yra dalelė; − protonas (vandenilis).

Svarbus branduolinės reakcijos parametras yra jos energijos išeiga, kuri nustatoma pagal formulę:

(22.12)

Čia ir yra likusių dalelių masių sumos prieš ir po reakcijos. Kai branduolinės reakcijos vyksta absorbuojant energiją, todėl jos vadinamos endoterminis, o kai – su energijos išsiskyrimu. Šiuo atveju jie vadinami egzoterminis.

Bet kurioje branduolinėje reakcijoje visada įvykdomi šie dalykai: gamtosaugos įstatymai :

− elektros krūvis;

– nukleonų skaičius;

− energija;

− impulsas.

Pirmieji du dėsniai leidžia taisyklingai užrašyti branduolines reakcijas net ir tais atvejais, kai viena iš reakcijoje dalyvaujančių dalelių ar vienas iš jos produktų yra nežinomas. Naudojant energijos tvermės ir impulso dėsnius, galima nustatyti reakcijos proceso metu susidarančių dalelių kinetinę energiją bei tolesnio jų judėjimo kryptis.

Endoterminėms reakcijoms apibūdinti pristatoma sąvoka slenkstinė kinetinė energija , arba branduolinės reakcijos slenkstis , tie. mažiausia krintančios dalelės kinetinė energija (atskaitos sistemoje, kai tikslinis branduolys yra ramybės būsenoje), kuriai esant įmanoma branduolinė reakcija. Iš energijos ir impulso tvermės dėsnio išplaukia, kad branduolinės reakcijos slenkstinė energija apskaičiuojama pagal formulę:

. (22.13)

Čia yra branduolinės reakcijos energija (7.12); -stacionarios šerdies masė – taikinys; yra dalelės, patenkančios į branduolį, masė.

Skilimo reakcijos. 1938 metais vokiečių mokslininkai O. Hahnas ir F. Strassmannas išsiaiškino, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, kartais atsiranda branduolių, kurie yra maždaug perpus mažesni už pradinį urano branduolį. Šis reiškinys buvo vadinamas branduolio dalijimasis.

Tai yra pirmoji eksperimentiškai pastebėta branduolinės transformacijos reakcija. Pavyzdys yra viena iš galimų urano-235 branduolio dalijimosi reakcijų:

Branduolio dalijimosi procesas vyksta labai greitai, per ~10–12 s. Tokios reakcijos metu kaip (22.14) išsiskirianti energija yra maždaug 200 MeV vienam urano-235 branduolio dalijimosi įvykiui.

Apskritai urano-235 branduolio dalijimosi reakcija gali būti parašyta taip:

+neutronai . (22.15)

Skilimo reakcijos mechanizmas gali būti paaiškintas hidrodinaminio branduolio modelio rėmuose. Pagal šį modelį urano branduoliui sugertas neutronas pereina į sužadinimo būseną (22.2 pav.).

Energijos perteklius, kurį branduolys gauna dėl neutrono absorbcijos, sukelia intensyvesnį nukleonų judėjimą. Dėl to branduolys deformuojasi, o tai lemia trumpojo nuotolio branduolinės sąveikos susilpnėjimą. Jei branduolio sužadinimo energija yra didesnė už tam tikrą energiją, vadinamą aktyvacijos energija , tada veikiamas elektrostatinio protonų atstūmimo branduolys skyla į dvi dalis, išspinduliuodamas dalijimosi neutronai . Jei sužadinimo energija absorbuojant neutroną yra mažesnė už aktyvacijos energiją, tai branduolys nepasiekia

kritinė dalijimosi stadija ir, išskyręs kvantą, grįžta į pagrindinį

Fizikoje „jėgos“ sąvoka reiškia medžiagų darinių tarpusavio sąveikos matą, įskaitant medžiagos dalių (makroskopinių kūnų, elementariųjų dalelių) sąveiką tarpusavyje ir su fiziniais laukais (elektromagnetiniais, gravitaciniais). Iš viso žinomi keturi sąveikos gamtoje tipai: stiprioji, silpnoji, elektromagnetinė ir gravitacinė, ir kiekviena turi savo jėgos tipą. Pirmasis iš jų atitinka branduolines jėgas, veikiančias atomo branduolių viduje.

Kas vienija branduolius?

Visiems žinoma, kad atomo branduolys yra mažytis, jo dydis keturiomis ar penkiomis eilėmis mažesnis už paties atomo dydį. Tai kelia akivaizdų klausimą: kodėl jis toks mažas? Juk atomai, sudaryti iš mažyčių dalelių, vis tiek yra daug didesni už juose esančias daleles.

Priešingai, branduoliai savo dydžiu nedaug skiriasi nuo nukleonų (protonų ir neutronų), iš kurių jie pagaminti. Ar tai yra priežastis, ar tai sutapimas?

Tuo tarpu žinoma, kad neigiamo krūvio elektronus šalia atomų branduolių laiko būtent elektrinės jėgos. Kokia jėga ar jėgos laiko branduolio daleles kartu? Šią užduotį atlieka branduolinės jėgos, kurios yra stiprios sąveikos matas.

Stipri branduolinė jėga

Jeigu gamtoje būtų tik gravitacinės ir elektrinės jėgos, t.y. su kuriomis susiduriame kasdieniame gyvenime, tada atomų branduoliai, dažnai susidedantys iš daugybės teigiamai įkrautų protonų, būtų nestabilūs: elektrinės jėgos, stumiančios protonus vienas nuo kito, būtų daug milijonų kartų stipresnės už bet kokias gravitacines jėgas, traukiančias juos kartu su draugu. . Branduolinės jėgos suteikia trauką net stipriau nei elektrinis atstūmimas, nors branduolio struktūroje pasireiškia tik jų tikrojo dydžio šešėlis. Kai tyrinėjame pačių protonų ir neutronų struktūrą, matome tikrąsias vadinamosios stipriosios branduolinės jėgos galimybes. Branduolinės jėgos yra jo pasireiškimas.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kad dvi priešingos jėgos branduolyje yra elektrinis atstūmimas tarp teigiamai įkrautų protonų ir branduolinės jėgos, kuri kartu pritraukia protonus (ir neutronus). Jei protonų ir neutronų skaičius per daug nesiskiria, tada antrosios jėgos yra pranašesnės už pirmąsias.

Protonai yra atomų analogai, o branduoliai yra molekulių analogai?

Tarp kokių dalelių veikia branduolinės jėgos? Visų pirma, tarp nukleonų (protonų ir neutronų) branduolyje. Galiausiai jie taip pat veikia tarp dalelių (kvarkų, gliuonų, antikvarkų) protone arba neutrone. Tai nenuostabu, kai pripažįstame, kad protonai ir neutronai yra iš esmės sudėtingi.

Atome mažyčiai branduoliai ir net mažesni elektronai yra palyginti toli vienas nuo kito, palyginti su jų dydžiu, o elektrinės jėgos, laikančios juos kartu atome, yra gana paprastos. Tačiau molekulėse atstumas tarp atomų yra panašus į atomų dydį, todėl pastarųjų vidinis sudėtingumas atsiranda. Įvairi ir sudėtinga situacija, kurią sukelia dalinis vidinių atominių elektrinių jėgų kompensavimas, sukelia procesus, kurių metu elektronai iš tikrųjų gali judėti iš vieno atomo į kitą. Dėl to molekulių fizika yra daug turtingesnė ir sudėtingesnė nei atomų. Taip pat atstumas tarp protonų ir neutronų branduolyje yra panašus į jų dydį – ir kaip ir molekulių atveju, branduolių jėgų, laikančių branduolius kartu, savybės yra daug sudėtingesnės nei paprastas protonų ir neutronų pritraukimas.

Nėra branduolio be neutrono, išskyrus vandenilį

Yra žinoma, kad vienų cheminių elementų branduoliai yra stabilūs, o kitų nuolat irsta, o šio irimo greičių diapazonas yra labai platus. Kodėl nustoja veikti jėgos, laikančios nukleonus branduoliuose? Pažiūrėkime, ko galime pasimokyti iš paprastų samprotavimų apie branduolinių jėgų savybes.

Viena yra ta, kad visuose branduoliuose, išskyrus labiausiai paplitusią vandenilio izotopą (kuris turi tik vieną protoną), yra neutronų; tai yra, nėra branduolio su keliais protonais, kuriuose nebūtų neutronų (žr. paveikslėlį žemiau). Taigi akivaizdu, kad neutronai atlieka svarbų vaidmenį padedant protonams sulipti.

Fig. Viršuje rodomi šviesos stabilūs arba beveik stabilūs branduoliai kartu su neutronu. Pastarieji, kaip ir tritis, pavaizduoti punktyrine linija, nurodant, kad jie ilgainiui suyra. Kiti deriniai su nedideliu protonų ir neutronų skaičiumi iš viso nesudaro branduolio arba sudaro itin nestabilius branduolius. Kursyvu taip pat rodomi alternatyvūs pavadinimai, dažnai suteikiami kai kuriems iš šių objektų; Pavyzdžiui, helio-4 branduolys dažnai vadinamas α dalele, taip pavadinta tada, kai ji iš pradžių buvo atrasta atliekant ankstyvuosius radioaktyvumo tyrimus 1890-aisiais.

Neutronai kaip protonų piemenys

Priešingai, nėra branduolio, sudaryto tik iš neutronų be protonų; daugumoje lengvųjų branduolių, tokių kaip deguonis ir silicis, yra maždaug tiek pat neutronų ir protonų (2 pav.). Dideli branduoliai, turintys didelę masę, pavyzdžiui, auksas ir radis, turi šiek tiek daugiau neutronų nei protonų.

Tai sako du dalykus:

1. Ne tik neutronai reikalingi protonams išlaikyti kartu, bet ir protonai reikalingi neutronams išlaikyti kartu.

2. Jeigu protonų ir neutronų skaičius tampa labai didelis, tai protonų elektrinį atstūmimą reikia kompensuoti pridedant keletą papildomų neutronų.

Paskutinis teiginys parodytas paveikslėlyje žemiau.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje pavaizduoti stabilūs ir beveik stabilūs atomų branduoliai kaip P (protonų skaičiaus) ir N (neutronų skaičiaus) funkcija. Juostais taškais pavaizduota linija rodo stabilius branduolius. Bet koks poslinkis aukštyn arba žemyn nuo juodos linijos reiškia branduolių gyvavimo trukmės sumažėjimą – šalia jos branduolių gyvavimo trukmė yra milijonai ar daugiau metų, judant toliau į mėlynas, rudas ar geltonas sritis (skirtingos spalvos atitinka skirtingas branduolinio skilimo mechanizmai), jų gyvavimo laikas vis trumpėja, iki sekundės dalies.

Atkreipkite dėmesį, kad stabiliuose branduoliuose P ir N yra maždaug lygūs mažiems P ir N, tačiau N palaipsniui tampa didesnis nei P daugiau nei pusantro karto. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad stabilių ir ilgaamžių nestabilių branduolių grupė išlieka gana siauroje juostoje visoms P reikšmėms iki 82. Esant didesniam skaičiui, žinomi branduoliai iš esmės yra nestabilūs (nors gali egzistuoti milijonus metų). ). Matyt, pirmiau minėtas mechanizmas, skirtas protonų stabilizavimui branduoliuose, pridedant prie jų neutronus šiame regione, nėra 100% efektyvus.

Kaip atomo dydis priklauso nuo jo elektronų masės?

Kaip nagrinėjamos jėgos veikia atomo branduolio struktūrą? Branduolinės jėgos pirmiausia veikia jo dydį. Kodėl branduoliai yra tokie maži, palyginti su atomais? Norėdami tai išsiaiškinti, pradėkime nuo paprasčiausio branduolio, turinčio ir protoną, ir neutroną: tai antras pagal dažnumą vandenilio izotopas, atomas, turintis vieną elektroną (kaip ir visi vandenilio izotopai) ir vieno protono bei vieno neutrono branduolys. . Šis izotopas dažnai vadinamas „deuteriu“, o jo branduolys (žr. 2 pav.) kartais vadinamas „deuteronu“. Kaip galime paaiškinti, kas deuteroną laiko kartu? Na, galite įsivaizduoti, kad jis niekuo nesiskiria nuo įprasto vandenilio atomo, kuriame taip pat yra dvi dalelės (protonas ir elektronas).

Fig. Aukščiau parodyta, kad vandenilio atome branduolys ir elektronas yra labai toli vienas nuo kito, ta prasme, kad atomas yra daug didesnis už branduolį (o elektronas yra dar mažesnis). Tačiau deuterone atstumas tarp protono o neutronas yra panašus į jų dydį. Tai iš dalies paaiškina, kodėl branduolinės jėgos yra daug sudėtingesnės nei atomo jėgos.

Yra žinoma, kad elektronai turi mažą masę, palyginti su protonais ir neutronais. Tai seka

• atomo masė iš esmės yra artima jo branduolio masei,
• atomo dydis (iš esmės elektronų debesies dydis) yra atvirkščiai proporcingas elektronų masei ir atvirkščiai proporcingas bendrai elektromagnetinei jėgai; Kvantinės mechanikos neapibrėžtumo principas vaidina lemiamą vaidmenį.

Ką daryti, jei branduolinės jėgos yra panašios į elektromagnetines?

O kaip deuteronas? Jis, kaip ir atomas, sudarytas iš dviejų objektų, tačiau jų masė yra beveik vienoda (neutrono ir protono masės skiriasi tik maždaug viena dalimi 1500), todėl abi dalelės yra vienodai svarbios nustatant deuterono masę. ir jo dydis. Dabar tarkime, kad branduolinė jėga traukia protoną link neutrono taip pat, kaip ir elektromagnetinės jėgos (tai ne visai tiesa, bet trumpam įsivaizduokite); ir tada, pagal analogiją su vandeniliu, tikimės, kad deuterono dydis bus atvirkščiai proporcingas protono arba neutrono masei ir atvirkščiai proporcingas branduolinės jėgos dydžiui. Jei jo dydis (tam tikru atstumu) būtų toks pat kaip elektromagnetinės jėgos, tai reikštų, kad kadangi protonas yra apie 1850 kartų sunkesnis už elektroną, tai deuteronas (ir iš tikrųjų bet koks branduolys) turi būti bent tūkstantį kartų. mažesnis nei vandenilio.

Ką duoda reikšmingas branduolinių ir elektromagnetinių jėgų skirtumas?

Bet mes jau spėjome, kad branduolinė jėga yra daug didesnė už elektromagnetinę jėgą (tuo pačiu atstumu), nes jei taip nebūtų, ji negalėtų užkirsti kelio elektromagnetiniam atstūmimui tarp protonų, kol branduolys nesuirs. Taigi jo veikiamas protonas ir neutronas dar glaudžiau susijungia. Ir todėl nenuostabu, kad deuteronas ir kiti branduoliai yra ne tik tūkstantį, o šimtą tūkstančių kartų mažesni už atomus! Vėlgi, tai tik todėl

• protonai ir neutronai yra beveik 2000 kartų sunkesni už elektronus,
• tokiais atstumais didelė branduolinė jėga tarp protonų ir neutronų branduolyje yra daug kartų didesnė už atitinkamas elektromagnetines jėgas (įskaitant elektromagnetinį atstūmimą tarp protonų branduolyje).

Šis naivus spėjimas duoda maždaug teisingą atsakymą! Tačiau tai nevisiškai atspindi protono ir neutrono sąveikos sudėtingumą. Viena akivaizdi problema yra ta, kad jėga, panaši į elektromagnetinę jėgą, bet turinti didesnę traukiančią ar atstumiančią galią, akivaizdžiai turėtų pasireikšti kasdieniame gyvenime, tačiau mes nieko panašaus nepastebime. Taigi kažkas apie šią jėgą turi skirtis nuo elektrinių jėgų.

Trumpas branduolinės jėgos nuotolis

Jie skiriasi tuo, kad branduolinės jėgos, neleidžiančios atomo branduoliui irti, yra labai svarbios ir stiprios protonams ir neutronams, kurie yra labai nedideliu atstumu vienas nuo kito, bet tam tikru atstumu (vadinamasis „diapazonas“). jėga), jie krenta labai greitai, daug greičiau nei elektromagnetiniai. Diapazonas, pasirodo, taip pat gali būti vidutinio dydžio branduolio dydžio, tik kelis kartus didesnis už protoną. Jei protoną ir neutroną pastatysite tokiu atstumu, kuris yra panašus į šį diapazoną, jie pritrauks vienas kitą ir sudarys deuteroną; jei juos skiria didesnis atstumas, jie vargu ar jaus trauką. Tiesą sakant, jei jie yra per arti vienas kito iki taško, kur jie pradeda persidengti, jie iš tikrųjų atstums vienas kitą. Tai atskleidžia tokios koncepcijos kaip branduolinės jėgos sudėtingumą. Fizika ir toliau nuolat tobulėja, paaiškindama jų veikimo mechanizmą.

Fizikinis branduolinės sąveikos mechanizmas

Kiekvienas materialus procesas, įskaitant nukleonų sąveiką, turi turėti materialinių nešėjų. Jie yra branduolinio lauko kvantai - pi-mezonai (pionai), dėl kurių keitimosi atsiranda trauka tarp nukleonų.

Pagal kvantinės mechanikos principus pi-mezonai, nuolat pasirodantys ir iš karto išnykdami, aplink „nuogą“ nukleoną, vadinamą mezono danga, sudaro kažką panašaus į debesį (prisiminkime elektronų debesis atomuose). Kai du nukleonai, apsupti tokiais sluoksniais, atsiduria maždaug 10 -15 m atstumu, įvyksta pionų apsikeitimas, panašus į valentinių elektronų apsikeitimą atomuose formuojantis molekulėms, ir tarp nukleonų atsiranda trauka.

Jei atstumai tarp nukleonų tampa mažesni nei 0,7∙10 -15 m, tada jie pradeda keistis naujomis dalelėmis – vadinamosiomis. ω ir ρ-mezonai, dėl kurių tarp nukleonų atsiranda ne trauka, o atstūmimas.

Branduolinės jėgos: branduolio struktūra nuo paprasčiausio iki didžiausio

Apibendrinant visa tai, kas išdėstyta pirmiau, galime pastebėti:

• stipri branduolinė jėga yra daug daug silpnesnė už elektromagnetizmą daug didesniais atstumais nei tipinio branduolio dydis, todėl kasdieniame gyvenime su ja nesusiduriame; Bet
• nedideliais atstumais, palyginti su branduoliu, jis tampa daug stipresnis – traukos jėga (su sąlyga, kad atstumas nėra per mažas) sugeba įveikti elektrinį atstūmimą tarp protonų.

Taigi ši jėga svarbi tik atstumais, panašiais į branduolio dydį. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta jo priklausomybė nuo atstumo tarp nukleonų.

Dideli branduoliai yra laikomi kartu daugiau ar mažiau ta pačia jėga, kuri laiko deuteroną, tačiau proceso detalės yra tokios sudėtingos, kad jas nėra lengva apibūdinti. Jie taip pat nėra visiškai suprantami. Nors pagrindiniai branduolinės fizikos kontūrai buvo gerai suprantami dešimtmečius, daugelis svarbių detalių vis dar aktyviai tiriamos.