Kärnkrafternas egenskaper. Kärnkrafternas egenskaper Vad kallas kärnkrafterna och vad har de för egenskaper

Kärnkrafter ger attraktion- detta följer av själva faktumet att det finns stabila kärnor bestående av protoner och neutroner.

Kärnkrafterna är stora i absolut omfattning. Deras verkan på korta avstånd överstiger avsevärt verkan av alla krafter som är kända i naturen, inklusive elektromagnetiska.

Hittills känner vi till fyra typer av interaktion:

a) starka (nukleära) interaktioner;

b) elektromagnetiska interaktioner;

c) svaga interaktioner, särskilt tydligt observerade i partiklar som inte uppvisar starka och elektromagnetiska interaktioner (neutriner);

d) gravitationsinteraktioner.

En jämförelse av krafterna för dessa typer av växelverkan kan erhållas genom att använda ett system av enheter där de karakteristiska växelverkanskonstanter som motsvarar dessa krafter (kvadrarna på "laddningarna") är dimensionslösa.

Således, för interaktionen inuti en kärna av två nukleoner som besitter alla dessa krafter, är interaktionskonstanterna av ordningen:

Kärnkrafter säkerställer existensen av kärnor. Elektromagnetisk - atomer och molekyler. Den genomsnittliga bindningsenergin för en nukleon i kärnan är lika med d.v.s. var är nukleonets restenergi. Bindningsenergin för en elektron i en väteatom är bara d.v.s. var finns resten av elektronen. Därför, på denna skala, är bindningsenergier relaterade som karakteristiska konstanter:

Svaga interaktioner är ansvariga för sådana subtila effekter som ömsesidiga transformationer genom -förfall och -infångning (se § 19), för olika förfall av elementarpartiklar, såväl som för alla processer av interaktion mellan neutriner och materia.

Stabiliteten hos kosmiska kroppar och system är förknippad med gravitationsinteraktioner.

Interaktionskrafterna för den andra och fjärde typen minskar med avståndet, dvs ganska långsamt och är därför långdistanserade. Interaktioner av den första och tredje typen minskar mycket snabbt med avståndet och är därför korta.

Kärnkrafterna har kort räckvidd. Detta följer: a) från Rutherfords experiment på spridningen av -partiklar med lätta kärnor (för avstånd som överstiger cm, experimentresultaten

förklaras av den rena Coulomb-interaktionen av -partiklar med kärnan, men på mindre avstånd uppstår avvikelser från Coulombs lag på grund av kärnkrafter. Härav följer att kärnkrafternas verkningsintervall i alla fall är mindre

b) från studiet av sönderfallet av tunga kärnor (se § 15);

c) från experiment om spridning av neutroner med protoner och protoner med protoner.

Låt oss titta på dem lite mer detaljerat.

Ris. 17. Partikel- och spridningsmål

Vid låga neutronenergier är deras spridning i mitten av tröghetssystemet isotropisk. I själva verket kommer en klassisk partikel med rörelsemängd att "fånga" på ett spridningsmål med en aktionsradie för kärnkrafter om den flyger på mindre avstånd, d.v.s. om komponenten av dess rörelsemängd i riktningen vinkelrät mot banaplanet inte överstiger berg (fig. 17).

Men enligt de Broglies relation till en infallande partikel,

Emellertid kan det maximala värdet för projektionen av en partikels omloppsrörelsemängd endast vara lika med Därför

Således, för ett värde på a, är vågfunktionen som beskriver systemets tillstånd sfäriskt symmetrisk i c. c. d.v.s. i detta system måste spridningen vara isotrop.

När spridningen inte längre kommer att vara isotrop. Genom att minska energin hos infallande neutroner och därigenom öka den kan man finna dess värde vid vilket spridningsisotropi uppnås. Detta ger en uppskattning av omfånget av kärnkrafter.

Den maximala neutronenergin vid vilken sfäriskt symmetrisk spridning fortfarande observerades var lika med Detta gjorde det möjligt att bestämma den övre gränsen för kärnkrafternas verkningsradie; den visade sig vara lika med cm.

Vidare, när ett protonflöde sprids på ett protonmål, kan man beräkna det förväntade värdet av det effektiva tvärsnittet av processen om bara Coulomb-krafter verkar. Men när partiklarna kommer väldigt nära varandra börjar kärnkrafterna att dominera

ovanför Coulomb, och fördelningen av spridda protoner förändras.

Från sådana experiment fann man att kärnkrafterna minskar kraftigt med ökande avstånd mellan protoner. Området för deras verkan är extremt litet och också i storleksordningen cm. Tyvärr ger inte resultaten av experiment med spridning av lågenerginukleoner information om lagen för förändring av kärnkrafter med avstånd. Den detaljerade formen av den potentiella brunnen är fortfarande osäker.

Experiment för att studera egenskaperna hos två bundna nukleoner i en deuteronkärna tillåter oss inte heller att entydigt fastställa lagen om förändring i kärnkraftfältets potential med avstånd. Orsaken ligger i kärnkrafternas ovanligt lilla aktionsradie och deras mycket stora storlek inom aktionsradien. Som en första approximation till potentialen som beskriver egenskaperna hos deuteron kan vi ta ett ganska brett utbud av olika funktioner, som borde minska ganska snabbt med avståndet.

Experimentdata är ungefär tillfredsställda, till exempel av följande funktioner.

Ris. 18. Möjliga former av deuteronpotentialbrunnen: a - rektangulär brunn; exponentiell brunn; c är formen på brunnen vid Yukawa-potentialen; -väl vid en potential med ett solidt frånstötande centrum

1. Rektangulär potentialbrunn (Fig. 18a):

var är kärnkrafternas verkningsradie, avståndet mellan mitten av två samverkande nukleoner.

2. Exponentialfunktion (fig. 18,b):

3. Yukawa mesonpotential (fig. 18c):

4. Potential med en solid frånstötande mitt (fig. 18d):

En detaljerad studie av spridningsstrukturen och jämförelse med teoretiska beräkningar talar för den senare av dessa former. För närvarande används mer komplexa former för beräkningar, vilket ger bättre överensstämmelse med experimentella data.

I samtliga fall är potentialbrunnens djup av storleksordningen flera tiotal. Värdet i fallet med en potential med en repulsiv mitt är i storleksordningen tiondelar av en Fermi.

Kärnkrafter är inte beroende av de elektriska laddningarna från interagerande partiklar. Samverkanskrafterna mellan eller är desamma. Denna egenskap följer av följande fakta.

I ljusstabila kärnor, när elektromagnetisk repulsion fortfarande kan försummas, är antalet protoner lika med antalet neutroner. Därför är krafterna som verkar mellan dem lika, annars skulle det ske en förskjutning i någon riktning (antingen eller

Ljusspegelkärnor (kärnor som erhålls genom att ersätta neutroner med protoner och vice versa har till exempel samma energinivåer.

Experiment på spridning av neutroner med protoner och protoner med protoner visar att storleken på kärnattraktionen för en proton med en proton och en neutron med en proton är densamma.

Denna egenskap hos kärnkrafterna är grundläggande och indikerar den djupa symmetri som finns mellan två partiklar: protonen och neutronen. Det kallades laddningsoberoende (eller symmetri) och gjorde det möjligt att betrakta protonen och neutronen som två tillstånd av samma partikel - nukleonen.

Nukleonen har alltså ytterligare en inre frihetsgrad - laddning - i förhållande till vilka två tillstånd är möjliga: proton och neutron. Detta är analogt med partiklarnas spinnegenskaper: spinn är också, förutom rörelsen i rymden, partikelns inre frihetsgrad, i förhållande till vilken elektronen (eller nukleonen) endast har två möjliga tillstånd. Sekventiell kvantmekanisk

beskrivningen av dessa två frihetsgrader: laddning och spin - är formellt densamma. Därför är det därför vanligt att visuellt beskriva laddningsgraden av frihet med hjälp av ett konventionellt tredimensionellt utrymme, som kallas isotop, och tillståndet för en partikel (nukleon) i detta utrymme kännetecknas av ett isotopiskt spinn, betecknat

Låt oss titta på detta lite mer detaljerat och återgå till begreppet vanlig spin.

Låt oss anta att det finns två elektroner, som, som vi vet, är helt identiska. Båda har sitt eget vinkelmoment - spinn. Däremot kan deras rotationsriktning inte detekteras. Låt oss nu placera dem i ett externt magnetfält. Enligt kvantmekanikens grundläggande postulat kan "rotationsaxeln" för varje partikel endast uppta strikt definierade positioner i förhållande till detta yttre fält. Spinnaxeln för partiklar med samma spinn kan vara orienterad antingen längs med eller mot fältets riktning (fig. 19). En partikel med momentum kan ha tillstånd; en elektron som har 2 tillstånd. Värdet av spinnprojektioner kan vara Detta leder till att partiklar i ett magnetfält nu kan ha olika energier och det blir möjligt att skilja dem från varandra. Detta visar att tillståndet för elektronen, på grund av dess magnetiska egenskaper, är en dubblett.

Utan ett externt magnetfält finns det inget sätt att separera de två möjliga tillstånden för en elektron; stater sägs "degenerera" till oskiljbara tillstånd.

En liknande situation uppstår i väteatomen. För att karakterisera atomens tillstånd införs ett orbitalt kvanttal, som kännetecknar atomernas orbitala rörelsemängd. En atom med ett givet I kan ha tillstånd, eftersom i ett externt fält endast helt bestämda värden av projektioner av I på fältets riktning kan existera (från - I till Även om det inte finns något externt fält, är tillståndet multiplicerat degenererat .

Upptäckten av neutronen ledde till idén om förekomsten av ett fenomen som liknar elektronens magnetiska degeneration.

När allt kommer omkring innebär kärnkrafternas laddningsoberoende att i en stark växelverkan beter sig en proton och en neutron som samma partikel. De kan bara särskiljas om vi tar hänsyn till den elektromagnetiska interaktionen. Om vi ​​föreställer oss att elektromagnetiska lysdioder på något sätt kan "släckas" (fig. 20, a), så kommer protonen och neutronen att bli oskiljbara partiklar och till och med deras massor kommer att vara lika (för mer detaljer om masslikhet; se § 12 ). Därför kan en cyklon betraktas som en "laddningsdubblett", där ett tillstånd representerar en proton och det andra en neutron. Om du inkluderar elektromagnetiska krafter, villkorligt

presenteras i fig. 20b med en prickad linje, kommer elektriska krafter beroende på laddningen att läggas till de tidigare laddningsoberoende krafterna.

Ris. 19. Orientering av elektronspin i ett magnetfält

Ris. 20. Skillnaden mellan en proton och en neutron på grund av elektromagnetisk interaktion

Energin hos laddade partiklar kommer att skilja sig från energin hos neutrala partiklar och protonen och neutronen kan separeras. Följaktligen kommer deras vilomassor inte att vara lika.

För att karakterisera tillståndet för en nukleon i en kärna, introducerade Heisenberg ett rent formellt koncept av isotopisk spin som, i analogi med kvanttal, skulle bestämma antalet degenererade tillstånd i en nukleon lika med Ordet "isotop" uttrycker det faktum att protonen och neutronen är nära i sina egenskaper (isotoper - atomer med identiska kemiska egenskaper, olika i antal neutroner i kärnan).

Ordet "snurr" i detta koncept uppstod från en rent matematisk analogi med en partikels vanliga spinn.

Det är viktigt att återigen notera att den kvantmekaniska vektorn för isotopspinn inte introduceras i vanligt, utan i konventionellt utrymme, kallat isotopiskt eller laddningsutrymme. Den senare, till skillnad från konventionella axlar, specificeras av villkorliga axlar. I detta utrymme kan partikeln inte röra sig translationellt, utan endast roterar.

Således bör isotopisk spinn betraktas som en matematisk egenskap som skiljer en proton från en neutron; fysiskt gjuts de i ett annat förhållande till det elektromagnetiska fältet.

Det isotopiska spinnet av en nukleon är lika och har komponenter och med avseende på axeln. Projektionen på denna axel betecknas. Det var konventionellt accepterat att för en proton och en neutron, dvs en proton omvandlas till en neutron när isotopen spinn roteras 180° i isotoputrymme.

När man använder denna formella teknik tar laddningsberoendet formen av en bevarandelag: under interaktionen av nukleoner förblir det totala isotopspinnet och dess projektion oförändrat, d.v.s.

Denna bevarandelag kan formellt betraktas som en konsekvens av fysiska lagars oberoende från rotation i isotoprummet. Denna naturvårdslag är dock ungefärlig. Det är giltigt i den utsträckning som elektromagnetiska krafter kan försummas och kan kränkas något - i omfattningen av förhållandet mellan elektromagnetiska och kärnkrafter. Dess fysiska betydelse ligger i det faktum att kärnkrafterna i systemen är identiska.

Vi kommer att återkomma till begreppet isotopspinn i kapitlet om elementarpartiklar, för vilket det får ytterligare betydelse.

Kärnkrafter är beroende av spinn. Kärnkrafternas beroende av spinn följer av följande fakta.

Samma kärna i tillstånd med olika snurr har olika bindningsenergier. Till exempel är bindningsenergin för en deuteron, där snurren är parallella, lika, med antiparallella snurr finns det inget stabilt tillstånd alls.

Neutron-protonspridning är känslig för rotationsorientering. Sannolikheten för interaktion mellan neutroner och protoner beräknades teoretiskt under antagandet att interaktionspotentialen inte beror på spinn. Det visade sig att de experimentella resultaten skiljde sig från de teoretiska med en faktor fem.

Diskrepansen elimineras om vi tar hänsyn till att interaktionen beror på snurrens relativa orientering.

Kärnkrafternas beroende av spinnorientering manifesteras i experiment på neutronspridning på orto- och para-vätemolekyler.

Faktum är att det finns två typer av vätemolekyler: i en orto-vätemolekyl är spinnen av två protoner parallella med varandra, det totala spinnet är 1 och kan ha tre orienteringar (det så kallade tripletttillståndet); i en para-vätemolekyl är spinnen antiparallella, det totala spinnet är noll och ett enda tillstånd är möjligt (det så kallade singlettillståndet),

Förhållandet mellan antalet orto- och para-vätemolekyler vid rumstemperatur är Detta förhållande bestäms av antalet möjliga tillstånd.

Energin i markpara-tillståndet är lägre än energin i markorgo-tillståndet. Vid låga temperaturer omvandlas ortovätemolekyler till paravätemolekyler. I närvaro av en katalysator fortskrider denna omvandling ganska snabbt och det är möjligt att erhålla flytande väte i rent tillstånd av para-väte. När

spridning av neutroner på orto-väte, neutronens spinn är antingen parallell med spinnen för båda protonerna eller antiparallell till båda; dvs det finns konfigurationer:

När den sprids av para-väte är neutronens spinn alltid parallell med en protons spinn och antiparallell med den andra protonens spinn; Oavsett orienteringen av para-vätemolekylen har konfigurationen karaktären

Ris. 21 Neutronspridning på vätemolekyler

Låt oss betrakta spridning som en vågprocess. Om spridningen beror på den ömsesidiga orienteringen av spinnen, kommer den observerade interferenseffekten av neutronvågor spridda av båda protonerna att vara signifikant olika för processerna för spridning på orto- och para-vätemolekyler.

Vad måste neutronernas energi vara för att en skillnad i spridning ska bli märkbar? I en molekyl finns protoner på ett avstånd som är många gånger större än kärnkrafternas radie. På grund av neutronens vågegenskaper kan spridningsprocessen därför ske samtidigt på båda protonerna om (fig. 21). De Broglie-vågen som krävs för detta

för en neutron vars massa är ekvivalent med energi

Kärnkrafter har egenskapen mättnad. Som redan nämnts i § 4, manifesteras egenskapen av mättnad av kärnkrafter i det faktum att bindningsenergin för en kärna är proportionell mot antalet nukleoner i kärnan - A, och inte

Denna egenskap hos kärnkrafter följer också av stabiliteten hos lätta kärnor. Det är till exempel omöjligt att lägga till fler och fler nya partiklar till deuteron, endast en sådan kombination med ytterligare neutron-tritium är känd. En proton kan alltså bilda bundna tillstånd med högst två neutroner.

För att förklara Heisenbergs mättnad föreslogs att kärnkrafter är av utbytesnatur.

Kärnkrafter är av utbyteskaraktär. För första gången etablerades utbytesnaturen för kemiska bindningskrafter: en bindning bildas som ett resultat av överföringen av elektroner från en atom till en annan. Elektromagnetiska krafter kan också klassificeras som utbyteskrafter: samverkan mellan laddningar förklaras av att de utbyter y-kvanta. Men i detta fall finns det ingen mättnad, eftersom utbytet av y-kvanta inte ändrar egenskaperna för varje partikel.

Utbytesegenskapen för kärnkrafter manifesteras i det faktum att under en kollision kan nukleoner överföra till varandra sådana egenskaper som laddning, spinnprojektioner och andra.

Utbytesnaturen bekräftas av olika experiment, till exempel av resultaten av mätningar av vinkelfördelningen av högenergineutroner när de sprids av protoner. Låt oss titta på detta mer i detalj.

Inom kärnfysiken kallas energi hög när de Broglie-vågen av partikeln uppfyller förhållandet d.v.s.

För nukleoner är de Broglie-våglängden relaterad till den kinetiska energin genom ekvationen

och därför kan den kinetiska energin hos en nukleon kallas hög om den är betydligt större

Kvantmekaniken gör det möjligt att erhålla beroendet av det effektiva spridningstvärsnittet på energin hos infallande neutroner och spridningsvinkeln om interaktionspotentialen är känd.

Beräkningar visar att för en potential som en rektangulär brunn bör spridningstvärsnittet variera beroende på partiklarnas energi, liksom att själva spridningen bör ske inom en liten vinkel. Därför bör vinkelfördelningen av spridda neutroner i mitten av tröghetssystemet bör ha ett maximum i rörelseriktningen, och fördelningen av rekylprotoner bör ha ett maximum i motsatt riktning.

Experimentellt upptäcktes inte bara en topp i vinkelfördelningen riktad framåt, utan även en andra topp i bakåtriktningen för neutroner (Fig. 22).

Ris. 22. Beroende av differentialtvärsnittet för neutronspridning på protoner på spridningsvinkeln

De experimentella resultaten kan endast förklaras genom att anta att utbyteskrafter verkar mellan nukleoner och att neutroner och protoner under spridningsprocessen utbyter sina laddningar, dvs spridning sker med "laddningsutbyte". I det här fallet förvandlas en del av neutronerna till protoner, och protoner observeras flyga i riktning mot de infallande neutronerna, de så kallade laddningsutbytesprotonerna. Samtidigt förvandlas en del av protonerna till neutroner och registreras som neutroner utspridda tillbaka i s.

Den relativa rollen för utbyte och vanliga krafter bestäms av förhållandet mellan antalet neutroner som flyger bakåt och antalet neutroner som flyger framåt.

Baserat på kvantmekaniken kan det bevisas att förekomsten av utbyteskrafter alltid leder till fenomenet mättnad, eftersom en partikel inte kan interagera genom utbyte med många partiklar samtidigt.

En mer detaljerad studie av experiment på nukleon-nukleonspridning visar dock att även om interaktionskrafterna verkligen är av utbytesnatur, är blandningen av den ordinarie potentialen med utbytesen sådan att den inte helt kan förklara mättnaden. En annan egenskap hos kärnkrafter upptäcks också. Det visar sig att om på stora avstånd mellan nukleoner övervägande attraktionskrafter verkar, så uppstår en skarp repulsion när nukleoner kommer nära varandra (på ett avstånd av storleksordningen cm). Detta kan förklaras av närvaron av kärnor i nukleoner som stöter bort varandra.

Beräkningar visar att det är dessa kärnor som är primärt ansvariga för mättnadseffekten. I detta avseende bör nukleär interaktion uppenbarligen kännetecknas av en olikformig potential som en rektangulär brunn (fig. en komplex funktion med en egenskap på små avstånd (fig. 18d).

En atomkärna, bestående av ett visst antal protoner och neutroner, är en enda helhet på grund av specifika krafter som verkar mellan kärnans nukleoner och kallas kärn. Det har experimentellt bevisats att kärnkrafter har mycket stora värden, mycket större än krafterna från elektrostatisk repulsion mellan protoner. Detta manifesteras i det faktum att den specifika bindningsenergin för nukleoner i kärnan är mycket större än det arbete som utförs av Coulombs avstötningskrafter. Låt oss överväga kärnkraftens huvuddrag.

1. Kärnkrafter är attraktionskrafter på kort avstånd . De uppträder endast på mycket små avstånd mellan nukleoner i en kärna av storleksordningen 10 –15 m. Längden (1,5 – 2,2) 10 –15 m kallas kärnkraftsområdet de minskar snabbt med ökande avstånd mellan nukleonerna. På ett avstånd av (2-3) m är kärnväxelverkan praktiskt taget frånvarande.

2. Kärnkrafter har egenskapen mättnad, de där. varje nukleon interagerar endast med ett visst antal närmaste grannar. Denna natur av kärnkrafter manifesteras i den ungefärliga konstansen hos nukleonernas specifika bindningsenergi vid laddningsnummer A>40. Om det inte fanns någon mättnad, skulle den specifika bindningsenergin öka med antalet nukleoner i kärnan.

3. En egenskap hos kärnkrafterna är också deras avgiftsoberoende , dvs. de är inte beroende av nukleonernas laddning, därför är kärnväxelverkan mellan protoner och neutroner desamma. Kärnkrafternas laddningsoberoende är synligt från en jämförelse av bindningsenergier spegelkärnor.Detta är vad kärnorna kallas, där det totala antalet nukleoner är detsamma, men antalet protoner i den ena är lika med antalet neutroner i den andra. Till exempel är bindningsenergierna för helium och tungt väte - tritiumkärnor 7,72 respektive 7,72 MeV och 8,49 MeV Skillnaden i bindningsenergierna för dessa kärnor, lika med 0,77 MeV, motsvarar energin från Coulomb-repulsionen av två protoner i kärnan. Om vi ​​antar att detta värde är lika, kan vi finna att det genomsnittliga avståndet r mellan protoner i kärnan är 1,9·10 –15 m, vilket stämmer överens med kärnkrafternas verkningsradie.

4. Kärnkrafter är inte centrala och beror på den ömsesidiga orienteringen av spinn av interagerande nukleoner. Detta bekräftas av neutronspridningens olika karaktär av orto- och paravätemolekyler. I en ortovätemolekyl är spinnen av båda protonerna parallella med varandra, medan de i en paravätemolekyl är antiparallella. Experiment har visat att neutronspridning från paraväte är 30 gånger större än spridning från ortoväte.

Kärnkrafternas komplexa natur tillåter inte utvecklingen av en enda, konsekvent teori om kärnkraftsinteraktion, även om många olika tillvägagångssätt har föreslagits. Enligt hypotesen från den japanske fysikern H. Yukawa (1907-1981), som han föreslog 1935, orsakas kärnkrafter av utbyte - mesoner, d.v.s. elementarpartiklar vars massa är ungefär 7 gånger mindre än massan av nukleoner. Enligt denna modell, nukleontid m- mesonmassa) avger en meson, som rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet, täcker en sträcka, varefter den absorberas av en andra nukleon. I sin tur avger den andra nukleonen också en meson, som absorberas av den första. I H. Yukawas modell bestäms därför avståndet vid vilket nukleoner interagerar av mesonvägens längd, vilket motsvarar ett avstånd på ca. m och i storleksordning sammanfaller med kärnkrafternas verkningsradie.

Fråga 26. Fissionsreaktioner. 1938 upptäckte de tyska forskarna O. Hahn (1879-1968) och F. Strassmann (1902-1980) att när uran bombarderas med neutroner, uppstår ibland kärnor som är ungefär hälften så stora som den ursprungliga urankärnan. Detta fenomen kallades Kärnfission.

Det representerar den första experimentellt observerade kärntransformationsreaktionen. Ett exempel är en av de möjliga fissionsreaktionerna av uran-235 kärnan:

Processen med kärnklyvning fortskrider mycket snabbt (inom ~10 -12 s). Energin som frigörs under en reaktion av typen (7.14) är cirka 200 MeV per klyvningshändelse i uran-235-kärnan.

I allmänhet kan klyvningsreaktionen för uran-235 kärnan skrivas som:

Neutroner (7,15)

Mekanismen för fissionsreaktionen kan förklaras inom ramen för den hydrodynamiska modellen av kärnan. Enligt denna modell, när en neutron absorberas av en urankärna, går den in i ett exciterat tillstånd (Fig. 7.2).

Den överskottsenergi som kärnan får på grund av absorptionen av en neutron orsakar mer intensiva rörelser av nukleoner. Som ett resultat deformeras kärnan, vilket leder till en försvagning av den korta kärnkraftsinteraktionen. Om excitationsenergin i kärnan är större än en viss energi som kallas aktiverings energi , sedan under påverkan av den elektrostatiska avstötningen av protoner delar sig kärnan i två delar och avger fissionsneutroner . Om excitationsenergin vid absorption av en neutron är mindre än aktiveringsenergin, når inte kärnan

kritiskt skede av fission och, efter att ha avgett ett kvantum, återvänder till marken

stat.

En viktig egenskap hos kärnklyvningsreaktionen är förmågan att implementera en självförsörjande kärnkedjereaktion på sin basis. . Detta beror på det faktum att varje fissionshändelse producerar i genomsnitt mer än en neutron. Massa, laddning och kinetisk energi för fragment X Och Äh, som bildas under en fissionsreaktion av typ (7.15) är olika. Dessa fragment hämmas snabbt av mediet, vilket orsakar jonisering, uppvärmning och störningar av dess struktur. Användningen av den kinetiska energin hos fissionsfragment på grund av deras uppvärmning av miljön är grunden för omvandlingen av kärnenergi till termisk energi. Fragmenten av kärnklyvning är i ett exciterat tillstånd efter reaktionen och passerar till grundtillståndet genom att emittera β - partiklar och -kvanter.

Kontrollerad kärnreaktion genomförs i kärnreaktor och åtföljs av frigörande av energi. Den första kärnreaktorn byggdes 1942 i USA (Chicago) under ledning av fysikern E. Fermi (1901 - 1954). I Sovjetunionen skapades den första kärnreaktorn 1946 under ledning av I.V. Kurchatov. Sedan, efter att ha fått erfarenhet av att kontrollera kärnreaktioner, började de bygga kärnkraftverk.

Fråga 27. Syntesreaktion. Kärnfusion kallas fusionsreaktionen av protoner och neutroner eller enskilda lätta kärnor, som ett resultat av vilket en tyngre kärna bildas. De enklaste kärnfusionsreaktionerna är:

ΔQ = 17,59 MeV; (7,17)

Beräkningar visar att den energi som frigörs vid kärnfusionsreaktioner per massenhet avsevärt överstiger den energi som frigörs vid kärnklyvningsreaktioner. Under klyvningsreaktionen av uran-235 kärnan frigörs cirka 200 MeV, d.v.s. 200:235=0,85 MeV per nukleon, och under fusionsreaktionen (7,17) är den frigjorda energin ungefär 17,5 MeV, dvs 3,5 MeV per nukleon (17,5:5=3,5 MeV). Således, fusionsprocessen är ungefär 4 gånger effektivare än uranklyvningsprocessen (per en nukleon av kärnan som deltar i fissionsreaktionen).

Den höga hastigheten på dessa reaktioner och den relativt höga energifrisättningen gör en lika blandning av deuterium och tritium till den mest lovande för att lösa problemet kontrollerad termonukleär fusion. Mänsklighetens förhoppningar om att lösa sina energiproblem är kopplade till kontrollerad termonukleär fusion. Situationen är att reserverna av uran, som råvara för kärnkraftverk, på jorden är begränsade. Men deuterium som finns i havsvatten är en nästan outtömlig källa till billigt kärnbränsle. Situationen med tritium är något mer komplicerad. Tritium är radioaktivt (dess halveringstid är 12,5 år, sönderfallsreaktionen är:), och förekommer inte i naturen. Därför för att säkerställa arbete fusionsreaktor använder tritium som kärnbränsle, måste möjligheten till dess reproduktion tillhandahållas.

För detta ändamål måste reaktorns arbetsområde omges av ett lager av lätt litiumisotop, i vilken reaktionen kommer att äga rum

Som ett resultat av denna reaktion bildas väteisotopen tritium () .

I framtiden övervägs möjligheten att skapa en lågradioaktiv termonukleär reaktor med en blandning av deuterium och heliumisotop; fusionsreaktionen har formen:

MeV.(7.20)

Som ett resultat av denna reaktion, på grund av frånvaron av neutroner i syntesprodukterna, kan reaktorns biologiska fara minskas med fyra till fem storleksordningar jämfört med både kärnklyvningsreaktorer och termonukleära reaktorer som drivs med deuterium- och tritiumbränsle, och det finns inget behov av industriell bearbetning av radioaktiva material och deras transporter, förenklas deponeringen av radioaktivt avfall kvalitativt. Men utsikterna för att skapa en miljövänlig termonukleär reaktor i framtiden med en blandning av deuterium () med en heliumisotop () kompliceras av problemet med råvaror: de naturliga reserverna av heliumisotopen på jorden är obetydliga. Effekten av deuterium i framtiden för miljövänlig termonukleär

På vägen till att implementera fusionsreaktioner under terrestra förhållanden uppstår problemet med elektrostatisk repulsion av lätta kärnor när de närmar sig avstånd på vilka nukleära attraktionskrafter börjar verka, d.v.s. ca 10 -15 m, varefter processen för deras sammanslagning sker pga tunneleffekt. För att övervinna den potentiella barriären måste de kolliderande lätta kärnorna ges en energi på ≈10 keV, som motsvarar temperaturen T ≈10 8 K och högre. Därför sker termonukleära reaktioner under naturliga förhållanden endast i stjärnornas inre. För att implementera dem under markförhållanden krävs en kraftig uppvärmning av ämnet, antingen genom en kärnexplosion, eller en kraftfull gasurladdning, eller en gigantisk puls av laserstrålning, eller bombardemang med en intensiv stråle av partiklar. Termonukleära reaktioner har hittills endast utförts i testexplosioner av termonukleära (väte)bomber.

De grundläggande kraven som en termonukleär reaktor måste uppfylla som anordning för att genomföra kontrollerad termonukleär fusion är följande.

För det första är pålitlig inneslutning av varm plasma nödvändig (≈10 8 K) i reaktionszonen. Den grundläggande idén, som bestämde sätten att lösa detta problem under många år, uttrycktes i mitten av 1900-talet i Sovjetunionen, USA och Storbritannien nästan samtidigt. Den här idén är användning av magnetfält för inneslutning och värmeisolering av högtemperaturplasma.

För det andra, när man arbetar med bränsle som innehåller tritium (som är en mycket radioaktiv isotop av väte), kommer strålskador att uppstå på väggarna i fusionsreaktorkammaren. Enligt experter är det osannolikt att det mekaniska motståndet hos kammarens första vägg överstiger 5-6 år. Detta innebär att installationen periodvis måste demonteras helt och sedan återmonteras med hjälp av fjärrrobotar på grund av den exceptionellt höga kvarvarande radioaktiviteten.

För det tredje är det huvudsakliga kravet som termonukleär fusion måste uppfylla att energifrigöringen som ett resultat av termonukleära reaktioner mer än kompenserar för den energi som förbrukas från externa källor för att upprätthålla själva reaktionen. Av stort intresse är "rena" termonukleära reaktioner,

som inte producerar neutroner (se (7.20) och reaktionen nedan:

Fråga 28. Radioaktivt sönderfall α−, β−, γ− strålning.

Under radioaktivitet förstå förmågan hos vissa instabila atomkärnor att spontant omvandlas till andra atomkärnor med emission av radioaktiv strålning.

Naturlig radioaktivitet kallas radioaktivitet som observeras i naturligt förekommande instabila isotoper.

Konstgjord radioaktivitetär radioaktiviteten hos isotoper som erhålls som ett resultat av kärnreaktioner utförda i acceleratorer och kärnreaktorer.

Radioaktiva omvandlingar sker med en förändring av atomkärnornas struktur, sammansättning och energitillstånd, och åtföljs av emission eller infångning av laddade eller neutrala partiklar, och frigöring av kortvågig strålning av elektromagnetisk natur (gammastrålningskvanta). Dessa emitterade partiklar och kvanta kallas tillsammans radioaktiv (eller joniserande ) strålning, och element vars kärnor spontant kan sönderfalla av en eller annan anledning (naturlig eller artificiell) kallas radioaktiva eller radionuklider . Orsakerna till radioaktivt sönderfall är obalanser mellan nukleära (kortdistans) attraktionskrafter och elektromagnetiska (långdistans) frånstötande krafter hos positivt laddade protoner.

Joniserande strålning– en ström av laddade eller neutrala partiklar och mängder av elektromagnetisk strålning, vars passage genom ett ämne leder till jonisering och excitation av atomer eller molekyler i mediet. Till sin natur är den uppdelad i foton (gammastrålning, bremsstrålning, röntgenstrålning) och korpuskulär (alfastrålning, elektron, proton, neutron, meson).

Av de 2500 nuklider som för närvarande är kända är endast 271 stabila. Resten (90%!) är instabila, d.v.s. radioaktiv; genom en eller flera på varandra följande sönderfall, åtföljda av utsläpp av partiklar eller γ-kvanter, förvandlas de till stabila nuklider.

Studiet av sammansättningen av radioaktiv strålning har gjort det möjligt att dela upp den i tre olika komponenter: α-strålning är en ström av positivt laddade partiklar - heliumkärnor (), β-strålning – flöde av elektroner eller positroner, γ strålning – flöde av kortvågig elektromagnetisk strålning.

Vanligtvis åtföljs alla typer av radioaktivitet av emission av gammastrålar - hård, kortvågig elektromagnetisk strålning. Gammastrålar är den huvudsakliga formen för att reducera energin hos exciterade produkter från radioaktiva omvandlingar. En kärna som genomgår radioaktivt sönderfall kallas moderlig; framväxande dotterföretag kärnan visar sig som regel vara exciterad, och dess övergång till grundtillståndet åtföljs av utsläpp av ett kvantum.

Bevarandelagar. Under radioaktivt sönderfall bevaras följande parametrar:

1. Avgift . Elektrisk laddning kan inte skapas eller förstöras. Den totala laddningen före och efter reaktionen måste bevaras, även om den kan fördelas olika mellan olika kärnor och partiklar.

2. Massnummer eller antalet nukleoner efter reaktionen måste vara lika med antalet nukleoner före reaktionen.

3. Total energi . Coulombenergi och energin hos ekvivalenta massor måste bevaras i alla reaktioner och sönderfall.

4.Momentum och vinkelmomentum . Bevarande av linjärt momentum är ansvarigt för fördelningen av Coulomb-energi mellan kärnor, partiklar och/eller elektromagnetisk strålning. Vinkelmomentum hänvisar till partiklars spinn.

α-sönderfall kallas emission från en atomkärna α− partiklar. På α− förfall, som alltid måste lagen om energibevarande uppfyllas. Samtidigt motsvarar alla förändringar i systemets energi proportionella förändringar i dess massa. Under radioaktivt sönderfall måste därför massan av moderkärnan överstiga sönderfallsprodukternas massa med en mängd som motsvarar systemets kinetiska energi efter sönderfallet (om moderkärnan var i vila före sönderfallet). Alltså i fall α− sönderfallsvillkoret måste vara uppfyllt

var är massan av moderkärnan med massnummer A och serienummer Z, är massan av dotterkärnan och är massan α− partiklar. Var och en av dessa massor kan i sin tur representeras som summan av masstalet och massdefekten:

Genom att ersätta massorna med dessa uttryck med ojämlikhet (8.2) får vi följande villkor för α− förfall:, (8.3)

de där. skillnaden i massdefekterna hos moder- och dotterkärnorna måste vara större än massdefekten α− partiklar. Alltså när α− sönderfall måste masstalen för moder- och dotterkärnorna skilja sig från varandra med fyra. Om skillnaden i masstal är fyra, då minskar alltid massdefekterna hos naturliga isotoper med ökande A. Alltså, när olikheten (8.3) inte är uppfylld, eftersom massdefekten för den tyngre kärnan, som borde vara moderkärnan, är mindre än massadefekten för den lättare kärnan. Därför, när α− kärnkraftsförfall inträffar inte. Detsamma gäller de flesta artificiella isotoper. Undantagen är flera lätta konstgjorda isotoper, för vilka hoppen i bindningsenergi, och därför i massdefekter, jämfört med närliggande isotoper är särskilt stora (till exempel berylliumisotopen, som sönderfaller till två α− partiklar).

Energi α− partiklar som härrör från sönderfallet av kärnor finns inom ett relativt snävt intervall från 2 till 11 MeV. Samtidigt finns det en tendens att halveringstiden minskar med ökande energi α− partiklar. Denna tendens är särskilt uppenbar under successiva radioaktiva omvandlingar inom samma radioaktiva familj (Geiger-Nattalls lag). Till exempel energi α− partiklar under sönderfallet av uran (T = 7,1 . 10 8 år) är 4,58 Mev, under sönderfallet av protactinium (T = 3,4 . 10 4 år) - 5,04 Mev under sönderfallet av polonium (T = 1,83 . 10 -3 Med)- 7,36Mev.

Generellt sett kan kärnor av samma isotop emittera α− partiklar med flera strikt definierade energivärden (i föregående exempel anges den högsta energin). Med andra ord, α− partiklar har ett diskret energispektrum. Detta förklaras enligt följande. Dotterkärnan som härrör från förfall, enligt kvantmekanikens lagar, kan vara i flera olika tillstånd, i var och en av dem har en viss energi. Tillståndet med lägsta möjliga energi är stabilt och kallas huvud . De återstående staterna kallas upphetsad . Kärnan kan förbli i dem under en mycket kort tid (10 -8 - 10 -12 sek) och övergår sedan till ett tillstånd med lägre energi (inte nödvändigtvis omedelbart till den huvudsakliga) med emission γ− kvant.

Pågående α− Det finns två stadier av förfall: bildning α− partiklar från nukleära nukleoner och utsläpp α− partiklar med en kärna.

Beta-sönderfall (strålning). Begreppet sönderfall kombinerar tre typer av spontana intranukleära transformationer: elektronsönderfall, positronsönderfall och elektroninfångning ( E- fånga).

Det finns betydligt fler beta-radioaktiva isotoper än alfa-radioaktiva isotoper. De finns i hela intervallet av förändringar i massans antal kärnor (från lätta kärnor till de tyngsta).

Beta-sönderfall av atomkärnor orsakas av svag interaktion elementarpartiklar och, precis som -förfall, är föremål för vissa lagar. Under sönderfallet förvandlas en av neutronerna i kärnan till en proton som avger en elektron och en elektron antineutrino. Denna process sker enligt följande schema: . (8,8)

Under − sönderfall omvandlas en av protonerna i kärnan till en neutron med emission av en positron och en elektronneutrino:

En fri neutron, som inte ingår i kärnan, sönderfaller spontant enligt reaktion (8.8) med en halveringstid på cirka 12 minuter Detta är möjligt eftersom neutronens massa är amu. större än massan av en proton a.m.u. med värdet av amu, som överstiger vilomassan för elektron amu. (neutrino vilomassa är noll). Nedbrytningen av en fri proton är förbjuden enligt lagen om energibevarande, eftersom summan av vilomassorna för de resulterande partiklarna - neutronen och positronen - är större än protonens massa. Sönderfall (8.9) av en proton är alltså endast möjligt i en kärna om dotterkärnans massa är mindre än massan av moderkärnan med en mängd större än positronens vilomassa (positronens och elektronens vilomassa är jämlika). Å andra sidan måste ett liknande villkor vara uppfyllt i fallet med sönderfallet av en neutron som ingår i kärnan.

Förutom processen som sker enligt reaktion (8.9), kan omvandlingen av en proton till en neutron också ske genom att en elektron fångar en proton med samtidig emission av en elektronneutrino

Precis som process (8.9) sker inte process (8.10) med en fri proton. Men om en proton är inuti kärnan, kan den fånga en av atomernas orbitala elektroner, förutsatt att summan av massorna av moderkärnan och elektronen är större än massan av dotterkärnan. Själva möjligheten att möta protoner som finns inne i kärnan med en atoms omloppselektroner beror på att, enligt kvantmekaniken, sker elektronernas rörelse i en atom inte i strikt definierade banor, vilket accepteras i Bohrs teori , men det finns en viss sannolikhet att träffa en elektron i vilket område som helst i rymden inuti atomen, i synnerhet, och i det område som upptas av kärnan.

Kärnomvandlingen som orsakas av infångningen av en orbitalelektron kallas E-fånga. Oftast sker infångningen av en elektron som hör till K-skalet närmast kärnan (K-infångning). Infångning av en elektron som ingår i nästa L-skal (L-infångning) sker ungefär 100 gånger mindre ofta.

Gammastrålning. Gammastrålning är kortvågig elektromagnetisk strålning, som har extremt kort våglängd och som ett resultat uttalade korpuskulära egenskaper, d.v.s. är en ström av kvanta med energi ( ν − strålningsfrekvens), momentum och spinn J(i enheter ħ ).

Gammastrålning följer med sönderfallet av kärnor, sker under förintelsen av partiklar och antipartiklar, under retardationen av snabbt laddade partiklar i ett medium, under sönderfallet av mesoner, finns i kosmisk strålning, i kärnreaktioner, etc. Det har experimentellt gjorts. fastställt att en exciterad kärna som bildas som ett resultat av sönderfall kan gå igenom en serie mellanliggande, mindre exciterade tillstånd. Därför kan strålningen från samma radioaktiva isotop innehålla flera typer av kvanta, som skiljer sig från varandra i energivärden. Livslängden för exciterade tillstånd av kärnor ökar vanligtvis kraftigt med en minskning av deras energi och med en ökning av skillnaden mellan kärnspinnerna i det initiala och slutliga tillståndet.

Kvantemission sker också under strålningsövergången av en atomkärna från ett exciterat tillstånd med energi E i till marken eller mindre exciterat tillstånd med energi Ek (E i >E k). Enligt lagen om energibevarande (upp till kärnans rekylenergi) bestäms energin i ett kvant av uttrycket: . (8.11)

Under strålning uppfylls också lagarna för bevarande av rörelsemängd och rörelsemängd.

På grund av diskretiteten i kärnans energinivåer har strålningen ett linjespektrum av energi och frekvenser. I verkligheten är kärnans energispektrum uppdelat i diskreta och kontinuerliga regioner. I det diskreta spektrumområdet är avstånden mellan kärnans energinivåer betydligt större än energibredden G nivå bestäms av kärnans livslängd i detta tillstånd:

Tiden bestämmer sönderfallshastigheten för den exciterade kärnan:

var är antalet kärnor vid den initiala tiden (); antal orörda kärnor åt gången t.

fråga 29. Lagar för förskjutning. När en partikel sänder ut förlorar kärnan två protoner och två neutroner. Därför har den resulterande (dotter) kärnan, jämfört med den ursprungliga (moder) kärnan, ett masstal mindre med fyra och ett ordningstal med två.

Sålunda, vid sönderfall, erhålls ett element, som i det periodiska systemet upptar en plats två celler till vänster jämfört med originalet:. (8.14)

Under sönderfallet förvandlas en av neutronerna i kärnan till en proton med emission av en elektron och en antineutrino (–sönderfall). Som ett resultat av sönderfall förblir antalet nukleoner i kärnan oförändrat. Därför ändras inte masstalet, med andra ord, omvandlingen av en isobar till en annan sker. Dock ändras laddningen av dotterkärnan och dess atomnummer. Under –nedbrytning, när en neutron förvandlas till en proton, ökar atomnumret med en, d.v.s. i det här fallet visas ett element som är förskjutet i det periodiska systemet med en cell till höger jämfört med den ursprungliga:

Under sönderfallet, när en proton förvandlas till en neutron, minskar atomnumret med en, och det nyligen resulterande elementet flyttas en cell till vänster i det periodiska systemet:

I uttryck (8.14) − (8.16) X- symbol för moderns kärna, Y– symbol för dotterkärnan, – heliumkärna, respektive – symboliska beteckningar för den elektron för vilken A= 0 och Z= –1, och en positron, för vilken A= 0 och Z=+1.

Naturligtvis bildas radioaktiva kärnor tre radioaktiva familjer , ringde uran familj (), familjen torium ()Och sjöanemonfamilj (). De fick sina namn från långlivade isotoper med de längsta halveringstiderna. Alla familjer efter en kedja av α− och β− sönderfall slutar på stabila kärnor av blyisotoper – , och. Neptuniumfamiljen, som börjar med transuranelementet neptunium, produceras artificiellt och slutar vid isotopen vismut.

En atomkärna, bestående av ett visst antal protoner och neutroner, är en enda helhet på grund av specifika krafter som verkar mellan kärnans nukleoner och kallas kärn. Det har experimentellt bevisats att kärnkrafter har mycket stora värden, mycket större än krafterna från elektrostatisk repulsion mellan protoner. Detta manifesteras i det faktum att den specifika bindningsenergin för nukleoner i kärnan är mycket större än det arbete som utförs av Coulombs avstötningskrafter. Låt oss överväga kärnkraftens huvuddrag.

1. Kärnkrafter är attraktiva krafter på kort räckvidd . De uppträder endast på mycket små avstånd mellan nukleonerna i kärnan i storleksordningen 10–15 m. Ett avstånd i storleksordningen (1,5 – 2,2)·10–15 m kallas kärnkrafternas verkningsradie, med dess ökning , minskar kärnkrafterna snabbt. På ett avstånd av storleksordningen (2-3) m, är nukleär interaktion mellan nukleoner praktiskt taget frånvarande.

2. Kärnkrafter har egenskapen mättnad, de där. varje nukleon interagerar endast med ett visst antal närmaste grannar. Denna natur av kärnkrafter manifesteras i den ungefärliga konstansen hos nukleonernas specifika bindningsenergi vid laddningsnummer A>40. Om det inte fanns någon mättnad, skulle den specifika bindningsenergin öka med antalet nukleoner i kärnan.

3. En egenskap hos kärnkrafterna är också deras avgiftsoberoende , dvs. de är inte beroende av nukleonernas laddning, så nukleära interaktioner mellan protoner och neutroner är desamma. Kärnkrafternas laddningsoberoende är synligt från en jämförelse av bindningsenergier spegelkärnor . Detta är namnet på kärnor där det totala antalet nukleoner är detsamma, men antalet protoner i den ena är lika med antalet neutroner i den andra. Till exempel är bindningsenergierna för helium och tungt väte - tritiumkärnor 7,72 respektive 7,72 MeV och 8,49 MeV. Skillnaden i bindningsenergier för dessa kärnor, lika med 0,77 MeV, motsvarar energin från Coulomb-avstötningen av två protoner i kärnan. Om vi ​​antar att detta värde är lika med , kan vi finna att det genomsnittliga avståndet r mellan protoner i kärnan är 1,9·10 –15 m, vilket stämmer överens med kärnkrafternas verkningsradie.

4. Kärnkrafter är inte centrala och beror på den ömsesidiga orienteringen av spinn av interagerande nukleoner. Detta bekräftas av neutronspridningens olika karaktär av orto- och paravätemolekyler. I en ortovätemolekyl är spinnen av båda protonerna parallella med varandra, medan de i en paravätemolekyl är antiparallella. Experiment har visat att neutronspridning på paraväte är 30 gånger större än spridning på ortoväte.

Kärnkrafternas komplexa natur tillåter inte utvecklingen av en enda, konsekvent teori om kärnkraftsinteraktion, även om många olika tillvägagångssätt har föreslagits. Enligt hypotesen från den japanske fysikern H. Yukawa, som han föreslog 1935, orsakas kärnkrafter av utbyte - mesoner, d.v.s. elementarpartiklar vars massa är ungefär 7 gånger mindre än massan av nukleoner. Enligt denna modell, en nukleon i tiden m- mesonmassa) avger en meson som, när den rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet, täcker en sträcka , varefter det absorberas av den andra nukleonen. I sin tur avger den andra nukleonen också en meson, som absorberas av den första. I H. Yukawas modell bestäms därför avståndet vid vilket nukleoner interagerar av mesonvägens längd, vilket motsvarar ett avstånd på ca. m och i storleksordning sammanfaller med kärnkrafternas verkningsradie.

Låt oss vända oss till övervägandet av utbytesinteraktionen mellan nukleoner. Det finns positiva, negativa och neutrala mesoner. Laddningsmodulen - eller - mesonerna är numeriskt lika med den elementära laddningen e. Massan av laddade mesoner är densamma och lika med (140 MeV), mesonmassan är 264 (135 MeV). Spinn för både laddade och neutrala mesoner är 0. Alla tre partiklarna är instabila. Livslängden för - och - mesoner är 2,6 Med, - meson – 0,8·10 -16 Med. Interaktionen mellan nukleoner utförs enligt ett av följande scheman:

(22.7)
1. Nukleoner utbyter mesoner:

I det här fallet avger protonen en meson som förvandlas till en neutron. Mesonen absorberas av en neutron, som följaktligen förvandlas till en proton, sedan sker samma process i motsatt riktning. Således tillbringar var och en av de interagerande nukleonerna en del av tiden i ett laddat tillstånd och en del i ett neutralt tillstånd.

2. Nukleonutbyte - mesoner:

3. Nukleonutbyte - mesoner:

. (22.10)

Alla dessa processer har bevisats experimentellt. I synnerhet bekräftas den första processen när en neutronstråle passerar genom väte. Rörliga protoner visas i strålen, och ett motsvarande antal praktiskt taget vilande neutroner detekteras i målet.

Kärnmodeller. Frånvaron av en matematisk lag för kärnkrafter tillåter inte skapandet av en enhetlig teori om kärnan. Försök att skapa en sådan teori stöter på allvarliga svårigheter. Här är några av dem:

1. Brist på kunskap om de krafter som verkar mellan nukleoner.

2. Den extrema besvärligheten i kvantmångkroppsproblemet (en kärna med ett masstal Aär ett system av A tel).

Dessa svårigheter tvingar oss att ta vägen att skapa kärntekniska modeller som gör det möjligt att beskriva en viss uppsättning kärnegenskaper med relativt enkla matematiska medel. Ingen av dessa modeller kan ge en absolut exakt beskrivning av kärnan. Därför måste du använda flera modeller.

Under kärnmodell i kärnfysik förstår de en uppsättning fysiska och matematiska antaganden med hjälp av vilka det är möjligt att beräkna egenskaperna hos ett kärnsystem bestående av A nukleoner. Många modeller av varierande grad av komplexitet har föreslagits och utvecklats. Vi kommer bara att överväga de mest kända av dem.

Hydrodynamisk (dropp) modell av kärnan utvecklades 1939. N. Bohr och den sovjetiske vetenskapsmannen J. Frenkel. Det är baserat på antagandet att på grund av den höga densiteten av nukleoner i kärnan och den extremt starka växelverkan mellan dem, är den oberoende rörelsen av enskilda nukleoner omöjlig och kärnan är en droppe laddad vätska med densitet . Som med en vanlig droppe vätska kan kärnans yta svänga. Om vibrationernas amplitud blir tillräckligt stor uppstår kärnklyvningsprocessen. Droppmodellen gjorde det möjligt att få fram en formel för bindningsenergin för nukleoner i kärnan och förklarade mekanismen för vissa kärnreaktioner. Denna modell förklarar dock inte de flesta av atomkärnors excitationsspektra och den speciella stabiliteten hos några av dem. Detta beror på det faktum att den hydrodynamiska modellen mycket ungefär återspeglar essensen av kärnans inre struktur.

Skalmodell av kärnan utvecklad 1940-1950 av den amerikanske fysikern M. Geppert - Mayer och den tyske fysikern H. Jensen. Den förutsätter att varje nukleon rör sig oberoende av de andra i något medelpotentialfält (potentiell brunn skapad av de återstående nukleonerna i kärnan. Inom ramen för skalmodellen beräknas inte funktionen utan väljs så att den bästa överensstämmelsen med experimentella data kan uppnås.

Djupet på den potentiella brunnen är vanligtvis ~ (40-50) MeV och beror inte på antalet nukleoner i kärnan. Enligt kvantteorin är nukleoner i ett fält på vissa diskreta energinivåer. Huvudantagandet från skaparna av skalmodellen om den oberoende rörelsen av nukleoner i ett genomsnittligt potentiellt fält är i konflikt med de grundläggande bestämmelserna för utvecklarna av den hydrodynamiska modellen. Därför kan kärnans egenskaper, som beskrivs väl av den hydrodynamiska modellen (till exempel värdet av bindningsenergin), inte förklaras inom ramen för skalmodellen och vice versa.

Generaliserad kärnmodell , utvecklad 1950-1953, kombinerar huvudbestämmelserna från skaparna av de hydrodynamiska och skalmodellerna. I den generaliserade modellen antas det att kärnan består av en inre stabil del - kärnan, som bildas av nukleonerna av fyllda skal, och externa nukleoner som rör sig i fältet som skapas av kärnans nukleoner. I detta avseende beskrivs kärnans rörelse av en hydrodynamisk modell och rörelsen av externa nukleoner av en skalmodell. På grund av interaktion med externa nukleoner kan kärnan deformeras, och kärnan kan rotera runt en axel vinkelrät mot deformationsaxeln. Den generaliserade modellen gjorde det möjligt att förklara huvuddragen i atomkärnors rotations- och vibrationsspektra, såväl som de höga värdena för det fyrpoliga elektriska momentet för några av dem.

Vi har övervägt de huvudsakliga fenomenologiska, d.v.s. beskrivande kärnmodeller. Men för att till fullo förstå karaktären av nukleära interaktioner som bestämmer kärnans egenskaper och struktur, är det nödvändigt att skapa en teori där kärnan skulle betraktas som ett system av interagerande nukleoner.

En atomkärna, bestående av ett visst antal protoner och neutroner, är en enda helhet på grund av specifika krafter som verkar mellan kärnans nukleoner och kallas kärn. Det har experimentellt bevisats att kärnkrafter har mycket stora värden, mycket större än krafterna från elektrostatisk repulsion mellan protoner. Detta manifesteras i det faktum att den specifika bindningsenergin för nukleoner i kärnan är mycket större än det arbete som utförs av Coulombs avstötningskrafter. Låt oss titta på det huvudsakliga egenskaper hos kärnkrafterna.

1. Kärnkrafter är attraktiva krafter på kort räckvidd . De uppträder endast på mycket små avstånd mellan nukleonerna i kärnan i storleksordningen 10 –15 m. Ett avstånd i storleksordningen (1,5 – 2,2) 10 –15 m kallas kärnkraftsområdet, med dess ökning minskar kärnkrafterna snabbt. På ett avstånd av storleksordningen (2-3) m, är nukleär interaktion mellan nukleoner praktiskt taget frånvarande.

2. Kärnkrafter har egenskapen mättnad, de där. varje nukleon interagerar endast med ett visst antal närmaste grannar. Denna natur av kärnkrafter manifesteras i den ungefärliga konstansen hos nukleonernas specifika bindningsenergi vid laddningsnummer A>40. Om det inte fanns någon mättnad, skulle den specifika bindningsenergin öka med antalet nukleoner i kärnan.

3. En egenskap hos kärnkrafterna är också deras avgiftsoberoende , dvs. de är inte beroende av nukleonernas laddning, så nukleära interaktioner mellan protoner och neutroner är desamma. Kärnkrafternas laddningsoberoende är synligt från en jämförelse av bindningsenergier spegelkärnor . Detta är namnet på kärnor där det totala antalet nukleoner är detsamma, men antalet protoner i den ena är lika med antalet neutroner i den andra. Till exempel är bindningsenergierna för helium och tungt väte - tritiumkärnor 7,72 respektive 7,72 MeV och 8,49 MeV. Skillnaden i bindningsenergier för dessa kärnor, lika med 0,77 MeV, motsvarar energin från Coulomb-avstötningen av två protoner i kärnan. Om vi ​​antar att detta värde är lika med , kan vi finna att det genomsnittliga avståndet r mellan protoner i kärnan är 1,9·10 –15 m, vilket stämmer överens med kärnkrafternas verkningsradie.

4. Kärnkrafter är inte centrala och beror på den ömsesidiga orienteringen av spinn av interagerande nukleoner. Detta bekräftas av neutronspridningens olika karaktär av orto- och paravätemolekyler. I en ortovätemolekyl är spinnen av båda protonerna parallella med varandra, medan de i en paravätemolekyl är antiparallella. Experiment har visat att neutronspridning på paraväte är 30 gånger större än spridning på ortoväte.

Kärnkrafternas komplexa natur tillåter inte utvecklingen av en enda, konsekvent teori om kärnkraftsinteraktion, även om många olika tillvägagångssätt har föreslagits. Enligt hypotesen från den japanske fysikern H. Yukawa (1907-1981), som han föreslog 1935, orsakas kärnkrafter av utbyte - mesoner, d.v.s. elementarpartiklar vars massa är ungefär 7 gånger mindre än massan av nukleoner. Enligt denna modell, en nukleon i tiden m- mesonmassa) avger en meson som, när den rör sig med en hastighet nära ljusets hastighet, täcker en sträcka , varefter det absorberas av den andra nukleonen. I sin tur avger den andra nukleonen också en meson, som absorberas av den första. I H. Yukawas modell bestäms därför avståndet vid vilket nukleoner interagerar av mesonvägens längd, vilket motsvarar ett avstånd på ca. m och i storleksordning sammanfaller med kärnkrafternas verkningsradie.

Låt oss vända oss till övervägandet av utbytesinteraktionen mellan nukleoner. Det finns positiva, negativa och neutrala mesoner. Laddningsmodulen - eller - mesonerna är numeriskt lika med den elementära laddningen e . Massan av laddade mesoner är densamma och lika med (140 MeV), mesonmassan är 264 (135 MeV). Spinn för både laddade och neutrala mesoner är 0. Alla tre partiklarna är instabila. Livslängden för - och - mesoner är 2,6 Med, - meson – 0,8·10 -16 Med. Interaktionen mellan nukleoner utförs enligt ett av följande scheman:

1. Nukleoner utbyter mesoner: . (22,8)

I det här fallet avger protonen en meson som förvandlas till en neutron. Mesonen absorberas av en neutron, som följaktligen förvandlas till en proton, sedan sker samma process i motsatt riktning. Således tillbringar var och en av de interagerande nukleonerna en del av tiden i ett laddat tillstånd och en del i ett neutralt tillstånd.

2. Nukleonutbyte - mesoner:

3. Nukleonutbyte - mesoner:

, (22.10)

Alla dessa processer har bevisats experimentellt. I synnerhet bekräftas den första processen när en neutronstråle passerar genom väte. Rörliga protoner visas i strålen, och ett motsvarande antal praktiskt taget vilande neutroner detekteras i målet.

Kärnmodeller. Under kärnmodell i kärnfysik förstår de en uppsättning fysiska och matematiska antaganden med hjälp av vilka det är möjligt att beräkna egenskaperna hos ett kärnsystem bestående av A nukleoner.

Hydrodynamisk (dropp) modell av kärnan Det är baserat på antagandet att på grund av den höga densiteten av nukleoner i kärnan och den extremt starka interaktionen dem emellan, är den oberoende rörelsen av enskilda nukleoner omöjlig och kärnan är en droppe laddad vätska med densiteten .

Skalmodell av kärnan Det antar att varje nukleon rör sig oberoende av de andra i något genomsnittligt potentiellt fält (potentiell brunn skapad av de återstående nukleonerna i kärnan.

Generaliserad kärnmodell, kombinerar huvudbestämmelserna från skaparna av de hydrodynamiska och skalmodellerna. I den generaliserade modellen antas det att kärnan består av en inre stabil del - kärnan, som bildas av nukleonerna av fyllda skal, och externa nukleoner som rör sig i fältet som skapas av kärnans nukleoner. I detta avseende beskrivs kärnans rörelse av en hydrodynamisk modell och rörelsen av externa nukleoner av en skalmodell. På grund av interaktion med externa nukleoner kan kärnan deformeras, och kärnan kan rotera runt en axel vinkelrät mot deformationsaxeln.

26. Reaktioner vid klyvning av atomkärnor. Kärnenergi.

Kärnreaktioner kallas transformationer av atomkärnor orsakade av deras interaktion med varandra eller med andra kärnor eller elementarpartiklar. Det första meddelandet om en kärnreaktion tillhör E. Rutherford. 1919 upptäckte han att när partiklar passerar genom kvävgas absorberas en del av dem och protoner släpps ut samtidigt. Rutherford drog slutsatsen att kvävekärnor omvandlades till syrekärnor som ett resultat av en kärnreaktion av formen:

, (22.11)

där - är en partikel; − proton (väte).

En viktig parameter för en kärnreaktion är dess energiutbyte, som bestäms av formeln:

(22.12)

Här och är summan av restmassorna av partiklar före och efter reaktionen. När kärnreaktioner inträffar med absorption av energi, är det därför de kallas endotermisk, och när - med frigörande av energi. I det här fallet kallas de exotermisk.

I alla kärnreaktioner är följande alltid uppfyllda: naturvårdslagar :

− elektrisk laddning;

– antal nukleoner;

− energi.

− impuls.

De två första lagarna tillåter att kärnreaktioner skrivs korrekt även i de fall där en av partiklarna som är involverade i reaktionen eller en av dess produkter är okänd. Med hjälp av lagarna för bevarande av energi och momentum är det möjligt att bestämma de kinetiska energierna för partiklar som bildas under reaktionsprocessen, såväl som riktningarna för deras efterföljande rörelse.

För att karakterisera endotermiska reaktioner introduceras begreppet tröskel kinetisk energi , eller kärnreaktionströskel , de där. den lägsta kinetiska energin hos en infallande partikel (i referensramen där målkärnan är i vila) vid vilken en kärnreaktion blir möjlig. Av lagen om bevarande av energi och momentum följer att tröskelenergin för en kärnreaktion beräknas med formeln:

. (22.13)

Här är energin för kärnreaktionen (7.12); -massan av den stationära kärnan – mål; är massan av partikeln som faller in på kärnan.

Fissionsreaktioner. 1938 upptäckte de tyska forskarna O. Hahn och F. Strassmann att när uran bombarderas med neutroner uppstår ibland kärnor som är ungefär hälften så stora som den ursprungliga urankärnan. Detta fenomen kallades Kärnfission.

Det representerar den första experimentellt observerade kärntransformationsreaktionen. Ett exempel är en av de möjliga fissionsreaktionerna av uran-235 kärnan:

Processen med kärnklyvning fortskrider mycket snabbt under en tid av ~10 -12 s. Energin som frigörs under en reaktion som (22.14) är ungefär 200 MeV per klyvningshändelse i uran-235-kärnan.

I allmänhet kan klyvningsreaktionen för uran-235 kärnan skrivas som:

+neutroner . (22.15)

Mekanismen för fissionsreaktionen kan förklaras inom ramen för den hydrodynamiska modellen av kärnan. Enligt denna modell, när en neutron absorberas av en urankärna, går den in i ett exciterat tillstånd (Fig. 22.2).

Den överskottsenergi som kärnan får på grund av absorptionen av en neutron orsakar mer intensiva rörelser av nukleoner. Som ett resultat deformeras kärnan, vilket leder till en försvagning av den korta kärnkraftsinteraktionen. Om excitationsenergin i kärnan är större än en viss energi som kallas aktiverings energi , sedan under påverkan av den elektrostatiska avstötningen av protoner delar sig kärnan i två delar och avger fissionsneutroner . Om excitationsenergin vid absorption av en neutron är mindre än aktiveringsenergin, når inte kärnan

kritiskt skede av klyvning och, efter att ha emitterat ett kvantum, återgår det till huvudet

Inom fysiken betecknar begreppet "kraft" måttet på interaktion mellan materialformationer med varandra, inklusive interaktionen mellan delar av materia (makroskopiska kroppar, elementarpartiklar) med varandra och med fysiska fält (elektromagnetiska, gravitationella). Totalt är fyra typer av interaktion i naturen kända: stark, svag, elektromagnetisk och gravitation, och var och en har sin egen typ av kraft. Den första av dem motsvarar kärnkrafter som verkar inuti atomkärnor.

Vad förenar kärnorna?

Det är allmänt känt att kärnan i en atom är liten, dess storlek fyra till fem storleksordningar mindre än storleken på själva atomen. Detta väcker en uppenbar fråga: varför är den så liten? När allt kommer omkring är atomer, gjorda av små partiklar, fortfarande mycket större än partiklarna de innehåller.

Däremot skiljer sig kärnorna inte mycket i storlek från nukleonerna (protoner och neutroner) som de är gjorda av. Finns det en anledning till detta eller är det en slump?

Samtidigt är det känt att det är elektriska krafter som håller negativt laddade elektroner nära atomkärnor. Vilken eller vilka krafter håller samman partiklarna i kärnan? Denna uppgift utförs av kärnkrafter, som är ett mått på starka interaktioner.

Stark kärnkraft

Om det i naturen bara fanns gravitationskrafter och elektriska krafter, d.v.s. som vi möter i vardagen, då skulle atomkärnor, ofta bestående av många positivt laddade protoner, vara instabila: de elektriska krafterna som trycker bort protonerna från varandra skulle vara många miljoner gånger starkare än någon gravitationskraft som drar ihop dem till en vän . Kärnkrafter ger en attraktion som är ännu starkare än elektrisk repulsion, även om endast en skugga av deras verkliga storlek manifesteras i kärnans struktur. När vi studerar strukturen hos protoner och neutroner själva ser vi de verkliga möjligheterna för det som kallas den starka kärnkraften. Kärnkrafter är dess manifestation.

Figuren ovan visar att de två motsatta krafterna i kärnan är den elektriska repulsionen mellan positivt laddade protoner och kärnkraften, som attraherar protoner (och neutroner) tillsammans. Om antalet protoner och neutroner inte är alltför olika, är de andra krafterna överlägsna den första.

Protoner är analoger till atomer, och kärnor är analoger till molekyler?

Mellan vilka partiklar verkar kärnkrafter? Först och främst mellan nukleoner (protoner och neutroner) i kärnan. I slutändan verkar de också mellan partiklar (kvarkar, gluoner, antikvarkar) inuti en proton eller neutron. Detta är inte förvånande när vi inser att protoner och neutroner är komplexa i sig.

I en atom är små kärnor och ännu mindre elektroner relativt långt ifrån varandra jämfört med deras storlek, och de elektriska krafterna som håller ihop dem i en atom är ganska enkla. Men i molekyler är avståndet mellan atomerna jämförbart med atomernas storlek, så den inre komplexiteten hos de senare spelar in. Den varierande och komplexa situation som orsakas av partiell kompensation av intraatomära elektriska krafter ger upphov till processer där elektroner faktiskt kan flytta från en atom till en annan. Detta gör molekylernas fysik mycket rikare och mer komplex än atomernas. Likaså är avståndet mellan protoner och neutroner i en kärna jämförbart med deras storlek – och precis som med molekyler är egenskaperna hos kärnkrafterna som håller samman kärnorna mycket mer komplexa än den enkla attraktionen av protoner och neutroner.

Det finns ingen kärna utan neutron, förutom väte

Det är känt att kärnorna i vissa kemiska grundämnen är stabila, medan de för andra sönderfaller kontinuerligt, och hastighetsintervallet för detta sönderfall är mycket brett. Varför upphör krafterna som håller nukleoner i kärnorna att fungera? Låt oss se vad vi kan lära oss av enkla överväganden om kärnkrafternas egenskaper.

En är att alla kärnor, förutom den vanligaste isotopen väte (som bara har en proton), innehåller neutroner; det vill säga det finns ingen kärna med flera protoner som inte innehåller neutroner (se figur nedan). Så det är klart att neutroner spelar en viktig roll för att hjälpa protoner att hålla ihop.

I fig. Ovan visas ljusstabila eller nästan stabila kärnor tillsammans med en neutron. De senare, liksom tritium, visas med en streckad linje, vilket indikerar att de så småningom sönderfaller. Andra kombinationer med ett litet antal protoner och neutroner bildar ingen kärna alls, eller bildar extremt instabila kärnor. Även de alternativa namnen som ofta ges till några av dessa objekt visas i kursiv stil; Helium-4-kärnan kallas till exempel ofta för en α-partikel, det namn som den fick när den ursprungligen upptäcktes i tidiga studier av radioaktivitet på 1890-talet.

Neutroner som protonherdar

Tvärtom, det finns ingen kärna gjord av endast neutroner utan protoner; de flesta lätta kärnor, såsom syre och kisel, har ungefär samma antal neutroner och protoner (Figur 2). Stora kärnor med stora massor, som guld och radium, har något fler neutroner än protoner.

Detta säger två saker:

1. Det behövs inte bara neutroner för att hålla ihop protoner, utan protoner behövs också för att hålla ihop neutroner.

2. Om antalet protoner och neutroner blir mycket stort, så måste protonernas elektriska repulsion kompenseras genom att lägga till ytterligare några neutroner.

Det sista påståendet illustreras i figuren nedan.

Figuren ovan visar stabila och nästan stabila atomkärnor som en funktion av P (antal protoner) och N (antal neutroner). Linjen som visas med svarta prickar indikerar stabila kärnor. Varje förskjutning upp eller ner från den svarta linjen innebär en minskning av kärnornas livslängd - nära den är kärnornas livslängd miljontals år eller mer, när du rör dig längre in i de blå, bruna eller gula områdena (olika färger motsvarar olika mekanismer för kärnkraftsförfall) blir deras livslängd kortare och kortare, ner till en bråkdel av en sekund.

Observera att stabila kärnor har P och N ungefär lika stora för små P och N, men N blir gradvis större än P med en faktor på mer än en och en halv. Observera också att gruppen av stabila och långlivade instabila kärnor förblir i ett ganska smalt band för alla värden på P upp till 82. Vid större antal är de kända kärnorna i princip instabila (även om de kan existera i miljontals år) ). Tydligen är mekanismen som noterats ovan för att stabilisera protoner i kärnor genom att lägga till neutroner till dem i denna region inte 100% effektiv.

Hur beror storleken på en atom på massan av dess elektroner?

Hur påverkar de aktuella krafterna strukturen hos atomkärnan? Kärnkrafter påverkar i första hand dess storlek. Varför är kärnor så små jämfört med atomer? För att ta reda på det, låt oss börja med den enklaste kärnan, som har både en proton och en neutron: det är den näst vanligaste isotopen av väte, en atom som innehåller en elektron (som alla väteisotoper) och en kärna av en proton och en neutron . Denna isotop kallas ofta "deuterium", och dess kärna (se figur 2) kallas ibland för "deuteron". Hur kan vi förklara vad som håller ihop deuteronet? Jo, du kan tänka dig att den inte är så olik en vanlig väteatom, som också innehåller två partiklar (en proton och en elektron).

I fig. Det visas ovan att i en väteatom är kärnan och elektronen väldigt långt ifrån varandra, i den meningen att atomen är mycket större än kärnan (och elektronen är ännu mindre.) Men i en deuteron är avståndet mellan protonen och neutron är jämförbar med deras storlekar. Detta förklarar delvis varför kärnkrafter är mycket mer komplexa än krafterna i en atom.

Det är känt att elektroner har en liten massa jämfört med protoner och neutroner. Det följer att

• massan av en atom är i huvudsak nära massan av dess kärna,
• storleken på en atom (i huvudsak storleken på elektronmolnet) är omvänt proportionell mot elektronernas massa och omvänt proportionell mot den totala elektromagnetiska kraften; Kvantmekanikens osäkerhetsprincip spelar en avgörande roll.

Vad händer om kärnkrafter liknar elektromagnetiska?

Vad sägs om deuteron? Den, liksom atomen, är gjord av två föremål, men de är nästan samma massa (massorna av neutronen och protonen skiljer sig bara med ungefär en del år 1500), så båda partiklarna är lika viktiga för att bestämma massan av deuteronen och dess storlek. Antag nu att kärnkraften drar protonen mot neutronen på samma sätt som elektromagnetiska krafter (detta är inte riktigt sant, men föreställ dig ett ögonblick); och sedan, i analogi med väte, förväntar vi oss att storleken på deuteronet är omvänt proportionell mot protonens eller neutronens massa och omvänt proportionell mot kärnkraftens storlek. Om dess storlek var densamma (på ett visst avstånd) som den elektromagnetiska kraften, skulle detta innebära att eftersom en proton är cirka 1850 gånger tyngre än en elektron, måste deuteronen (och faktiskt vilken kärna som helst) vara minst tusen gånger mindre än väte.

Vad ger med hänsyn till den betydande skillnaden mellan kärnkrafter och elektromagnetiska krafter?

Men vi gissade redan att kärnkraften är mycket större än den elektromagnetiska kraften (på samma avstånd), för om det inte vore så skulle den inte kunna förhindra elektromagnetisk repulsion mellan protoner förrän kärnan sönderfaller. Så protonen och neutronen under dess inflytande kommer samman ännu tätare. Och därför är det inte förvånande att deuteronen och andra kärnor inte bara är tusen, utan hundra tusen gånger mindre än atomer! Återigen, detta är bara för att

• protoner och neutroner är nästan 2000 gånger tyngre än elektroner,
• på dessa avstånd är den stora kärnkraften mellan protoner och neutroner i kärnan många gånger större än motsvarande elektromagnetiska krafter (inklusive elektromagnetisk repulsion mellan protoner i kärnan.)

Denna naiva gissning ger ungefär rätt svar! Men detta återspeglar inte helt komplexiteten i interaktionen mellan proton och neutron. Ett uppenbart problem är att en kraft som liknar elektromagnetisk kraft, men med större attraktionskraft eller frånstötande kraft, uppenbarligen bör manifestera sig i vardagen, men vi observerar inget sådant. Så något med denna kraft måste skilja sig från elektriska krafter.

Kort kärnkraftsräckvidd

Det som skiljer dem är att kärnkrafterna som hindrar atomkärnan från att sönderfalla är mycket viktiga och starka för protoner och neutroner som befinner sig på mycket kort avstånd från varandra, men på ett visst avstånd (det så kallade "intervallet" av kraft), faller de väldigt snabbt, mycket snabbare än elektromagnetiska. Räckvidden, visar det sig, kan också vara storleken på en måttligt stor kärna, bara flera gånger större än en proton. Om du placerar en proton och en neutron på ett avstånd som är jämförbart med detta intervall, kommer de att attrahera varandra och bilda en deuteron; om de är åtskilda av ett större avstånd kommer de knappast att känna någon attraktion alls. Faktum är att om de placeras för nära varandra till den punkt där de börjar överlappa varandra, kommer de faktiskt att stöta bort varandra. Detta avslöjar komplexiteten i ett sådant koncept som kärnkrafter. Fysiken fortsätter att kontinuerligt utvecklas i riktning mot att förklara mekanismen för deras verkan.

Fysisk mekanism för nukleär interaktion

Varje materialprocess, inklusive interaktionen mellan nukleoner, måste ha materialbärare. De är kärnfältskvanta - pi-mesoner (pioner), på grund av utbytet av vilka attraktion mellan nukleoner uppstår.

Enligt kvantmekanikens principer bildar pi-mesoner, som ständigt dyker upp och omedelbart försvinner, något som ett moln runt en "naken" nukleon, kallad mesonkappa (kom ihåg elektronmolnen i atomer). När två nukleoner omgivna av sådana höljen befinner sig på ett avstånd av cirka 10 -15 m sker ett utbyte av pioner, liknande utbytet av valenselektroner i atomer under bildandet av molekyler, och attraktion uppstår mellan nukleonerna.

Om avstånden mellan nukleonerna blir mindre än 0,7∙10 -15 m, då börjar de utbyta nya partiklar - de sk. ω och ρ-mesoner, som ett resultat av vilka inte attraktion, utan repulsion sker mellan nukleoner.

Kärnkrafter: kärnans struktur från enklaste till största

Genom att sammanfatta allt ovan kan vi notera:

• den starka kärnkraften är mycket, mycket svagare än elektromagnetism på avstånd som är mycket större än storleken på en typisk kärna, så vi möter den inte i vardagen; Men
• på korta avstånd jämförbara med kärnan blir den mycket starkare - attraktionskraften (förutsatt att avståndet inte är för kort) kan övervinna den elektriska repulsionen mellan protoner.

Så denna kraft spelar bara roll på avstånd som är jämförbara med storleken på kärnan. Figuren nedan visar dess beroende av avståndet mellan nukleoner.

Stora kärnor hålls samman av mer eller mindre samma kraft som håller ihop deuteronet, men detaljerna i processen är så komplexa att de inte är lätta att beskriva. De är inte heller helt förstådda. Även om kärnfysikens grundläggande konturer har varit väl förstått i årtionden, är många viktiga detaljer fortfarande under aktiv utredning.