Какви свойства притежават ядрените сили на привличане? Ядрени сили

1.3.1 . Ядрото на всеки атом има сложна структура и се състои от частици т.нар нуклони. Известни са два вида нуклони - протони и неутрони .
протони - нуклони с маса 1 amu. с положителен заряд, равен на единица, тоест елементарният заряд на електрона.
неутрони -електрически неутраленнуклони с маса 1 amu.
*) Строго погледнато, масите на покой на протоните и неутроните са малко по-различни: m p = 1,6726. 10 -24 Жи m n = 1,67439. 10 -24 Ж. Тази разлика ще бъде обсъдена по-късно.

1.3.2. Тъй като масата на ядрото практические равно на A, зарядът на ядрото е z, а масите на протона и неутрона почти равниПри такива идеи трябва да се приеме, че ядрото на електрически неутрален стабилен атом се състои от z протони и (А - z ) неутрони.Следователно атомният номер на елемент не е нищо повече от протонен заряд на ядрото на атом, изразен в елементарни заряди на електрон.С други думи, z - това е числото протони в ядрото на атома.


1.3.3 . Наличието на протони (частици с електрически заряд със същия знак) в ядрото, поради силите на кулоново отблъскване между тях, трябва да доведе до разсейване на нуклоните. В действителност това не се случва. Съществуването на много стабилни ядра в природата води до заключението, че съществуването между нуклони на ядра, по-мощни от тези на Кулон, ядрени сили привличане, които, преодолявайки кулоновото отблъскване на протоните, привличат нуклоните в стабилна структура - ядрото.

1.3.4. Размерите на атомните ядра, определени по формула (1.4), са от порядъка на 10 -13 cm Оттук и първото свойство на ядрените сили (за разлика от кулоновите, гравитационните и други) - кратко действие: ядрените сили действат само на малки разстояния, сравними по големина с размера на самите нуклони.
Дори без да знае точно какъв вид материална формация е протон или неутрон, човек може да ги оцени ефективенразмери като диаметър на сфера, върху чиято повърхност ядреното привличане на два съседни протона се балансира от тяхното кулоново отблъскване. Експериментите на ускорителите върху разсейването на електрони от ядра позволиха да се оцени ефективният нуклонен радиус Rн ≈ 1,21. 10 -13 см.

1.3.5 . От краткотрайността на ядрените сили следва второто им свойство, накратко нар насищане . Това означава, че всеки нуклон в ядрото не взаимодейства с всички други нуклони, а само с ограничен брой нуклони, които са негови непосредствени съседи.


1.3.6. Третото свойство на ядрените сили - техните равноденствие. Тъй като се приема, че силите на взаимодействие между нуклоните от двата вида са сили от едно и също естество, по този начин се постулира, че на еднакви разстояния от порядъка на 10 -13 cm два протона, два неутрона или протон с неутрон взаимодействат същото.


1.3.7. Свободен протон (тоест извън атомните ядра ) стабилен . Неутронът не може да съществува дълго време в свободно състояние: той се разпада на протон, електрон и антинеутринос полуживот T 1/2 = 11.2 min. по схемата:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Антинеутрино (n) - електрически неутрална частица материя с нулева маса на покой.

1.3.8. Така че всяко ядро ​​се счита за напълно индивидуализиран, ако са известни двете му основни характеристики - броят на протоните z и масовото число A, тъй като разликата (A - z) определя броя на неутроните в ядрото. Индивидуализираните атомни ядра обикновено се наричат нуклиди.
Сред многото нуклиди (а в момента са известни повече от 2000 от тях - естествени и изкуствени) има такива, при които едната от двете посочени характеристики е еднаква, а другата е различна по размер.
Нар. нуклиди с еднакъв z (брой протони). изотопи. Тъй като атомното число определя, в съответствие с Периодичния закон на Д. И. Менделеев, само индивидуалността химическиСвойства на атома на даден елемент, изотопите винаги се говорят по отношение на съответния химичен елемент в периодичната таблица.
Например 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U са всички изотопи на урана, който има атомен номер z = 92 в периодичната таблица на елементите.
Изотопи всеки химичен елемент както виждаме , имат равен брой протони, но различен брой неутрони.

Нуклиди с еднаква маса (А ), но с различни заряди z се наричат ​​изобари . Изобарите, за разлика от изотопите, са нуклиди на различни химични елементи.
Примери. 11 B 5 и 11 C 4 - изобари на борни и въглеродни нуклиди; 7 Li 3 и 7 Be 4 - изобари на литиеви и берилиеви нуклиди; 135 J 53, 135 Xe 54 и 135 Cs 55 също са изобари съответно на йод, ксенон и цезий.

1.3.9 . От формула (1.4) може да се оцени плътността на нуклоните в ядрата и плътността на масата на ядрената материя. Като се има предвид, че ядрото е сфера с радиус R и с брой нуклони в неговия обем, равен на A, намираме броя на нуклоните на единица обем на ядрото като:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p(1,21.10 -13 A 1/3) 3 = 1,348. 10 38 ядро/см3,
a, тъй като масата на един нуклон е 1 amu. = 1,66056. 10 -24 Ж, тогава плътността на ядрената материя се намира като:
γ rav = Nm n = 1,348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2,238. 10 14 g/cm3.= 223 800 000 t/cm3
Процедурата на горното изчисление показва, че Плътността на ядрената материя е еднаква в ядрата на всички химични елементи.
Обем. на 1 нуклон в ядрото, V i/A = 1/N = 1/1,348. 10 38 = 7,421. 10 -39 cm 3
- също еднакво за всички ядра,следователно средното разстояние между центровете на съседните нуклони във всяко ядро ​​(което условно може да се нарече среден диаметър на нуклон) ще бъде равно на
D n = (V i) 1/3 = (7,421. 10 -39) 1/3 = 1,951. 10 -13 cm .

1.3.10. Досега се знае малко за плътността на протоните и неутроните в ядрото на атома. Тъй като протоните, за разлика от неутроните, са обект не само на ядрено и гравитационно привличане, но и на кулоново отблъскване, може да се приеме, че протонният заряд на ядрото е повече или по-малко равномерно разпределен в неговата повърхности.

В края на обучението си много гимназисти, техните родители и хиляди млади професионалисти са изправени пред труден избор – избор на висше учебно заведение (ВУЗ). Доста е трудно да се ориентирате и да не се объркате в разнообразието от университети, институти и факултети. Прочетете отзиви за университета, оставени от студенти, учители и завършили, преди да получите. Изборът на подходящо учебно заведение е ключът към успеха в бъдещата ви кариера!

Нашата задача:въведе основните свойства на ядрените сили, произтичащи от наличните експериментални данни.

Нека започнем с изброяване на известните свойства на ядрените сили, за да можем след това да преминем към тяхната обосновка:

  • Това са силите на привличане.
  • Те са с кратко действие.
  • Това са сили с голям магнитуд (в сравнение с електромагнитни, слаби и гравитационни).
  • Те имат свойството на насищане.
  • Ядрените сили зависят от взаимната ориентация на взаимодействащите нуклони.
  • Те не са централни.
  • Ядрените сили не зависят от заряда на взаимодействащите си частици.
  • Зависи от относителната ориентация на въртенето и орбиталния импулс.
  • Ядрените сили имат обменен характер.
  • На къси разстояния ( r m) са отблъскващи сили.

Няма съмнение, че ядрените сили са сили на привличане. В противен случай кулоновите сили на отблъскване на протоните биха направили съществуването на ядра невъзможно.

Свойството на насищане на ядрените сили следва от поведението на зависимостта на специфичната енергия на свързване от масовото число (вижте лекцията).

Зависимост на енергията на свързване на нуклон от масовото число

Ако нуклоните в едно ядро ​​взаимодействат с всички други нуклони, енергията на взаимодействието ще бъде пропорционална на броя на комбинациите от Апо 2, т.е. A(A-1)/2 ~ A 2. Тогава енергията на свързване на нуклон беше пропорционална на А. Всъщност, както може да се види от фигурата, тя е приблизително постоянна ~8 MeV. Това показва ограничен брой нуклонни връзки в ядрото.

Свойства, произтичащи от изследването на свързаното състояние - дейтрон

Дейтронът 2 1 H е единственото свързано състояние на два нуклона - протон и неутрон. Няма свързани състояния протон - протон и неутрон - неутрон. Нека изброим експериментално известните свойства на дейтрона.

  • Енергия на свързване на нуклони в деутрон G d = 2,22 MeV.
  • Няма възбудени състояния.
  • Деутроново въртене J=1, паритетът е положителен.
  • Магнитен момент на дейтрона μ d = 0,86 μ i, Тук μ i = 5,051·10 -27 J/T - ядрен магнетон.
  • Квадруполният електрически момент е положителен и равен на Q = 2,86·10 -31м 2.

При първо приближение взаимодействието на нуклоните в деутрона може да се опише с правоъгълна потенциална яма

тук μ - намалена маса, равна на μ = m p m n /(m p +m n).

Това уравнение може да се опрости чрез въвеждане на функцията χ = r*Ψ(r). получаваме

Решаваме отделно за региони r и r > a(имайте предвид, че E за свързаното състояние, което търсим)

Коефициент бтрябва да се настрои равно на нула, в противен случай, когато r → 0вълнова функция Ψ = χ/rобръща се към безкрайност; и коеф B 1 = 0, в противен случай решението се разминава при r → ∞.

Решенията трябва да бъдат зашити заедно r = a, т.е. приравняват стойностите на функциите и техните първи производни. Това дава

Фиг.1 Графично решение на уравнение (1)

Заместване на стойностите в последното уравнение к, к 1и вярвайки E = -Gdполучаваме уравнение, свързващо енергията на свързване Gd, дълбочина на ямата U 0и ширината му а

Дясната страна, предвид ниската енергия на свързване, е малко отрицателно число. Следователно аргументът на котангенса е близък до π/2и леко го надвишава.

Ако вземем експерименталната стойност на енергията на свързване на дейтрона G d = 2,23 MeV, след това за продукта a 2 ·U 0получаваме ~2,1·10 -41 m 2 J (за съжаление, индивидуални стойности U 0И ане може да се получи). Чудя се разумно а = 2·10 -15 m (следва от експерименти за разсейване на неутрони, повече за това по-късно), за дълбочината на потенциалната яма получаваме приблизително 33 MeV.

Нека умножим лявата и дясната страна на уравнение (1) по аи въведете спомагателни променливи x = kaИ y = k 1 a. Уравнение (1) приема формата

Ядреното взаимодействие показва, че в ядрата има специални ядрени сили , които не могат да бъдат сведени до нито един от видовете сили, известни в класическата физика (гравитационни и електромагнитни).

Ядрени сили са с кратко действиесили. Те се появяват само при много малки разстояния между нуклоните в ядрото от порядъка на 10 –15 m дължина (1,5 – 2,2) 10 –15 m диапазон на ядрени сили.

Ядрените сили откриват такса независимост : Привличането между два нуклона е еднакво независимо от зарядното състояние на нуклоните - протон или неутрон. Независимостта на заряда на ядрените сили е видима от сравнение на енергиите на свързване огледални ядра . Така се наричат ​​ядрата,в които общият брой нуклони е еднакъв,но броят на протоните в единия е равен на броя на неутроните в другия. Например ядрата на хелия и тежкия водород - тритий. Енергиите на свързване на тези ядра са 7,72 MeV и 8,49 MeV.

Разликата в ядрените енергии на свързване, равна на 0,77 MeV, съответства на кулоновата енергия на отблъскване на два протона в ядрото. Ако приемем, че тази стойност е равна на , можем да намерим, че средното разстояние rмежду протоните в ядрото е 1,9·10 –15 m, което е в съответствие с радиуса на ядрените сили.

Ядрените сили имат свойство на насищане , което се проявява в, че нуклон в ядрото взаимодейства само с ограничен брой съседни нуклони. Ето защо има линейна зависимост на енергиите на свързване на ядрата от техните масови числа А. Почти пълно насищане на ядрените сили се постига в α-частицата, която е много стабилна формация.

Ядрените сили зависят от ориентации на въртеневзаимодействащи нуклони. Това се потвърждава от различния характер на разсейването на неутрони от орто- и параводородни молекули. В ортоводородна молекула спиновете на двата протона са успоредни един на друг, докато в параводородна молекула те са антипаралелни. Експериментите показват, че разсейването на неутрони върху параводород е 30 пъти по-голямо от разсейването върху ортоводород. Ядрените сили не са централни.

И така, нека изброим общи свойства на ядрените сили :

· малък радиус на действие на ядрените сили ( Р~ 1 fm);

· голям ядрен потенциал U~50 MeV;

· зависимост на ядрените сили от спиновете на взаимодействащите си частици;

· тензорен характер на взаимодействието на нуклоните;

· ядрените сили зависят от взаимната ориентация на спиновите и орбиталните моменти на нуклона (спин-орбитални сили);

· ядреното взаимодействие има свойството насищане;

· таксова независимост на ядрените сили;

· обменен характер на ядреното взаимодействие;

привличане между нуклони на големи разстояния ( r> 1 fm), се заменя с отблъскване при малки ( r < 0,5 Фм).

V взаимодействието между нуклоните възниква в резултат на излъчването и поглъщането на кванти на ядреното поле – π- мезони . Те определят ядреното поле по аналогия с електромагнитното поле, което възниква в резултат на обмена на фотони. Взаимодействие между нуклони в резултат на обмен на масови кванти м, води до появата на потенциал Uаз ( r):

.

За да видите демонстрации, щракнете върху съответната хипервръзка:

Взаимодействието на ядрата едно с друго показва, че в ядрата съществуват специални ядрени сили, които не могат да бъдат сведени до нито един от видовете сили, известни в класическата физика (гравитационни и електромагнитни).

Ядрени сили- това са силите, които задържат нуклоните в ядрото и представляват проява на силното взаимодействие.

Свойства на ядрените сили:

  • 1) те са с малък обсег: на разстояния от порядъка на ~ 1 (H 5 m, ядрените сили като сили на привличане задържат нуклони, въпреки отблъскването на Кулон между протоните; на по-къси разстояния привличането на нуклони се заменя с отблъскване;
  • 2) имат независимост от заряда: привличането между всеки два нуклона е еднакво (п-п, п-п, п-п);
  • 3) ядрените сили се характеризират с насищане: всеки нуклон в ядрото взаимодейства само с ограничен брой нуклони, които са най-близо до него;
  • 4) ядрените сили зависят от взаимната ориентация на спиновете на взаимодействащите нуклони (например протон и неутрон образуват деутерон - ядрото на изотопа на деутерий ] Н,само ако гърбовете им са успоредни един на друг);
  • 5) ядрените сили не са централни, т.е. не са насочени по линията, свързваща центровете на взаимодействащите нуклони, както се вижда от тяхната зависимост от ориентацията на нуклонните спинове.

Експериментите върху нуклон-нуклонното разсейване показват, че силите на ядрено взаимодействие, действащи между нуклоните в ядрото, имат обменен характер и се причиняват от обмена на кванти на ядреното силово поле, наречени n-мезони (пиони, виж подтема 32.2). Пионната хипотеза в рамките на подробна квантова теория на механизма на ядреното взаимодействие е предложена от японския физик Х. Юкава (Нобелова награда, 1949 г.). Частицата Юкава, пионът, се характеризира с маса от приблизително 300 електронни маси и помага да се обясни природата на къси разстояния и големия магнитуд на ядрените сили.

Модели на атомното ядро. INВ теориите за атомното ядро ​​много важна роля играят моделите, които доста добре описват определен набор от ядрени свойства и позволяват сравнително проста математическа интерпретация. Към днешна дата, поради сложния характер на ядрените сили и трудността за точно решаване на уравненията на движението на всички нуклони в едно ядро, все още няма пълна теория за ядрото, която да обясни всички негови свойства.

Нека разгледаме следните два основни модела - капчица и обвивка.

Капков моделпредложен от немския учен М. Борн и руския учен Й. Френкел през 1936 г. В този модел се приема, че ядрото се държи като капка несвиваема заредена течност с плътност, равна на ядрената, и се подчинява на законите на квантовата механика. По този начин ядрото се разглежда като непрекъсната среда и движението на отделните нуклони не се разграничава. Тази аналогия между поведението на молекулите в капка течност и нуклоните в ядрото взема предвид природата на ядрените взаимодействия с малък обсег, свойството на насищане на ядрените сили и същата плътност на ядрената материя в различните ядра. Капковият модел обяснява механизмите на ядрените реакции, особено реакциите на ядрено делене, позволява да се получи полуемпирична формула за енергията на свързване на нуклоните в ядрото и също така описва зависимостта на радиуса на ядрото от масовото число .

Модел черупкае окончателно формулиран от американския физик М. Гьоперт-Майер и немския физик Дж. Дженсън през 1949-1950 г В този модел се счита, че нуклоните се движат независимо един от друг в осредненото централно симетрично поле на останалите нуклони на ядрото. В съответствие с това съществуват дискретни енергийни нива, запълнени от нуклони, като се вземе предвид принципът на Паули. Тези нива са групирани в черупки,всяка от които може да съдържа определен брой нуклони. Взето е предвид спин-орбиталното взаимодействие на нуклоните. В ядрата, с изключение на най-леките, j-/"-връзка.

Ядрата с напълно запълнени черупки са най-стабилни. Магическисе наричат ​​атомни ядра, чийто брой неутрони Ни/или броят на протоните Z е равен на едно от магическите числа:

2, 8, 20, 28, 50, 82 и TV = 126. Магическите ядра се различават от другите ядра, например с повишена стабилност, по-голямо разпространение в природата.

Ядра, за които и Z, и Z са магически Н,се наричат два пъти магически.Двойно магическите ядра включват: хелий Той, кислород J> 6 0, калций joCa, калай jjfSn, олово g^fPb. По-специално, специалната стабилност на ядрото He се проявява във факта, че то е една частица, наречена - частица,излъчвани от тежки ядра по време на радиоактивен разпад.

В допълнение към предсказването на магически числа, този модел направи възможно намирането на стойности на завъртанията на основното и възбудено състояние на ядрата, както и техните магнитни моменти, които са в съответствие с експеримента. Този модел е особено подходящ за описание на леки и средни ядра, както и за ядра в основно състояние.

Ядрени сили(англ. Nuclear forces) са силите на взаимодействие между нуклоните в атомното ядро. Те бързо намаляват с увеличаване на разстоянието между нуклоните и стават почти невидими на разстояния над 10 -12 cm.

От гледна точка на полевата теория на елементарните частици ядрените сили са главно силите на взаимодействие между магнитните полета на нуклоните в близката зона. На големи разстояния потенциалната енергия на такова взаимодействие намалява по закона 1/r 3 - това обяснява техния близък характер. На разстояние (3 ∙ 10 -13 cm) ядрените сили стават доминиращи, а на разстояния по-малки от (9,1 ∙ 10 -14 cm) се превръщат в още по-мощни отблъскващи сили. На фигурата е показана графика на потенциалната енергия на взаимодействие между електрическите и магнитните полета на два протона, демонстрираща наличието на ядрени сили.

Взаимодействията протон - протон, протон - неутрон и неутрон - неутрон ще бъдат малко по-различни, тъй като структурата на магнитните полета на протона и неутрона е различна.

Има няколко основни свойства на ядрените сили.

1. Ядрените сили са сили на привличане.

2. Ядрените сили са с кратко действие. Техният ефект се проявява само на разстояния от около 10-15 m.

С увеличаването на разстоянието между нуклоните ядрените сили бързо намаляват до нула и на разстояния, по-малки от техния радиус на действие ((1,5 2,2) 1 0 ~15 m), те се оказват приблизително 100 пъти по-големи от кулоновите сили, действащи между протони на същото разстояние.

3. Ядрените сили проявяват независимост от заряда: привличането между два нуклона е постоянно и не зависи от зарядното състояние на нуклоните (протон или неутрон). Това означава, че ядрените сили са неелектронни по природа.

Независимостта на заряда на ядрените сили е очевидна от сравнение на енергиите на свързване в огледалните ядра. Това е името, дадено на ядра, в които общият брой нуклони е еднакъв; този брой протони в едното е равен на броя на неутроните в другото.

4. Ядрените сили имат свойството на насищане, тоест всеки нуклон в ядрото взаимодейства само с ограничен брой нуклони, които са най-близо до него. Насищането се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото остава постоянна с увеличаване на броя на нуклоните. Почти пълното насищане на ядрените сили се постига в алфа частицата, която е много стабилна.

5. Ядрените сили зависят от взаимната ориентация на спиновете на взаимодействащите нуклони.

6. Ядрените сили не са централни, тоест те не действат по линията, свързваща центровете на взаимодействащите нуклони.

Сложността и нееднозначният характер на ядрените сили, както и трудността за точно решаване на уравненията на движението на всички нуклони в ядрото (ядро с масово число А е система от тела А), не направиха възможно разработването на единична , кохерентна теория за атомното ядро ​​до днес.

35. Радиоактивен разпад. Закон за радиоактивното превръщане.

Радиоактивно разпадане(от лат. радиус"греда" и āctīvus„ефективен“) - спонтанна промяна в състава на нестабилни атомни ядра (заряд Z, масово число A) чрез излъчване на елементарни частици или ядрени фрагменти. Процесът на радиоактивно разпадане се нарича още радиоактивност, а съответните елементи са радиоактивни. Веществата, съдържащи радиоактивни ядра, се наричат ​​още радиоактивни.

Установено е, че всички химични елементи със сериен номер по-голям от 82 са радиоактивни (т.е. като се започне от бисмут), както и много по-леки елементи (прометий и технеций нямат стабилни изотопи, а някои елементи като индий, калий или калций, има някои естествени, някои изотопи са стабилни, други са радиоактивни).

Естествена радиоактивност- спонтанно разпадане на ядра на елементи, намиращи се в природата.

Изкуствена радиоактивност- спонтанен разпад на ядра на елементи, получени изкуствено чрез подходящи ядрени реакции.

закон за радиоактивното разпадане- физичен закон, който описва зависимостта на интензивността на радиоактивния разпад от времето и броя на радиоактивните атоми в пробата. Открит от Фредерик Соди и Ърнест Ръдърфорд,

Първоначално законът беше формулиран по следния начин :

Във всички случаи, когато се отделя един от радиоактивните продукти и се изследва неговата активност, независимо от радиоактивността на веществото, от което се образува, се установява, че активността при всички изследвания намалява с времето според закона за геометричната прогресия.

от какво с помощта Теореми на Бернули учени сключен [ източникът не е посочен 321 дни ] :

Скоростта на трансформация винаги е пропорционална на броя на системите, които все още не са претърпели трансформация.

Има няколко формулировки на закона, например под формата на диференциално уравнение:

което означава, че броят на разпаданията, възникващи за кратък интервал от време, е пропорционален на броя на атомите в пробата.