În fizică, conceptul de „forță” denotă măsura interacțiunii formațiunilor materiale între ele, inclusiv interacțiunea părților materiei (corpuri macroscopice, particule elementare) între ele și cu câmpurile fizice (electromagnetice, gravitaționale). În total, sunt cunoscute patru tipuri de interacțiune în natură: puternică, slabă, electromagnetică și gravitațională și fiecare are propriul său tip de forță. Prima dintre ele corespunde forțelor nucleare care acționează în interiorul nucleelor atomice.
Ce unește nucleele?
Este cunoscut faptul că nucleul unui atom este mic, dimensiunea lui cu patru până la cinci ordine de mărime zecimală mai mică decât dimensiunea atomului însuși. Acest lucru ridică o întrebare evidentă: de ce este atât de mic? La urma urmei, atomii, formați din particule minuscule, sunt încă mult mai mari decât particulele pe care le conțin.
În schimb, nucleele nu diferă mult ca mărime de nucleonii (protoni și neutroni) din care sunt formați. Există un motiv pentru asta sau este o coincidență?
Între timp, se știe că forțele electrice sunt cele care țin electronii încărcați negativ în apropierea nucleelor atomice. Ce forță sau forțe țin particulele nucleului împreună? Această sarcină este îndeplinită de forțele nucleare, care sunt o măsură a interacțiunilor puternice.
Forță nucleară puternică
Dacă în natură ar exista doar forțe gravitaționale și electrice, adică. pe care le întâlnim în viața de zi cu zi, atunci nucleele atomice, constând adesea din mulți protoni încărcați pozitiv, ar fi instabile: forțele electrice care împinge protonii unul de celălalt ar fi de multe milioane de ori mai puternice decât orice forță gravitațională care îi trage împreună la un prieten. . Forțele nucleare oferă o atracție și mai puternică decât repulsia electrică, deși în structura nucleului se manifestă doar o umbră a adevăratei lor mărimi. Când studiem structura protonilor și neutronilor înșiși, vedem adevăratele posibilități ale a ceea ce este cunoscut sub numele de forța nucleară puternică. Forțele nucleare sunt manifestarea ei.
Figura de mai sus arată că cele două forțe opuse din nucleu sunt repulsia electrică dintre protonii încărcați pozitiv și forța nucleară, care atrage protonii (și neutronii) împreună. Dacă numărul de protoni și neutroni nu este prea diferit, atunci a doua forță este superioară primei.
Protonii sunt analogi ai atomilor, iar nucleii sunt analogi ai moleculelor?
Între ce particule acţionează forţele nucleare? În primul rând, între nucleoni (protoni și neutroni) din nucleu. În cele din urmă, ele acționează și între particule (quarci, gluoni, antiquarci) în interiorul unui proton sau neutron. Acest lucru nu este surprinzător când recunoaștem că protonii și neutronii sunt intrinsec complexi.
Într-un atom, nucleele minuscule și electronii chiar mai mici sunt relativ îndepărtați în comparație cu dimensiunea lor, iar forțele electrice care îi țin împreună în atom sunt destul de simple. Dar în molecule, distanța dintre atomi este comparabilă cu dimensiunea atomilor, astfel încât complexitatea internă a acestora din urmă intră în joc. Situația variată și complexă cauzată de compensarea parțială a forțelor electrice intra-atomice dă naștere unor procese în care electronii se pot deplasa efectiv de la un atom la altul. Acest lucru face ca fizica moleculelor să fie mult mai bogată și mai complexă decât cea a atomilor. De asemenea, distanța dintre protoni și neutroni dintr-un nucleu este comparabilă cu dimensiunea lor - și la fel ca în cazul moleculelor, proprietățile forțelor nucleare care țin nucleele împreună sunt mult mai complexe decât simpla atracție a protonilor și neutronilor.
Nu există nucleu fără neutron, cu excepția hidrogenului
Se știe că nucleele unor elemente chimice sunt stabile, în timp ce pentru altele se descompun continuu, iar intervalul ratelor acestei dezintegrare este foarte larg. De ce forțele care țin nucleonii în nuclei încetează să funcționeze? Să vedem ce putem învăța din considerații simple despre proprietățile forțelor nucleare.
Una este că toate nucleele, cu excepția celui mai comun izotop hidrogen (care are un singur proton), conțin neutroni; adică nu există un nucleu cu mai mulți protoni care să nu conțină neutroni (vezi figura de mai jos). Deci, este clar că neutronii joacă un rol important în a ajuta protonii să se lipească.
În fig. Mai sus, nucleele stabile la lumină sau aproape stabile sunt prezentate împreună cu un neutron. Acestea din urmă, ca și tritiul, sunt afișate cu o linie punctată, indicând că în cele din urmă se descompun. Alte combinații cu un număr mic de protoni și neutroni nu formează deloc un nucleu sau formează nuclee extrem de instabile. De asemenea, sunt afișate cu caractere cursive denumirile alternative adesea date unora dintre aceste obiecte; De exemplu, nucleul de heliu-4 este adesea numit o particulă α, denumirea dată când a fost descoperit inițial în studiile timpurii ale radioactivității în anii 1890.
Neutronii ca păstori de protoni
Dimpotrivă, nu există un nucleu format doar din neutroni fără protoni; majoritatea nucleelor ușoare, cum ar fi oxigenul și siliciul, au aproximativ același număr de neutroni și protoni (Figura 2). Nucleele mari cu mase mari, cum ar fi aurul și radiul, au puțin mai mulți neutroni decât protoni.
Aceasta spune două lucruri:
1. Nu numai că neutronii sunt necesari pentru a menține protonii împreună, dar și protonii sunt necesari pentru a menține neutronii împreună.
2. Dacă numărul de protoni și neutroni devine foarte mare, atunci repulsia electrică a protonilor trebuie compensată prin adăugarea de câțiva neutroni suplimentari.
Ultima afirmație este ilustrată în figura de mai jos.
Figura de mai sus prezintă nuclee atomice stabili și aproape stabile în funcție de P (numărul de protoni) și N (numărul de neutroni). Linia prezentată cu puncte negre indică nuclee stabile. Orice schimbare în sus sau în jos de la linia neagră înseamnă o scădere a vieții nucleelor - în apropierea acesteia, viața nucleelor este de milioane de ani sau mai mult, pe măsură ce vă deplasați mai departe în zonele albastre, maro sau galbene (diferitele culori corespund diferitelor mecanismelor de dezintegrare nucleară), durata lor de viață devine din ce în ce mai scurtă, până la o fracțiune de secundă.
Rețineți că nucleele stabile au P și N aproximativ egale pentru P și N mici, dar N devine treptat mai mare decât P cu un factor mai mare de unu și jumătate. De asemenea, rețineți că grupul de nuclee instabile stabile și cu viață lungă rămâne într-o bandă destul de îngustă pentru toate valorile lui P până la 82. La un număr mai mare, nucleele cunoscute sunt în principiu instabile (deși pot exista milioane de ani). ). Aparent, mecanismul menționat mai sus pentru stabilizarea protonilor din nuclee prin adăugarea de neutroni la aceștia în această regiune nu este 100% eficient.
Cum depinde dimensiunea unui atom de masa electronilor săi?
Cum afectează forțele luate în considerare structura nucleului atomic? Forțele nucleare îi afectează în primul rând dimensiunea. De ce sunt nucleele atât de mici în comparație cu atomii? Pentru a afla, să începem cu cel mai simplu nucleu, care are atât un proton, cât și un neutron: este al doilea cel mai frecvent izotop al hidrogenului, un atom care conține un electron (ca toți izotopii de hidrogen) și un nucleu de un proton și un neutron. . Acest izotop este adesea numit „deuteriu”, iar nucleul său (vezi Figura 2) este uneori numit „deuteron”. Cum putem explica ce ține deuteronul împreună? Ei bine, vă puteți imagina că nu este atât de diferit de un atom de hidrogen obișnuit, care conține și două particule (un proton și un electron).
În fig. Se arată mai sus că într-un atom de hidrogen, nucleul și electronul sunt foarte îndepărtate unul de celălalt, în sensul că atomul este mult mai mare decât nucleul (și electronul este și mai mic.) Dar la un deuteron, distanța dintre proton iar neutronul este comparabil cu dimensiunile lor. Acest lucru explică parțial de ce forțele nucleare sunt mult mai complexe decât forțele dintr-un atom.
Se știe că electronii au o masă mică în comparație cu protonii și neutronii. Rezultă că
- masa unui atom este în esență apropiată de masa nucleului său,
- dimensiunea unui atom (în esență dimensiunea norului de electroni) este invers proporțională cu masa electronilor și invers proporțională cu forța electromagnetică totală; Principiul de incertitudine al mecanicii cuantice joacă un rol decisiv.
Ce se întâmplă dacă forțele nucleare sunt similare cu cele electromagnetice?
Ce zici de deuteron? El, la fel ca atomul, este format din două obiecte, dar acestea au aproape aceeași masă (masele neutronului și protonului diferă doar cu aproximativ o parte în 1500), deci ambele particule sunt la fel de importante în determinarea masei deuteronului. si marimea ei. Acum să presupunem că forța nucleară trage protonul spre neutron în același mod ca și forțele electromagnetice (acest lucru nu este tocmai adevărat, dar imaginați-vă pentru un moment); și apoi, prin analogie cu hidrogenul, ne așteptăm ca mărimea deuteronului să fie invers proporțională cu masa protonului sau neutronului și invers proporțională cu mărimea forței nucleare. Dacă mărimea sa ar fi aceeași (la o anumită distanță) cu forța electromagnetică, atunci aceasta ar însemna că, deoarece un proton este de aproximativ 1850 de ori mai greu decât un electron, atunci deutronul (și într-adevăr orice nucleu) trebuie să fie de cel puțin o mie de ori. mai mic decât cel al hidrogenului.
Ce oferă luarea în considerare a diferenței semnificative dintre forțele nucleare și electromagnetice?
Dar am ghicit deja că forța nucleară este mult mai mare decât forța electromagnetică (la aceeași distanță), pentru că dacă nu ar fi așa, nu ar putea preveni repulsia electromagnetică între protoni până când nucleul nu se va dezintegra. Deci protonul și neutronul sub influența sa se unesc și mai strâns. Și, prin urmare, nu este de mirare că deuteronul și alte nuclee nu sunt doar o mie, ci de o sută de mii de ori mai mici decât atomii! Din nou, acest lucru este doar pentru că
- protonii și neutronii sunt de aproape 2000 de ori mai grei decât electronii,
- la aceste distanțe, forța nucleară mare dintre protoni și neutroni din nucleu este de multe ori mai mare decât forțele electromagnetice corespunzătoare (inclusiv repulsia electromagnetică dintre protonii din nucleu).
Această presupunere naivă oferă aproximativ răspunsul corect! Dar acest lucru nu reflectă pe deplin complexitatea interacțiunii dintre proton și neutron. O problemă evidentă este că o forță asemănătoare forței electromagnetice, dar cu o putere de atracție sau de respingere mai mare, ar trebui să se manifeste în mod evident în viața de zi cu zi, dar noi nu observăm așa ceva. Deci ceva despre această forță trebuie să fie diferit de forțele electrice.
Rază scurtă de forță nucleară
Ceea ce îi face diferiți este că forțele nucleare care împiedică descompunerea nucleului atomic sunt foarte importante și puternice pentru protoni și neutroni care se află la o distanță foarte mică unul de celălalt, dar la o anumită distanță (așa-numita „gamă” de forță), ele cad foarte repede, mult mai repede decât cele electromagnetice. Intervalul, se dovedește, poate fi, de asemenea, de dimensiunea unui nucleu moderat mare, doar de câteva ori mai mare decât un proton. Dacă plasați un proton și un neutron la o distanță comparabilă cu acest interval, se vor atrage unul pe celălalt și vor forma un deuteron; dacă sunt despărțiți de o distanță mai mare, cu greu vor simți deloc atracție. De fapt, dacă sunt așezate prea aproape unul de celălalt până în punctul în care încep să se suprapună, se vor respinge unul pe celălalt. Acest lucru dezvăluie complexitatea unui astfel de concept precum forțele nucleare. Fizica continuă să se dezvolte continuu în direcția explicării mecanismului acțiunii lor.
Mecanismul fizic al interacțiunii nucleare
Fiecare proces material, inclusiv interacțiunea dintre nucleoni, trebuie să aibă purtători de materiale. Sunt cuante de câmp nuclear - pi-mezoni (pioni), datorită schimbului căruia ia naștere atracția între nucleoni.
Conform principiilor mecanicii cuantice, pi-mezonii, care apar în mod constant și dispar imediat, formează ceva ca un nor în jurul unui nucleon „god”, numit înveliș de mezon (amintiți-vă de norii de electroni din atomi). Atunci când doi nucleoni înconjurați de astfel de învelișuri se găsesc la o distanță de aproximativ 10 -15 m, are loc un schimb de pioni, similar cu schimbul de electroni de valență în atomi în timpul formării moleculelor, și apare atracția între nucleoni.
Dacă distanțele dintre nucleoni devin mai mici de 0,7∙10 -15 m, atunci încep să facă schimb de particule noi - așa-numitele. ω și ρ-mezoni, în urma cărora nu are loc atracția, ci respingerea între nucleoni.
Forțe nucleare: structura nucleului de la cel mai simplu la cel mai mare
Rezumând toate cele de mai sus, putem observa:
- forța nucleară puternică este mult, mult mai slabă decât electromagnetismul la distanțe mult mai mari decât dimensiunea unui nucleu tipic, așa că nu o întâlnim în viața de zi cu zi; Dar
- la distante scurte comparabile cu nucleul devine mult mai puternic - forta de atractie (cu conditia ca distanta sa nu fie prea mica) este capabila sa depaseasca repulsia electrica dintre protoni.
Deci, această forță contează doar la distanțe comparabile cu dimensiunea nucleului. Figura de mai jos arată dependența sa de distanța dintre nucleoni.
Nucleele mari sunt ținute împreună de mai mult sau mai puțin aceeași forță care ține deuteronul împreună, dar detaliile procesului sunt atât de complexe încât nu sunt ușor de descris. De asemenea, nu sunt pe deplin înțeleși. Deși liniile de bază ale fizicii nucleare au fost bine înțelese de zeci de ani, multe detalii importante sunt încă în curs de investigare.
Proprietăți de bază. Natura forțelor care dețin nucleonii în nuclei nu a fost încă pe deplin elucidată. În același timp, s-au obținut o mulțime de date despre proprietățile fizice ale nucleelor, precum și despre interacțiunea nucleonilor liberi în timpul coliziunilor într-o gamă foarte largă de energii cinetice de la 10 -4 la 10 11 eV. Analiza fenomenelor observate ne permite să tragem câteva concluzii despre forțele care acționează între nucleoni, care se rezumă la următoarele. Forțele nucleare sunt forțe atractive puternice care acționează doar pe distanțe scurte. Au proprietăți de saturație și, prin urmare, sunt atribuite forțe nucleare caracter de schimb, forțele nucleare depind de spin, nu depind de sarcina electrică și nu sunt forțe centrale.
Coulomb și potențialul nuclear al nucleului. Forțele nucleare se spune că sunt forțe puternice în sensul că sunt de cel puțin 100 de ori mai mari decât forțele Coulomb atunci când acestea din urmă sunt considerate la distanțe nucleare de ~10 -13 cm, unde sunt și foarte mari. Interacțiunea strânsă a forțelor nucleare duce la o delimitare ascuțită a regiunilor în care apar fie doar forțe Coulomb cu rază lungă, fie doar nucleare, deoarece acestea din urmă suprimă forțele Coulomb la distanțe scurte. În acest caz, prezența unuia dintre corpurile care interacționează este exprimată prin potențial în funcție de distanța de la centrul corpului, iar forța care acționează de la primul corp pe celălalt în punctul r, se găsește ca derivată a potențialului în raport cu coordonatele spațiale în acest punct. Potential electric φ încărca Ze(sâmburi cu Z protoni) este egal cu:
Unde ε 0 este constanta electrică și energia potențială de interacțiune a sarcinilor ZeȘi e(nucleu și proton) este egal cu:
, (2.13)
acestea. diferă de potențial doar printr-o constantă și, prin urmare, dependențele spațiale U(r)Și φ(r) se potrivesc. În acest sens, energia potențială este de obicei folosită în locul potențialului. Apoi, în aceleași coordonate este posibil să se reprezinte diferite forțe, în acest caz Coulomb și nucleare. Crește pe măsură ce coordonatele scad r potențialul descrie repulsia, iar potențialul în scădere descrie atracția. Atunci când alegeți o valoare zero la infinit, energia potențială este, respectiv, pozitivă pentru repulsie și negativă pentru atracție. Interacţiune proton cu miezul poate fi reprezentat ca în Fig. 2.5. La o distanta de raza de actiune a fortelor nucleare, i.e. la limita nucleului R, Repulsia coulombiană se schimbă imediat în atracție. Probabil în zona coordonatei spațiale R Trecerea de la repulsie la atracție are loc, deși rapid, dar continuu. În același timp, schimbarea bruscă a energiei din Regatul Unit inainte de -U 0 aproape de adevăr și cu un anumit grad de aproximare, potențialul nuclear este descris ca un put de potențial dreptunghiular.
Înălțimea barierei Coulomb pentru protonul U k poate fi calculat deoarece raza nucleului are o anumită valoare. Este egală cu valoarea potențială (2.12) la r=R, înmulțit cu sarcina elementară a protonului e:
(MeV), (2,14)
acestea. Înălțimea barierei Coulomb Regatul Unit pentru un proton este aproximativ egal cu 1 MeV pentru cel mai ușor nucleu și ajunge la 15 MeV pentru un nucleu de uraniu. bariera Coulomb pentru α -particule cu sarcină 2e de 2 ori mai mare.
Orez. 2.5. Reprezentarea grafică a potențialului nuclear și coulombian
Trebuie remarcat că bariera Coulombiană calculată folosind formula (2.14) se referă la punct particulă cu încărcătura unui proton. Atunci când se calculează bariera pentru nucleele reale, trebuie să se țină cont de faptul că fiecare nucleu are o rază finită R. Deci bariera Coulomb a nucleelor de deuteriu și tritiu este de aproximativ 1/3 MeV.
Bariera de potențial Coulomb împiedică particulele încărcate pozitiv să se apropie de nucleele atomice și complică cursul reacțiilor nucleare. Dacă energia lor cinetică este sub barieră, atunci când se ciocnesc de nuclee, fie are loc împrăștierea Coulomb, fie are loc o reacție datorită mecanismului de subbarieră.
Neutronii nu au sarcină electrică, sunt lipsiți de interacțiuni Coulomb și se apropie de nuclee fără piedici. Potențialul nuclear al unui neutron este același cu cel al unui proton. Prin urmare, energia de interacțiune a unui neutron cu un nucleu este egală cu:
U=-U 0 la 0< r < R
U=0 pentru r > R.
Magnitudinea U 0 nu este accesibil pentru măsurare și este definit ca un atribut al teoriei. Se calculează dintr-o energie potențială dată. De fapt, astfel de calcule au fost efectuate pentru deuteron, cel mai simplu nucleu format dintr-un proton și un neutron, și au dat rezultatul U 0 = 35 MeV. Aceeași valoare asigură acordul cu experiența în calcularea secțiunilor transversale pentru împrăștierea neutronilor pe nuclee. În cele din urmă, prin reducerea pragului de producere a particulelor în ciocnirea protonilor, în primul rând, cu protoni liberi în repaus și, în al doilea rând, cu nucleonii care se mișcă în interiorul nucleelor, a fost determinată energia cinetică a nucleonilor în interiorul nucleilor. Sa dovedit a fi aproximativ egal cu 25 MeV, care la o energie de legare de 8 MeV dă și un potențial de aproximativ 35 MeV (vezi Fig. 2.5).
Toți nucleonii nucleelor au energii de legare foarte apropiate, ceea ce indică în mod direct independența potențialului nuclear de coordonatele spațiale. La urma urmei, dacă potențialul ar scădea și, prin urmare, atracția a crescut la apropierea de centrul nucleului, atunci ar exista stări cu energie totală mult mai mică, adică acolo. cu energie de legare mai mare decât cea a nucleonilor periferici. Acest lucru ar afecta imediat energia de legare medie a nucleonilor din nuclee de diferite dimensiuni.
Modele de nuclee. Datele experimentale indică un potențial constant în interiorul nucleului. Și un astfel de potențial este potențialul unei picături de lichid: derivata în raport cu coordonatele spațiale (adică, forța) este zero în interiorul miezului și are o mare importanță pe suprafață. Prin urmare, în interiorul miezului picăturii particulele ar trebui să se comporte ca particule libere.
Cu toate acestea, descrierea modelului nu este completă. Fiecare model, ca și modelul drop, este destinat să descrie doar unele caracteristici ale nucleului și duce la concepții greșite dincolo de aplicabilitatea modelului. În același timp, abordarea modelului este inevitabilă în absența unei teorii consistente a forțelor nucleare, iar fiecare problemă propusă poate fi rezolvată doar în cadrul propriului model.
În nucleu, ca sistem mecanic cuantic, toți nucleonii interacționează cu o anumită energie și cuplu mecanic și nu poate exista haos al unei picături de lichid aici. Acest lucru este indicat în primul rând numere magice miezuri:
2, 8, 20, 50, 82, 126
Dacă numărul de protoni sau neutroni din nucleu coincide cu unul dintre numerele magice, atunci nucleul are proprietățile unui sistem cu învelișuri închise. Fiecare înveliș reprezintă un grup de stări cu aceeași energie sau similară și este închisă dacă toate nivelurile învelișului sunt ocupate de particule. Cojile închise au o structură perfectă și, prin urmare, sunt deosebit de stabile. Miezurile magice corespunzătoare au și proprietăți speciale. Energia lor de legare este mai mare decât cea a HH miezuri. Astfel de nuclee sunt foarte reticente în a absorbi protoni sau neutroni, iar un proton sau neutron prezent deasupra numărului magic are întotdeauna o energie de legare anormal de scăzută. Situația seamănă cu combinațiile ideale de electroni de gaze inerte.
Seria de numere magice a nucleelor diferă de seria atomică corespunzătoare. După cum sa dovedit, discrepanța lor este cauzată de interacțiunea spin-orbita, care în cazul nucleonilor generează o diferență mare în energia a două stări care diferă în orientarea spinului particulei în raport cu propriul impuls orbital și este nesemnificativ pentru electroni. Luarea în considerare a acestei interacțiuni a făcut posibilă obținerea unui număr de numere magice prin calcul, iar acest lucru a confirmat structura învelișului nucleului.
Existența mișcării ordonate în interiorul nucleului și plasarea nucleonilor în învelișuri nu contrazic potențialul din Fig. 2.5. Într-o picătură obișnuită de lichid, particulele sunt cu adevărat libere și schimbă energie în ciocniri. În nucleu, nucleonii sunt în cele mai scăzute stări de energie și, prin urmare, coliziunile cu schimbul de energie sunt imposibile pur și simplu pentru că nu există energie în exces. Miezul este o picătură complet înghețată, în care poate apărea doar mișcarea ordonată inerentă stărilor de energie inferioară.
Modelul învelișului face posibilă explicarea multor fapte referitoare la nucleele în starea energiei fundamentale. Asa de α -dezintegrarea nucleelor grele se termină la nuclee PbȘi Bi, deoarece acestea sunt nuclee magice, iar unul dintre ele este 2 08 Pb– miez dublu magic. Cel mai mare număr de izotopi ai unui element Sn, deoarece el are magie Z=50, iar cel mai mare număr de izotone corespunde numărului magic de neutroni 82. Modelul învelișului ne permite să înțelegem abundența izomerilor nucleari și să efectuăm câteva calcule pentru stările fundamentale ale nucleelor.
Schimb de forțe. Constanța energiei specifice de legare primește o explicație naturală în abordarea mecanică cuantică a interacțiunii particulelor. Interacțiunea poate fi descrisă nu prin potențial, ci prin schimbul de particule virtuale, ceea ce pentru nucleoni sunt π -mezoni. În acest caz, fiecare eveniment de interacțiune este realizat atunci când este emis primul nucleon π -mezonul si absorbtia lui de catre al doilea nucleon. Probabilitatea unui astfel de schimb cu doi parteneri simultan este puțin probabilă și nu se realizează niciodată cu toate particulele situate în raza de acțiune a forțelor. De aceea urmează saturația cu toate consecințele sale: constanța energiei specifice de legare, creșterea volumului proporțional cu numărul de particule, independența potențialului față de coordonate. Prin urmare, ei spun că dacă forțele sunt caracterizate de saturație, atunci ele au un caracter de schimb. Schimbul nu înseamnă niște forțe noi, este o caracteristică a manifestării forțelor - electrice sau nucleare.
Schimbul de particule virtuale nu este un mecanism presupus, nu o modalitate de a descrie abstract interacțiunea, ci un proces real. A fost posibil să se observe experimental în timpul ciocnirilor de nucleoni, deoarece nucleonii sunt prezentați în două stări diferite: proton și neutron. Când acceleratoarele au fost construite cu o energie de aproximativ 100 MeV, care este mult mai mare decât energia de interacțiune a nucleonilor (35 MeV), a devenit posibil să se distingă masa accelerată de masa țintei în repaus, pe baza cinematicii dispersia particulelor care se ciocnesc, indiferent de ce particulă reprezintă masa. S-a dovedit că aproape jumătate dintre neutronii de înaltă energie după ce s-au ciocnit cu protoni s-au transformat în protoni, iar protonii țintă s-au transformat în neutroni. Acest lucru este posibil numai datorită schimbului de nucleoni prin stări cuantice, adică. datorită interacțiunii de schimb.
Dependența de spin. Atracția nucleonilor depinde de modul în care sunt orientați spinurile lor. Dacă nucleonii au același nume, atunci cea mai mare atracție se observă în cazul orientării antiparalele a spinilor lor, când spinul lor total este zero. Tocmai această caracteristică a interacțiunii nucleonilor explică efectul împerecherii energiei de legare. Dimpotrivă, spre deosebire de nucleoni, atracția este mai eficientă cu spinuri paralele, ceea ce, în special, este indicat de starea fundamentală a deuteronului, al cărui spin este egal cu unitatea.
Energia de legare a deuteronului este atât de scăzută încât nu există un singur nivel excitat în puțul potențial. Dar, după cum au arătat calculele, primul nivel excitat se află chiar deasupra marginii puțului de potențial la o energie de 0,07 MeV. Acest nivel corespunde orientării antiparalele a spinurilor protonului și neutronului și, deoarece energia sa este pozitivă, nu poate fi realizat. Acesta este așa-numitul nivel virtual. Cu toate acestea, atunci când un neutron și un proton liber se ciocnesc cu o energie apropiată de valoarea indicată, posibilitatea potențială a unei stări legate duce la o creștere a secțiunii transversale de interacțiune, desigur doar pentru spin total zero.
Forțele nucleare depind, de asemenea, de mărimea spinului, cea mai bună ilustrare a căreia este împrăștierea neutronilor de energie scăzută. molecular hidrogen. Secțiunea transversală pentru împrăștierea neutronilor de către o moleculă de ortohidrogen, al cărei spin nuclear este egal cu unu, s-a dovedit a fi de 30 de ori mai lungă decât secțiunea transversală pentru împrăștierea unei molecule de vapori de hidrogen, al cărei spin nuclear este egal cu zero.
Încărcare independentă. Un studiu amănunțit al interacțiunii nucleonilor, atât în stări libere în timpul coliziunilor, cât și în stări legate, i.e. în compoziția nucleelor, a arătat că prin forțe nucleare interacțiunea perechilor de nucleoni (pp), (rn), (nn) este absolut identică. Prin urmare, forțele nucleare nu depind de sarcina electrică.
Forțe tensoare. Momentele cvadrupolare electrice ale nucleelor indică faptul că forțele nucleare nu sunt neapărat simetrice sferic. Forța depinde de orientarea vectorului cu raza nucleonului în raport cu vectorul spin nuclear. Potenţialul din fig. 2.5 este centrală și, prin urmare, această caracteristică a forțelor nucleare nu este luată în considerare acolo, la fel cum nu se ia în considerare dependența forțelor de spin. Potențialul nesferic este reprezentat de un tensor și, prin urmare, forțele nucleare sunt numite și forțe tensorice.
Subiectul 3
Transformări nucleare. Radioactivitate. Legea decaderii. Caracteristicile degradării. Dezintegrarea alfa. Dezintegrarea beta. Concepte și caracteristici de bază. Reacții nucleare. Legea conservării energiei. Legea conservării impulsului. Legea conservării cuplului mecanic. Reacții nucleare care implică neutroni.
Din faptul existenţei nucleelor rezultă că între nucleonii nucleului acţionează forţe nucleare specifice, ireductibile la forţe electromagnetice. Forțele nucleare au următoarele proprietăți.
1.Forțele nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune. Ele scad exponențial cu distanța Raza de interacțiune a nucleonilor este mai mică cmși este asociat cu masa particulei purtătoare de interacțiune (pi-mezon).
2. Forțele nucleare sunt forțe de atracție și la distanțe de 1 Fermi ori mai mare decât forțele de respingere Coulomb ale protonilor din nucleu. Aceasta rezultă din valoarea pozitivă a energiei de legare a nucleului și existența deuteronului. Energia lui Coulomb de respingere a doi protoni
Energia de legare specifică a unui nucleon într-un nucleu de heliu este de aproximativ 7 Mev.
3. Forțele nucleare au un caracter necentral (tensor), adică. depind de poziția relativă a nucleonilor. Acest lucru rezultă din prezența unui moment cvadrupol electric în deuteron.
4. Potențialul forțelor nucleare depinde de orientarea reciprocă a spinurilor particulelor care interacționează și a spinurilor acestora. Acest lucru este indicat de experimentele privind împrăștierea neutronilor lenți de către hidrogenul molecular.
5. Forțele nucleare au proprietatea de saturație. Fiecare nucleon interacționează numai cu un număr limitat de nucleoni cei mai apropiați de el. Aceasta rezultă din faptul că energia de legare este proporțională cu numărul de nucleoni A. Dacă fiecare nucleon ar interacționa cu toți ceilalți, atunci ar exista E st ~ A 2 .
6. Forțele nucleare au proprietatea incarca independenta(invarianță izotopică). Interacțiunea a doi protoni, doi neutroni, un neutron cu un proton în aceleași stări spațiale cuantice și spin este aceeași, dacă excludem interacțiunea Coulomb. Acest lucru este evidențiat prin experimente de împrăștiere ( n,p) Și ( p,p), precum și reacții care produc doi neutroni în stări finale. în nucleele oglindă (când se înlocuiesc toți protonii cu neutroni) toate proprietățile sunt aproape aceleași.
7. Forțele nucleare sunt de natură schimbătoare. Nucleonii care interacționează schimbă coordonate și rotații. si taxe. Mezonul π este un cuantum de interacțiune nucleară la energii joase.
8. Intensitatea mare și natura respingătoare a forțelor nucleare la distanțe foarte scurte () rezultă din prezența particulelor încărcate masive (quarci) în interiorul nucleonilor.
9. Dependența spin-orbita a forțelor nucleare este observată experimental.
10. Se observă o dependență semnificativă a forțelor nucleare de mărimea spinului izotopic T(1 sau 0) pentru energiile nucleonilor mai mici de 1 Gavși independență față de isospin la energii mai mari de 10 Gav.
11. Caracter general ( n,p) Și ( p,p) - împrăștiere la energii mari mai mari de 100 Mev conduce la concluzia că există o repulsie foarte puternică a nucleonilor la distanțe mai mici de 0,5 10 -13 cm, natura de schimb a forțelor nucleare și dependența de spin-orbita a forțelor nucleare (natura non-tensorială centrală a forțelor nucleare rezultă din analiza de fază ( p,p) - împrăștiere).
Energia de legare enormă a nucleonilor din nuclei indică faptul că există o interacțiune foarte intensă între nucleoni, care menține nucleonii la o distanță de ~ 10" 15 m unul de celălalt, în ciuda repulsiunii puternice coulombiane dintre protoni. Interacțiunea nucleară dintre nucleoni este numit interacțiune puternică. Informațiile noastre despre aceste forțe nu sunt suficient de detaliate. Să enumeram ceea ce se știe.
- 1. Forțele nucleare sunt forțe atractive, deoarece rețin nucleonii în interiorul nucleului (când nucleonii sunt foarte apropiați, forțele nucleare dintre ei au o natură respingătoare).
- 2. Aria de acțiune a forțelor nucleare este neglijabilă. Raza lor de acțiune este de ordinul (1n-2) 10" 15 m. La distanțe mari dintre particule, interacțiunea nucleară nu se manifestă. Forțe, a căror intensitate slăbește rapid cu distanța (de exemplu, conform legii e~ ag/g, unde e= 2,71...), se numesc rază scurtă. Forțele nucleare, spre deosebire de forțele gravitaționale și electromagnetice, îi aparțin forțe cu rază scurtă de acțiune. Natura cu rază scurtă de acțiune a forțelor nucleare rezultă din dimensiunile mici ale nucleelor (
- 3. Forțele nucleare (în zona în care acţionează) sunt foarte intense. Estimările arată că forțele nucleare sunt de 100-1000 de ori mai puternice decât forțele electromagnetice. De aceea se numește interacțiune nucleară puternic.
- 4. În conformitate cu intensitatea, interacțiunea nucleară are loc într-un timp de 100-1000 de ori mai mic decât timpul interacțiunii electromagnetice. Timpul caracteristic pentru interacțiunea nucleară este așa-numitul timp nuclear t i ~ 10_23 S.
- 5. Studiul gradului de conectivitate al nucleonilor din diferite nuclee arată că forțele nucleare au proprietatea saturare, similar cu valența forțelor chimice. În conformitate cu această proprietate a forțelor nucleare, unul și același nucleon interacționează nu cu toți ceilalți nucleoni ai nucleului, ci doar cu mai mulți învecinați.
- 6. Forțele nucleare depind de orientarea spinării. Astfel, numai cu spini paraleli un neutron și un proton pot forma un nucleu - un deutron cu spini antiparaleli, intensitatea interacțiunii nucleare este insuficientă pentru formarea unui nucleu;
- 7. Forțele nucleare sunt de natură necentrală, adică. intensitatea interacțiunii depinde de poziția relativă a nucleonilor față de direcția spinului lor.
- 8. Cea mai importantă proprietate a forțelor nucleare este independența sarcinii, adică. identitatea celor trei tipuri de interacțiuni nucleare: rr(intre doi protoni), etc(între neutron şi proton) şi p-p(intre doi neutroni). Se presupune că toate cele trei cazuri sunt considerate în condiții echivalente (de exemplu, în ceea ce privește orientarea spinului) și că repulsia coulombiană nu este luată în considerare în primul caz.
Aceste informații despre proprietățile forțelor nucleare au fost obținute în principal ca urmare a studierii interacțiunii a doi nucleoni, în special a împrăștierii unui neutron pe un proton și a unui proton pe un proton la energii joase și înalte. Vom descrie aici ideea unui singur experiment de acest fel - împrăștierea neutronilor de înaltă energie (100-200 MeV) de către protoni.
Din mecanica clasică se știe că, în timpul unei coliziuni centrale a două bile elastice la biliard, mingea zburătoare se oprește, iar cea în picioare zboară înainte. Cu un impact decentrat, bilele zboară în direcții diferite și în așa fel încât unghiul dintre direcțiile de expansiune lor să fie de 90°. Zona de abateri posibile de la direcția inițială pentru ambele bile este în intervalul 0 - 90 °.
Neutronul și protonul au aproximativ aceleași mase, așa că ciocnirea lor la energii scăzute are loc aproape în același mod ca și cea a bilelor de biliard. La energii mari, din cauza necesității de a folosi mecanica relativistă, calculele devin mai complicate, iar rezultatele nu sunt atât de simple ca la energii joase. Cu toate acestea, înainte de măsurători, era clar că mult mai mulți neutroni decât protoni ar trebui să zboare înainte.
Acest lucru se datorează faptului că chiar și forțele nucleare foarte intense nu pot devia un neutron rapid la un unghi mare față de direcția inițială. Între timp, experiența a arătat că atât neutronii, cât și protonii zboară în direcția fasciculului primar și în cantități aproximativ egale. Acest rezultat ar putea fi explicat doar presupunând că în procesul de interacțiune nucleară un neutron și un proton par să facă schimb de sarcini electrice, după care neutronul zboară ca un proton, iar protonul ca un neutron. Fenomenul descris se numește împrăștiere de schimb de sarcină a nucleonilor, iar forțele nucleare responsabile de schimbul de sarcină se numesc schimbabile. Dacă un astfel de schimb are loc pentru fiecare pereche de nucleoni care interacționează, atunci predominant protonii ar trebui să zboare înainte, dar dacă schimbul are loc numai în jumătate din cazuri, atunci atât protonii, cât și neutronii vor zbura înainte (și în aproximativ aceleași cantități).
Apare întrebarea: care este mecanismul de schimb de taxe? Ideea acestui mecanism a fost formulată pentru prima dată de Tamm, care a sugerat că, în procesul de interacțiune nucleară, nucleonii emit și absorb particulele încărcate. Conform ipotezei lui Tamm, un neutron, în procesul de interacțiune nucleară cu un proton, emite un electron, transformându-se într-un proton, iar un proton care absoarbe un electron devine neutron. Cu toate acestea, însuși Tamm a arătat că și electronii sunt ușoară astfel încât cu ajutorul lor este posibil să se explice simultan două proprietăți principale ale forțelor nucleare: cu acțiune scurtă și intensitate mare.
Următorul pas a fost făcut de Yukawa, care a arătat care ar trebui să fie masa unei particule potrivite, adică. de fapt prezis existența în natură a particulelor încărcate mai grele decât electronul. Aceste particule presupuse au fost numite mezoni (din cuvântul grecesc „mesos” – medie), care subliniază valoarea intermediară a masei lor în comparație cu masele electronilor și protonilor.
Raționamentul lui Yukawa poate fi explicat folosind relația de incertitudine:
Din (1.8) rezultă: pentru scurt timp La energia sistemului se poate modifica cu o cantitate
Dacă timpul La foarte putin, atunci A E poate fi destul de mare. Să alegem acest timp astfel încât o particulă care se mișcă cu o viteză de ordinul vitezei luminii c are timp să zboare pe o distanță egală cu raza de acțiune a forțelor nucleare. G= (1 -n 2) 10" 15 m:
Înlocuind acest timp în (1.9), obținem:
Deci ce zici de energia D? = 150MeV corespunde masei
AE, LL
t = -» 300 T e, rezultatul obținut poate fi interpretat ca apariția pentru o perioadă scurtă de timp de 0,5 10 -23 s a unei particule cu masa de 300 T e, care pe parcursul existenţei sale reuşeşte să parcurgă distanţa dintre doi nucleoni care interacţionează (1 2)10“ |5 m.
Deci, conform acestei idei (corespunzătoare conceptelor moderne), interacțiunea nucleară a doi nucleoni aflați la o distanță egală cu raza de acțiune a forțelor nucleare constă în faptul că un nucleon emite o particulă cu o masă T ~ 300 acesta este, iar celălalt îl absoarbe după un timp nuclear de 10_23 s. Se numesc particulele care există în zona forțelor nucleare în timpul nuclear virtual. Particulele virtuale nu pot fi imaginate ca existând în afara regiunii de interacțiune nucleară, separat de nucleoni. Pentru ca o particulă virtuală să se transforme într-una reală, de ex. unul care este capabil să se separe de „părinții” săi de nucleoni și să ducă o viață independentă în afara regiunii de interacțiune nucleară, nucleonii trebuie să aibă o cantitate suficientă de energie cinetică, din care o parte, în timpul coliziunii lor, ar putea fi convertită în restul. masa mezonului.
Mezonii descriși se numesc i-mezoni. Au fost deschise în 1947.
Există mezoni pozitivi (/g +), negativi (i") și neutri (i 0). Încărcare n +Și p~ mezonii este egal cu sarcina elementară e= 1,6 10“ 19 Cl. Masa pionilor încărcați este aceeași și egală cu 273 adică(140 MeV), masa mezonului l° este 264 adică [ 135 MeV). Spinul i-mezonului încărcat și neutru este zero (7 = 0). Toate cele trei particule sunt instabile. Durata de viață a mezonilor încărcați este de 2,6 10" 8 s, durata de viață a mezonului încărcat este de 0,8 10" 16 s.
Majoritatea covârșitoare a i-mezonilor încărcați se descompun conform următoarei scheme:
unde si ts~- muoni pozitivi si negativi;
V și v sunt neutrinul muon și, respectiv, antineutrino.
În medie, 98,8% din mezonii π se descompun în două cuante:
Să revenim la descrierea interacțiunii de schimb între nucleoni. Ca rezultat al proceselor virtuale
nucleonul se găsește înconjurat de un nor de n-mezoni virtuali, formând un câmp de forțe nucleare. Absorbția acestor mezoni de către un alt nucleon duce la o interacțiune puternică între nucleoni, care are loc conform uneia dintre următoarele scheme:
.r + n±>n + 7r + + n±>n+r. Protonul emite virtual k +-mezon, transformându-se într-un neutron. Mezonul este absorbit de un neutron, care, prin urmare, se transformă într-un proton. Apoi, același proces are loc în direcția opusă. Fiecare dintre nucleonii care interacționează petrece o parte din timp într-o stare încărcată și o parte într-o stare neutră.
- 2. p+p^p + p° + p^p + p. Un proton și un neutron schimbă n-mezoni.
- 3. p + p p + k 0 + p p + p;
р+р^р + 7г°+р^р+р",
P + P^P + 7G°+P^P + P.
Acum avem ocazia să explicăm existența momentului magnetic al neutronului și valoarea anormală a momentului magnetic al protonului.
În conformitate cu procesul (1.13), neutronul își petrece o parte din timp într-o stare virtuală (/? + tm). Mișcarea orbitală l~-mezonul duce la apariţia momentului magnetic negativ observat la neutron. Momentul magnetic anormal al protonului (2.19r I,în loc de un magneton nuclear) poate fi explicată și prin mișcarea orbitală l +-mezon în perioada de timp în care protonul este în stare virtuală (/2 + 7Г +) (1.12).
Interacțiunea nucleară indică faptul că în nuclee există speciale forte nucleare , nereductibil la niciunul dintre tipurile de forțe cunoscute în fizica clasică (gravitaționale și electromagnetice).
Forțele nucleare sunt de scurtă durată forte. Apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul 10 –15 m Lungimea (1,5 – 2,2) 10 –15 m gama de forţe nucleare.
Forțele nucleare descoperă incarca independenta : Atractia dintre doi nucleoni este aceeasi indiferent de starea de sarcina a nucleonilor - proton sau neutron. Independența de sarcină a forțelor nucleare este vizibilă dintr-o comparație a energiilor de legare miezuri de oglindă . Așa se numesc nucleele,în care numărul total de nucleoni este același,dar numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt. De exemplu, nucleele de heliu și hidrogen greu - tritiu. Energiile de legare ale acestor nuclee sunt 7,72 MeV și 8,49 MeV.
Diferența de energii de legare nucleară, egală cu 0,77 MeV, corespunde energiei de repulsie Coulomb a doi protoni din nucleu. Presupunând că această valoare este egală cu , putem constata că distanța medie rîntre protoni din nucleu este de 1,9·10 –15 m, ceea ce este în concordanță cu raza forțelor nucleare.
Forţele nucleare au proprietatea de saturație , care se manifestă în, că un nucleon dintr-un nucleu interacţionează numai cu un număr limitat de nucleoni vecini. Acesta este motivul pentru care există o dependență liniară a energiilor de legare ale nucleelor de numărul lor de masă A. Saturația aproape completă a forțelor nucleare se realizează în particula α, care este o formațiune foarte stabilă.
Forțele nucleare depind de orientări de spin nucleonii care interacționează. Acest lucru este confirmat de natura diferită a împrăștierii neutronilor de către moleculele de orto- și parahidrogen. Într-o moleculă de ortohidrogen, spinurile ambilor protoni sunt paralele între ele, în timp ce într-o moleculă de parahidrogen sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor pe parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea pe ortohidrogen. Forțele nucleare nu sunt centrale.
Deci, hai să facem o listă proprietățile generale ale forțelor nucleare :
· rază mică de acțiune a forțelor nucleare ( R~ 1 fm);
· potențial nuclear mare U~50 MeV;
· dependența forțelor nucleare de spinurile particulelor care interacționează;
· natura tensorală a interacțiunii nucleonilor;
· forțele nucleare depind de orientarea reciprocă a spinului și a momentelor orbitale ale nucleonului (forțe spin-orbitale);
· interacțiunea nucleară are proprietatea de saturație;
· independența încărcării forțelor nucleare;
· natura de schimb a interacțiunii nucleare;
atracție între nucleoni pe distanțe mari ( r> 1 fm), se înlocuiește cu repulsie la mic ( r < 0,5 Фм).
V interacțiunea dintre nucleoni apare ca urmare a emisiei și absorbției cuantelor câmpului nuclear – π- mezonii . Ei definesc câmpul nuclear prin analogie cu câmpul electromagnetic, care apare ca o consecință a schimbului de fotoni. Interacțiunea dintre nucleoni rezultată din schimbul de cuante de masă m, duce la apariția potențialului U eu ( r):
.
Pentru a vizualiza demonstrații, faceți clic pe hyperlinkul corespunzător: