Dom » Projektovanje i proračun » Šta su nuklearne sile i koje su njihove karakteristike. Nuklearne sile

Šta su nuklearne sile i koje su njihove karakteristike. Nuklearne sile

1.3.1 . Jezgro bilo kojeg atoma ima složenu strukturu a sastoji se od čestica tzv nukleoni. Poznata su dva tipa nukleona - protona i neutrona .
Protoni - nukleoni mase 1 amu. sa pozitivnim nabojem jednakim jedinica, odnosno elementarni naboj elektrona.
Neutroni -električno neutralan nukleoni mase 1 amu.
*) Strogo govoreći, mase mirovanja protona i neutrona su nešto drugačije: m p = 1,6726. 10 -24 G, i m n = 1,67439 . 10 -24 G. O ovoj razlici će biti reči kasnije.

1.3.2. Pošto je masa jezgra praktično jednak je A, naboj jezgra je z, a mase protona i neutrona skoro jednaka Sa ovakvim idejama to treba uzeti zdravo za gotovo jezgro električno neutralnog stabilnog atoma sastoji se od z protoni i ( A - z ) neutroni. Dakle, atomski broj elementa nije ništa drugo do protonski naboj jezgra atoma, izražen u elementarnim nabojima elektrona. Drugim riječima, z - ovo je broj protona u jezgru atoma.

1.3.3 . Prisustvo protona (čestica sa električnim nabojem istog znaka) u jezgri, zbog Kulonovih sila odbijanja između njih, trebalo bi da dovede do raspršivanja nukleona. U stvarnosti se to ne dešava. Postojanje mnogih stabilnih jezgara u prirodi navodi na zaključak da postojanje između nukleona jezgara jačih od Kulombovih, nuklearne snage atrakcija, koji, savladavajući Kulonovsko odbijanje protona, povlače nukleone u stabilnu strukturu - jezgro.

1.3.4. Dimenzije atomskih jezgara, određene formulom (1.4), su reda 10 -13 cm. Otuda prvo svojstvo nuklearnih sila (za razliku od kulonskih, gravitacionih i drugih) -. kratka akcija: nuklearne sile djeluju samo na malim udaljenostima, usporedivim po redu veličine s veličinom samih nukleona.
Čak i ako se tačno ne zna kakva je materijalna formacija protona ili neutrona, može se procijeniti efektivno dimenzije kao prečnik sfere, na čijoj površini je nuklearno privlačenje dvaju susjednih protona uravnoteženo njihovim Kulonovskim odbijanjem. Eksperimenti na akceleratorima o rasejanju elektrona na jezgrima omogućili su procenu efektivnog poluprečnika nukleona Rn ≈ 1,21. 10 -13 cm.

1.3.5 . Iz kratkog djelovanja nuklearnih sila slijedi njihovo drugo svojstvo, ukratko nazvano saturation . To znači da bilo koji nukleon u jezgru ne stupa u interakciju sa svim ostalim nukleonima, već samo sa ograničenim brojem nukleona koji su njegovi neposredni susjedi.

1.3.6. Treće svojstvo nuklearnih sila - njihov ekvinocija. Budući da se pretpostavlja da su sile interakcije između nukleona oba tipa sile iste prirode, pretpostavlja se da na jednakim udaljenostima reda 10 -13 cm dva protona, dva neutrona ili proton sa neutronom međusobno djeluju isto.

1.3.7. Free proton (tj. izvan atomskih jezgara ) stabilan . Neutron ne može postojati dugo vremena u slobodnom stanju: on se raspada na proton, elektron i antineutrino sa poluživotom T 1/2 = 11,2 min. prema šemi:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antineutrino (n) - električno neutralna čestica materije sa nulta masa mirovanja.

1.3.8. Dakle, svako jezgro se razmatra u potpunosti individualizovan, ako su poznate njegove dvije glavne karakteristike - broj protona z i maseni broj A, jer razlika (A - z) određuje broj neutrona u jezgru. Individualizirana atomska jezgra se općenito nazivaju nuklidi.
Među brojnim nuklidima (a trenutno ih je poznato više od 2000 – prirodnih i vještačkih) ima i onih kod kojih je jedna od dvije spomenute karakteristike ista, a druga različite veličine.
Nuklidi sa istim z (brojem protona) se nazivaju izotopi. Pošto atomski broj određuje, u skladu sa periodičnim zakonom D.I. Mendeljejeva, samo individualnost hemijski svojstva atoma elementa, o izotopima se uvijek govori u odnosu na odgovarajući hemijski element u periodnom sistemu.
Na primjer, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U su svi izotopi uranijuma, koji ima atomski broj z = 92 u periodnom sistemu elemenata.
Izotopi bilo kog hemijskog elementa kao što vidimo , imaju jednak broj protona, ali različit broj neutrona.

Nuklidi jednake mase ( A ), ali sa različitim nabojima z se nazivaju izobare . Izobare su, za razliku od izotopa, nuklidi različitih hemijskih elemenata.
Primjeri. 11 B 5 i 11 C 4 - izobare nuklida bora i ugljenika; 7 Li 3 i 7 Be 4 - izobare litij i berilijum nuklida; 135 J 53, 135 Xe 54 i 135 Cs 55 su takođe izobare joda, ksenona i cezijuma, respektivno.

1.3.9 . Iz formule (1.4) može se procijeniti gustoća nukleona u jezgrima i gustina mase nuklearne materije. Smatrajući da je jezgro kugla poluprečnika R i sa brojem nukleona u zapremini jednakim A, nalazimo broj nukleona po jedinici zapremine jezgra kao:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p(1.21. 10 -13 A 1/3) 3 = 1.348. 10 38 nucl/cm 3,
a, pošto je masa jednog nukleona 1 amu. = 1,66056. 10 -24 G, tada se gustina nuklearne materije nalazi kao:
γ rav = Nm n = 1,348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2.238. 10 14 g/cm 3.= 223 800 000 t/cm 3
Na to ukazuje i postupak gornjeg obračuna Gustoća nuklearne materije je ista u jezgrima svih hemijskih elemenata.
Volume. po 1 nukleonu u jezgru, V i/A = 1/N = 1/1,348. 10 38 = 7.421. 10 -39 cm 3
- isto tako za sva jezgra, stoga će prosječna udaljenost između centara susjednih nukleona u bilo kojem jezgru (koja se konvencionalno može nazvati prosječnim prečnikom nukleona) biti jednaka
D n = (V i) 1/3 = (7.421. 10 -39) 1/3 = 1.951. 10 -13 cm .

1.3.10. Do sada se malo zna o gustoći protona i neutrona u jezgri atoma. Budući da su protoni, za razliku od neutrona, podložni ne samo nuklearnom i gravitacijskom privlačenju, već i kulonovskom odbijanju, može se pretpostaviti da je protonski naboj jezgra manje-više ravnomjerno raspoređen po njegovom površine.

Na kraju studija, mnogi srednjoškolci, njihovi roditelji i hiljade mladih stručnjaka suočavaju se sa teškim izborom – odabirom visokoškolske ustanove (VŠU). Prilično je teško navigirati i ne zbuniti se u raznolikosti univerziteta, instituta i fakulteta. Pročitajte recenzije studenata, nastavnika i diplomaca o univerzitetu prije nego što ih primite. Odabir prave obrazovne institucije ključ je uspjeha u vašoj budućoj karijeri!

Atomsko jezgro, koje se sastoji od određenog broja protona i neutrona, jedinstvena je cjelina zbog specifičnih sila koje djeluju između nukleona jezgra i nazivaju se nuklearna. Eksperimentalno je dokazano da nuklearne sile imaju vrlo velike vrijednosti, mnogo veće od sila elektrostatičkog odbijanja između protona. To se očituje u činjenici da je specifična energija vezivanja nukleona u jezgru mnogo veća od rada koji obavljaju Kulonove sile odbijanja. Razmotrimo glavne karakteristike nuklearnih sila.

1. Nuklearne sile su privlačne sile kratkog dometa . Pojavljuju se samo na vrlo malim udaljenostima između nukleona u jezgru od 10-15 m. Udaljenost od (1,5 – 2,2)·10-15 m naziva se radijusom djelovanja nuklearnih sila , nuklearne sile se brzo smanjuju. Na udaljenosti od reda (2-3) m, nuklearna interakcija između nukleona praktički izostaje.

2. Nuklearne snage imaju svojstvo saturation, one. svaki nukleon stupa u interakciju samo sa određenim brojem najbližih susjeda. Ova priroda nuklearnih sila očituje se u približnoj konstantnosti specifične energije vezivanja nukleona na broju naboja A>40. Zaista, da nije bilo zasićenja, tada bi se specifična energija vezivanja povećavala sa brojem nukleona u jezgru.

3. Karakteristika nuklearnih sila je i njihova naplatiti nezavisnost , tj. ne zavise od naboja nukleona, pa su nuklearne interakcije između protona i neutrona iste. Nezavisnost naboja nuklearnih sila vidljiva je iz poređenja energija vezivanja jezgra ogledala . Ovo je naziv za jezgre u kojima je ukupan broj nukleona isti, ali je broj protona u jednoj jednak broju neutrona u drugoj. Na primjer, energije vezivanja jezgara helijuma i teškog vodonika-tricijuma su 7,72 MeV i 8.49 MeV. Razlika u energijama vezivanja ovih jezgara, jednaka 0,77 MeV, odgovara energiji Kulonove odbijanja dva protona u jezgru. Uz pretpostavku da je ova vrijednost jednaka , možemo naći da je prosječna udaljenost r između protona u jezgru je 1,9·10 –15 m, što je u skladu sa radijusom djelovanja nuklearnih sila.

4. Nuklearne snage nisu centralni i zavise od međusobne orijentacije spinova nukleona u interakciji. To potvrđuje različita priroda raspršenja neutrona na molekulima orto- i paravodika. U molekulu ortovodika, spinovi oba protona su međusobno paralelni, dok su u molekulu paravodonika antiparalelni. Eksperimenti su pokazali da je raspršenje neutrona na paravodoniku 30 puta veće od raspršenja na ortovodoniku.

Složena priroda nuklearnih sila ne dozvoljava razvoj jedne, konzistentne teorije nuklearne interakcije, iako je predloženo mnogo različitih pristupa. Prema hipotezi japanskog fizičara H. Yukawe, koju je on predložio 1935. godine, nuklearne sile nastaju razmjenom - mezonima, tj. elementarne čestice čija je masa približno 7 puta manja od mase nukleona. Prema ovom modelu, nukleon u vremenu m- masa mezona) emituje mezon koji, krećući se brzinom bliskom brzini svjetlosti, prelazi udaljenost , nakon čega ga apsorbuje drugi nukleon. Zauzvrat, drugi nukleon takođe emituje mezon, koji prvi apsorbuje. U modelu H. Yukawe, stoga, udaljenost na kojoj nukleoni interaguju određena je dužinom puta mezona, što odgovara udaljenosti od oko m a po redu veličine poklapa se sa radijusom djelovanja nuklearnih sila.

Okrenimo se razmatranju interakcije razmjene između nukleona. Postoje pozitivni, negativni i neutralni mezoni. Modul naboja - ili - mezona je numerički jednak elementarnom naboju e. Masa naelektrisanih mezona je ista i jednaka je (140 MeV), masa mezona je 264 (135 MeV). Spin i naelektrisanih i neutralnih mezona je 0. Sve tri čestice su nestabilne. Životni vijek - i - mezona je 2,6 With, - mezon – 0,8·10 -16 With. Interakcija između nukleona odvija se prema jednoj od sljedećih shema:

(22.7)
1. Nukleoni razmjenjuju mezone:

U ovom slučaju, proton emituje mezon, pretvarajući se u neutron. Mezon apsorbira neutron, koji se posljedično pretvara u proton, zatim se isti proces odvija u suprotnom smjeru. Dakle, svaki od nukleona u interakciji provodi dio vremena u nabijenom, a dio u neutralnom stanju.

2. Razmjena nukleona - mezoni:

3. Nukleoni razmjenjuju mezone:

. (22.10)

Svi ovi procesi su eksperimentalno dokazani. Konkretno, prvi proces se potvrđuje kada neutronski snop prođe kroz vodonik. Pokretni protoni se pojavljuju u snopu, a odgovarajući broj praktično mirnih neutrona se detektuje u meti.

Modeli kernela. Odsustvo matematičkog zakona za nuklearne sile ne dozvoljava stvaranje jedinstvene teorije jezgra. Pokušaji stvaranja takve teorije nailaze na ozbiljne poteškoće. Evo nekih od njih:

1. Nedostatak znanja o silama koje djeluju između nukleona.

2. Ekstremna glomaznost kvantnog problema više tijela (jezgro s masenim brojem A je sistem od A tel).

Ove poteškoće nas tjeraju da krenemo putem stvaranja nuklearnih modela koji omogućuju opisivanje određenog skupa nuklearnih svojstava korištenjem relativno jednostavnih matematičkih sredstava. Nijedan od ovih modela ne može dati apsolutno tačan opis jezgra. Stoga morate koristiti nekoliko modela.

Ispod model kernela u nuklearnoj fizici razumeju skup fizičkih i matematičkih pretpostavki uz pomoć kojih je moguće izračunati karakteristike nuklearnog sistema koji se sastoji od A nukleoni. Predloženi su i razvijeni mnogi modeli različitog stepena složenosti. Razmotrit ćemo samo najpoznatije od njih.

Hidrodinamički (drip) model jezgra razvijena je 1939. N. Bohr i sovjetski naučnik J. Frenkel. Zasnovan je na pretpostavci da je, zbog velike gustine nukleona u jezgru i izuzetno jake interakcije između njih, nemoguće nezavisno kretanje pojedinačnih nukleona i da je jezgro kap nabijene tečnosti sa gustinom . Kao i kod normalne kapi tečnosti, površina jezgra može oscilirati. Ako amplituda vibracija postane dovoljno velika, dolazi do procesa nuklearne fisije. Model kapljice omogućio je dobivanje formule za energiju vezivanja nukleona u jezgri i objasnio mehanizam nekih nuklearnih reakcija. Međutim, ovaj model ne objašnjava većinu spektra ekscitacije atomskih jezgri i posebnu stabilnost nekih od njih. To je zbog činjenice da hidrodinamički model vrlo približno odražava suštinu unutrašnje strukture jezgre.

Shell model kernela 1940-1950 razvili američki fizičar M. Geppert - Mayer i njemački fizičar H. Jensen. Pretpostavlja se da se svaki nukleon kreće nezavisno od ostalih u nekom prosečnom potencijalnom polju (potencijalni bunar koji stvaraju preostali nukleoni jezgra. U okviru modela ljuske funkcija se ne izračunava, već se bira tako da se najbolje slaže sa mogu se dobiti eksperimentalni podaci.

Dubina potencijalne bušotine je obično ~ (40-50) MeV i ne zavisi od broja nukleona u jezgru. Prema kvantnoj teoriji, nukleoni u polju su na određenim diskretnim energetskim nivoima. Glavna pretpostavka kreatora modela ljuske o nezavisnom kretanju nukleona u prosečnom potencijalnom polju je u suprotnosti sa osnovnim odredbama razvijača hidrodinamičkog modela. Stoga se karakteristike jezgre, koje su dobro opisane hidrodinamičkim modelom (na primjer, vrijednost energije vezivanja), ne mogu objasniti u okviru modela ljuske, i obrnuto.

Generalizirani model kernela , razvijen 1950-1953, kombinuje glavne odredbe kreatora hidrodinamičkih i modela školjke. U generaliziranom modelu pretpostavlja se da se jezgro sastoji od unutrašnjeg stabilnog dijela - jezgra, koje formiraju nukleoni ispunjenih ljuski, i vanjskih nukleona koji se kreću u polju koje stvaraju nukleoni jezgra. S tim u vezi, kretanje jezgra opisuje se hidrodinamičkim modelom, a kretanje vanjskih nukleona modelom ljuske. Zbog interakcije sa vanjskim nukleonima, jezgro se može deformirati, a jezgro može rotirati oko ose okomite na osu deformacije. Generalizirani model je omogućio da se objasne glavne karakteristike rotacijskog i vibracionog spektra atomskih jezgri, kao i visoke vrijednosti kvadrupolnog električnog momenta nekih od njih.

Razmotrili smo glavne fenomenološke, tj. deskriptivni modeli kernela. Međutim, da bi se u potpunosti razumjela priroda nuklearnih interakcija koje određuju svojstva i strukturu jezgra, potrebno je stvoriti teoriju u kojoj bi se jezgro smatralo sistemom nukleona u interakciji.

1. Nuklearne sile su privlačne sile kratkog dometa . Pojavljuju se samo na vrlo malim udaljenostima između nukleona u jezgru od 10 – 15 m. Razmak reda (1,5 – 2,2) naziva se 10 –15 m raspon nuklearnih sila, s njegovim povećanjem, nuklearne sile se brzo smanjuju. Na udaljenosti od reda (2-3) m, nuklearna interakcija između nukleona praktički izostaje.

Složena priroda nuklearnih sila ne dozvoljava razvoj jedne, konzistentne teorije nuklearne interakcije, iako je predloženo mnogo različitih pristupa. Prema hipotezi japanskog fizičara H. Yukawe (1907-1981), koju je on predložio 1935. godine, nuklearne sile nastaju razmjenom - mezonima, tj. elementarne čestice čija je masa približno 7 puta manja od mase nukleona. Prema ovom modelu, nukleon u vremenu m- masa mezona) emituje mezon koji, krećući se brzinom bliskom brzini svjetlosti, prelazi udaljenost , nakon čega ga apsorbuje drugi nukleon. Zauzvrat, drugi nukleon takođe emituje mezon, koji prvi apsorbuje. U modelu H. Yukawe, stoga, udaljenost na kojoj nukleoni interaguju određena je dužinom puta mezona, što odgovara udaljenosti od oko m a po redu veličine poklapa se sa radijusom djelovanja nuklearnih sila.

Okrenimo se razmatranju interakcije razmjene između nukleona. Postoje pozitivni, negativni i neutralni mezoni. Modul naboja - ili - mezona je numerički jednak elementarnom naboju e . Masa naelektrisanih mezona je ista i jednaka je (140 MeV), masa mezona je 264 (135 MeV). Spin i naelektrisanih i neutralnih mezona je 0. Sve tri čestice su nestabilne. Životni vijek - i - mezona je 2,6 With, - mezon – 0,8·10 -16 With. Interakcija između nukleona odvija se prema jednoj od sljedećih shema:

1. Nukleoni razmjenjuju mezone: . (22.8)

2. Razmjena nukleona - mezoni:

3. Nukleoni razmjenjuju mezone:

, (22.10)

Modeli kernela. Ispod model kernela u nuklearnoj fizici razumeju skup fizičkih i matematičkih pretpostavki uz pomoć kojih je moguće izračunati karakteristike nuklearnog sistema koji se sastoji od A nukleoni.

Hidrodinamički (drip) model jezgra Zasniva se na pretpostavci da je, zbog velike gustine nukleona u jezgru i izuzetno jake interakcije među njima, nemoguće nezavisno kretanje pojedinačnih nukleona i da je jezgro kap nabijene tečnosti sa gustinom .

Shell model kernela Pretpostavlja se da se svaki nukleon kreće nezavisno od ostalih u nekom prosečnom potencijalnom polju (potencijalni bunar stvoren od strane preostalih nukleona jezgra.

Generalizirani model kernela, kombinuje glavne odredbe kreatora hidrodinamičkog i modela školjke. U generaliziranom modelu pretpostavlja se da se jezgro sastoji od unutrašnjeg stabilnog dijela - jezgra, koje formiraju nukleoni ispunjenih ljuski, i vanjskih nukleona koji se kreću u polju koje stvaraju nukleoni jezgra. S tim u vezi, kretanje jezgra opisuje se hidrodinamičkim modelom, a kretanje vanjskih nukleona modelom ljuske. Zbog interakcije sa vanjskim nukleonima, jezgro se može deformirati, a jezgro može rotirati oko ose okomite na osu deformacije.

26. Reakcije fisije atomskih jezgara. Nuklearna energija.

Nuklearne reakcije nazivaju se transformacije atomskih jezgri uzrokovane njihovom međusobnom interakcijom ili s drugim jezgrama ili elementarnim česticama. Prva poruka o nuklearnoj reakciji pripada E. Rutherfordu. Godine 1919. otkrio je da kada čestice prolaze kroz azot, neke od njih se apsorbuju, a protoni se istovremeno emituju. Rutherford je zaključio da su jezgra dušika pretvorena u jezgra kisika kao rezultat nuklearne reakcije oblika:

, (22.11)

gdje je − čestica; − proton (vodonik).

Važan parametar nuklearne reakcije je njen energetski prinos, koji se određuje formulom:

(22.12)

Ovdje su i sume masa ostataka čestica prije i poslije reakcije. Kada se nuklearne reakcije dešavaju uz apsorpciju energije, zato se i nazivaju endotermni, a kada - sa oslobađanjem energije. U ovom slučaju oni se nazivaju egzotermna.

U svakoj nuklearnoj reakciji uvijek je ispunjeno sljedeće: zakoni o očuvanju :

− električni naboj;

– broj nukleona;

− energija;

− impuls.

Prva dva zakona dopuštaju da se nuklearne reakcije napišu ispravno čak i u slučajevima kada je jedna od čestica uključenih u reakciju ili jedan od njenih proizvoda nepoznat. Koristeći zakone održanja energije i impulsa, moguće je odrediti kinetičke energije čestica koje nastaju tokom procesa reakcije, kao i smjerove njihovog daljnjeg kretanja.

Za karakterizaciju endotermnih reakcija uvodi se koncept granična kinetička energija , ili prag nuklearne reakcije , one. najniža kinetička energija upadne čestice (u referentnom okviru gdje jezgro cilja miruje) pri kojoj nuklearna reakcija postaje moguća. Iz zakona održanja energije i količine gibanja slijedi da se granična energija nuklearne reakcije izračunava po formuli:

. (22.13)

Ovdje je energija nuklearne reakcije (7.12); -masa stacionarnog jezgra – mete; je masa upadne čestice na jezgro.

Fisijske reakcije. Godine 1938. njemački naučnici O. Hahn i F. Strassmann otkrili su da kada se uranijum bombarduje neutronima, ponekad se pojavljuju jezgra koja su otprilike upola manja od originalnog jezgra uranijuma. Ovaj fenomen je nazvan nuklearna fisija.

Predstavlja prvu eksperimentalno uočenu reakciju nuklearne transformacije. Primjer je jedna od mogućih reakcija fisije jezgra uranijuma-235:

Proces nuklearne fisije odvija se vrlo brzo u vremenu od ~10 -12 s. Energija oslobođena tokom reakcije kao što je (22.14) je približno 200 MeV po događaju fisije jezgra uranijuma-235.

Općenito, reakcija fisije jezgra uranijuma-235 može se zapisati kao:

+neutroni . (22.15)

Mehanizam reakcije fisije može se objasniti u okviru hidrodinamičkog modela jezgra. Prema ovom modelu, kada jezgro uranijuma apsorbuje neutron, on prelazi u pobuđeno stanje (slika 22.2).

Višak energije koji jezgro prima zbog apsorpcije neutrona uzrokuje intenzivnije kretanje nukleona. Kao rezultat toga, jezgro se deformira, što dovodi do slabljenja nuklearne interakcije kratkog dometa. Ako je energija pobude jezgra veća od određene energije tzv aktivaciona energija , zatim se pod uticajem elektrostatičkog odbijanja protona jezgro cepa na dva dela, emitujući fisioni neutroni . Ako je energija pobude pri apsorpciji neutrona manja od energije aktivacije, tada jezgro ne doseže

kritičnom stadiju fisije i, nakon što emituje kvant, vraća se u glavni

U fizici, koncept "sile" označava mjeru interakcije materijalnih formacija jedna s drugom, uključujući interakciju dijelova materije (makroskopska tijela, elementarne čestice) međusobno i sa fizičkim poljima (elektromagnetnim, gravitacijskim). Ukupno su poznata četiri tipa interakcije u prirodi: jaka, slaba, elektromagnetna i gravitaciona, a svaka ima svoj tip sile. Prvi od njih odgovara nuklearnim silama koje djeluju unutar atomskih jezgara.

Šta ujedinjuje jezgra?

Opšte je poznato da je jezgro atoma sićušno, čija je veličina četiri do pet redova veličine manja od veličine samog atoma. Ovo postavlja očigledno pitanje: zašto je tako mali? Uostalom, atomi, napravljeni od sićušnih čestica, i dalje su mnogo veći od čestica koje sadrže.

Nasuprot tome, jezgre se po veličini ne razlikuju mnogo od nukleona (protona i neutrona) od kojih su napravljene. Postoji li razlog za to ili je to slučajnost?

U međuvremenu, poznato je da električne sile drže negativno nabijene elektrone u blizini atomskih jezgara. Koja sila ili sile drže čestice jezgra zajedno? Ovaj zadatak obavljaju nuklearne sile, koje su mjera jakih interakcija.

Jaka nuklearna sila

Kad bi u prirodi postojale samo gravitacijske i električne sile, tj. sa kojima se susrećemo u svakodnevnom životu, tada bi atomska jezgra, koja se često sastoje od mnogo pozitivno nabijenih protona, bila nestabilna: električne sile koje guraju protone jedni od drugih bile bi milione puta jače od bilo koje gravitacijske sile koje ih privlače zajedno do prijatelja. . Nuklearne sile pružaju privlačenje čak jače od električnog odbijanja, iako se u strukturi jezgra manifestuje samo senka njihove prave veličine. Kada proučavamo strukturu samih protona i neutrona, vidimo prave mogućnosti onoga što je poznato kao jaka nuklearna sila. Nuklearne sile su njegova manifestacija.

Slika iznad pokazuje da su dvije suprotstavljene sile u jezgri električno odbijanje između pozitivno nabijenih protona i nuklearne sile, koja privlači protone (i neutrone) zajedno. Ako se broj protona i neutrona ne razlikuje previše, onda su druge sile superiornije od prve.

Protoni su analozi atoma, a jezgra analozi molekula?

Između kojih čestica djeluju nuklearne sile? Prije svega, između nukleona (protona i neutrona) u jezgri. Konačno, oni također djeluju između čestica (kvarkova, gluona, antikvarkova) unutar protona ili neutrona. Ovo nije iznenađujuće kada shvatimo da su protoni i neutroni suštinski složeni.

U atomu su sićušna jezgra i još manji elektroni relativno udaljeni u odnosu na njihovu veličinu, a električne sile koje ih drže zajedno u atomu su prilično jednostavne. Ali u molekulima, udaljenost između atoma je uporediva s veličinom atoma, tako da unutrašnja složenost potonjih dolazi u igru. Raznovrsna i složena situacija uzrokovana djelomičnom kompenzacijom unutaratomskih električnih sila dovodi do procesa u kojima se elektroni zapravo mogu kretati od jednog atoma do drugog. To čini fiziku molekula mnogo bogatijom i složenijom od fizike atoma. Isto tako, udaljenost između protona i neutrona u jezgri je usporediva s njihovom veličinom - i baš kao i kod molekula, svojstva nuklearnih sila koje drže jezgre zajedno su mnogo složenije od jednostavnog privlačenja protona i neutrona.

Nema jezgra bez neutrona, osim vodonika

Poznato je da su jezgra nekih hemijskih elemenata stabilna, dok se kod drugih neprekidno raspadaju, a raspon brzina ovog raspada je veoma širok. Zašto sile koje drže nukleone u jezgrima prestaju da djeluju? Hajde da vidimo šta možemo naučiti iz jednostavnih razmatranja o svojstvima nuklearnih sila.

Jedna je da sve jezgre, osim najčešćeg izotopa vodika (koji ima samo jedan proton), sadrže neutrone; to jest, ne postoji jezgro sa nekoliko protona koji ne sadrže neutrone (vidi sliku ispod). Dakle, jasno je da neutroni igraju važnu ulogu u pomaganju protonima da se drže zajedno.

Na sl. Iznad su prikazana svjetlosno stabilna ili skoro stabilna jezgra zajedno s neutronom. Potonji, poput tricijuma, prikazani su isprekidanom linijom, što ukazuje da se na kraju raspadaju. Druge kombinacije s malim brojem protona i neutrona uopće ne formiraju jezgro ili formiraju izuzetno nestabilna jezgra. U kurzivu su također prikazana alternativna imena koja se često daju nekim od ovih objekata; Na primjer, jezgro helijuma-4 često se naziva α čestica, ime koje joj je dato kada je prvobitno otkriveno u ranim studijama radioaktivnosti 1890-ih.

Neutroni kao pastiri protona

Naprotiv, ne postoji jezgro sačinjeno samo od neutrona bez protona; većina lakih jezgara, kao što su kiseonik i silicijum, ima približno isti broj neutrona i protona (slika 2). Velika jezgra velike mase, poput zlata i radijuma, imaju nešto više neutrona nego protona.

Ovo govori dvije stvari:

1. Ne samo da su neutroni potrebni da bi protoni ostali zajedno, već su protoni potrebni i da bi neutroni ostali zajedno.

2. Ako broj protona i neutrona postane vrlo velik, tada se električna odbojnost protona mora kompenzirati dodavanjem nekoliko dodatnih neutrona.

Posljednja izjava je ilustrovana na donjoj slici.

Slika iznad prikazuje stabilne i skoro stabilne atomske jezgre u funkciji P (broja protona) i N (broja neutrona). Linija prikazana crnim tačkama označava stabilna jezgra. Svaki pomak gore ili dole od crne linije znači smanjenje života jezgara - u blizini nje život jezgara je milionima godina ili više, kako se krećete dalje u plava, smeđa ili žuta područja (različite boje odgovaraju različitim mehanizama nuklearnog raspada), njihov životni vijek postaje sve kraći i kraći, do djelića sekunde.

Imajte na umu da stabilna jezgra imaju P i N približno jednake za male P i N, ali N postepeno postaje veći od P za faktor više od jedan i po. Imajte na umu da grupa stabilnih i dugovječnih nestabilnih jezgara ostaje u prilično uskom pojasu za sve vrijednosti P do 82. Pri većim brojevima, poznata jezgra su u principu nestabilna (iako mogu postojati milionima godina ). Očigledno, gore spomenuti mehanizam za stabilizaciju protona u jezgrima dodavanjem neutrona u ovo područje nije 100% efikasan.

Kako veličina atoma ovisi o masi njegovih elektrona?

Kako razmatrane sile utiču na strukturu atomskog jezgra? Nuklearne sile prvenstveno utiču na njegovu veličinu. Zašto su jezgra tako mala u poređenju sa atomima? Da saznamo, počnimo s najjednostavnijim jezgrom, koje ima i proton i neutron: to je drugi najčešći izotop vodika, atom koji sadrži jedan elektron (kao i svi izotopi vodika) i jezgro od jednog protona i jednog neutrona . Ovaj izotop se često naziva "deuterijum", a njegovo jezgro (vidi sliku 2) se ponekad naziva "deuteron". Kako možemo objasniti šta drži deuteron zajedno? Pa, možete zamisliti da se ne razlikuje toliko od običnog atoma vodika, koji također sadrži dvije čestice (proton i elektron).

Na sl. Gore je prikazano da su u atomu vodika jezgro i elektron veoma udaljeni, u smislu da je atom mnogo veći od jezgra (a elektron je još manji.) Ali u deuteronu, udaljenost između protona a neutron je uporediv sa njihovim veličinama. Ovo dijelom objašnjava zašto su nuklearne sile mnogo složenije od sila u atomu.

Poznato je da elektroni imaju malu masu u odnosu na protone i neutrone. Iz toga slijedi

masa atoma je u suštini bliska masi njegovog jezgra,
veličina atoma (u suštini veličina elektronskog oblaka) je obrnuto proporcionalna masi elektrona i obrnuto proporcionalna ukupnoj elektromagnetskoj sili; Princip nesigurnosti kvantne mehanike igra odlučujuću ulogu.

Što ako su nuklearne sile slične elektromagnetnim?

Šta je sa deuteronom? I njega, kao i atom, čine dva objekta, ali su gotovo iste mase (mase neutrona i protona razlikuju se samo za jedan dio u 1500), pa su obje čestice podjednako važne u određivanju mase deuterona. i njegovu veličinu. Pretpostavimo sada da nuklearna sila vuče proton prema neutronu na isti način kao i elektromagnetne sile (ovo nije baš tačno, ali zamislite na trenutak); a zatim, po analogiji sa vodonikom, očekujemo da veličina deuterona bude obrnuto proporcionalna masi protona ili neutrona, i obrnuto proporcionalna veličini nuklearne sile. Ako bi njegova veličina bila ista (na određenoj udaljenosti) kao elektromagnetna sila, onda bi to značilo da, budući da je proton oko 1850 puta teži od elektrona, onda deuteron (i zaista bilo koje jezgro) mora biti najmanje hiljadu puta manji od vodonika.

Šta daje uzimanje u obzir značajne razlike između nuklearnih i elektromagnetnih sila?

Ali već smo pretpostavili da je nuklearna sila mnogo veća od elektromagnetne sile (na istoj udaljenosti), jer da nije tako, ne bi mogla spriječiti elektromagnetno odbijanje između protona sve dok se jezgro ne raspadne. Tako se proton i neutron pod njegovim uticajem spajaju još čvršće. I stoga nije iznenađujuće da deuteron i druga jezgra nisu samo hiljadu, već sto hiljada puta manji od atoma! Opet, ovo je samo zato

protoni i neutroni su skoro 2000 puta teži od elektrona,
na ovim udaljenostima, velika nuklearna sila između protona i neutrona u jezgri je mnogo puta veća od odgovarajućih elektromagnetskih sila (uključujući elektromagnetsko odbijanje između protona u jezgri).

Ovo naivno nagađanje daje otprilike tačan odgovor! Ali to ne odražava u potpunosti složenost interakcije između protona i neutrona. Jedan očigledan problem je da bi se sila slična elektromagnetskoj sili, ali sa većom privlačnom ili odbojnom snagom, očito trebala manifestirati u svakodnevnom životu, ali mi ne opažamo ništa slično. Dakle, nešto u vezi ove sile mora biti drugačije od električnih sila.

Kratak domet nuklearne sile

Ono po čemu se razlikuju je to što su nuklearne sile koje sprečavaju raspad atomskog jezgra vrlo važne i jake za protone i neutrone koji su na vrlo maloj udaljenosti jedan od drugog, ali na određenoj udaljenosti (tzv. sila), padaju vrlo brzo, mnogo brže od elektromagnetnih. Ispostavilo se da opseg može biti i veličine umjereno velikog jezgra, samo nekoliko puta većeg od protona. Ako postavite proton i neutron na udaljenost koja je uporediva sa ovim rasponom, oni će se privući jedan drugog i formirati deuteron; ako su razdvojeni većim rastojanjem, teško da će osjetiti bilo kakvu privlačnost. U stvari, ako su postavljeni preblizu do tačke u kojoj se počnu preklapati, zapravo će se odbijati. Ovo otkriva složenost takvog koncepta kao što su nuklearne sile. Fizika se nastavlja kontinuirano razvijati u pravcu objašnjavanja mehanizma njihovog djelovanja.

Fizički mehanizam nuklearne interakcije

Svaki materijalni proces, uključujući interakciju između nukleona, mora imati materijalne nosioce. Oni su kvanti nuklearnog polja - pi-mezoni (pioni), zbog čije razmjene nastaje privlačenje između nukleona.

Prema principima kvantne mehanike, pi-mezoni, koji se stalno pojavljuju i odmah nestaju, formiraju nešto poput oblaka oko "golog" nukleona, nazvanog mezonski omotač (sjetite se elektronskih oblaka u atomima). Kada se dva nukleona okružena ovakvim omotačem nađu na udaljenosti od oko 10 -15 m, dolazi do izmjene piona, slična razmjeni valentnih elektrona u atomima prilikom formiranja molekula, a između nukleona nastaje privlačenje.

Ako razmaci između nukleona postanu manji od 0,7∙10 -15 m, tada počinju da razmjenjuju nove čestice - tzv. ω i ρ-mezoni, zbog čega između nukleona ne dolazi do privlačenja, nego do odbijanja.

Nuklearne sile: struktura jezgra od najjednostavnije do najveće

Sumirajući sve navedeno, možemo napomenuti:

jaka nuklearna sila je mnogo, mnogo slabija od elektromagnetizma na udaljenostima mnogo većim od veličine tipičnog jezgra, tako da je ne susrećemo u svakodnevnom životu; Ali
na kratkim udaljenostima uporedivim s jezgrom, postaje mnogo jača - privlačna sila (pod uvjetom da udaljenost nije prekratka) može savladati električno odbijanje između protona.

Dakle, ova sila je važna samo na udaljenostima uporedivim s veličinom jezgra. Slika ispod pokazuje njegovu ovisnost o udaljenosti između nukleona.

Velika jezgra drži zajedno manje-više ista sila koja drži deuteron zajedno, ali detalji procesa su toliko složeni da ih nije lako opisati. Oni takođe nisu u potpunosti shvaćeni. Iako su osnovni obrisi nuklearne fizike bili dobro shvaćeni decenijama, mnogi važni detalji se još uvijek aktivno istražuju.

Nuklearna interakcija ukazuje da u jezgrima postoje posebne nuklearne snage , koji se ne svodi ni na jednu od vrsta sila poznatih u klasičnoj fizici (gravitacijske i elektromagnetne).

Nuklearne sile su kratkog djelovanja snage. Pojavljuju se samo na vrlo malim razmacima između nukleona u jezgru od 10 –15 m. Dužina (1,5 – 2,2) se naziva 10 –15 m raspon nuklearnih sila.

Nuklearne sile otkrivaju naplatiti nezavisnost : Privlačenje između dva nukleona je isto bez obzira na stanje naelektrisanja nukleona - protona ili neutrona. Nezavisnost naboja nuklearnih sila vidljiva je iz poređenja energija vezivanja jezgra ogledala . Tako se zovu jezgra,u kojoj je ukupan broj nukleona isti,ali je broj protona u jednom jednak broju neutrona u drugom. Na primjer, jezgra helijuma i teškog vodonika - tricijum. Energije vezivanja ovih jezgara su 7,72 MeV i 8,49 MeV.

Razlika u energijama nuklearnog vezivanja, jednaka 0,77 MeV, odgovara Kulombovoj energiji odbijanja dva protona u jezgru. Uz pretpostavku da je ova vrijednost jednaka , možemo naći da je prosječna udaljenost r između protona u jezgru je 1,9·10 –15 m, što je u skladu sa radijusom nuklearnih sila.

Nuklearne snage imaju svojstvo zasićenja , koji se manifestuje u, da nukleon u jezgru komunicira samo sa ograničenim brojem susjednih nukleona. Zbog toga postoji linearna zavisnost energija vezivanja jezgara od njihovog masenog broja A. U α-čestici, koja je vrlo stabilna formacija, postiže se gotovo potpuno zasićenje nuklearnih sila.

Nuklearne sile zavise od spin orijentacije nukleoni u interakciji. To potvrđuje različita priroda raspršenja neutrona na molekulima orto- i paravodika. U molekulu ortovodika, spinovi oba protona su međusobno paralelni, dok su u molekulu paravodonika antiparalelni. Eksperimenti su pokazali da je raspršenje neutrona na paravodoniku 30 puta veće od raspršenja na ortovodoniku. Nuklearne snage nisu centralne.

Pa, hajde da navedemo opšta svojstva nuklearnih sila :

· mali radijus djelovanja nuklearnih sila ( R~ 1 fm);

· veliki nuklearni potencijal U~50 MeV;

· zavisnost nuklearnih sila od spinova interakcijskih čestica;

· tenzorska priroda interakcije nukleona;

· nuklearne sile zavise od međusobne orijentacije spinskih i orbitalnih momenata nukleona (spin-orbitalne sile);

· nuklearna interakcija ima svojstvo zasićenja;

· nezavisnost naboja nuklearnih snaga;

· razmjenska priroda nuklearne interakcije;

privlačenje između nukleona na velikim udaljenostima ( r> 1 fm), zamjenjuje se odbijanjem pri malom ( r < 0,5 Фм).

V interakcija između nukleona nastaje kao rezultat emisije i apsorpcije kvanta nuklearnog polja – π- mezoni . Oni definiraju nuklearno polje po analogiji s elektromagnetnim poljem, koje nastaje kao posljedica razmjene fotona. Interakcija između nukleona koja je rezultat razmjene masenih kvanta m, dovodi do pojave potencijala U ja ( r):

Da pogledate demo, kliknite na odgovarajuću hipervezu:

Podijeli: