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Cosa sono le forze nucleari e quali sono le loro caratteristiche. Forze nucleari

1.3.1 . Il nucleo di qualsiasi atomo ha una struttura complessa ed è costituito da particelle chiamate nucleoni. Sono noti due tipi di nucleoni: protoni e neutroni .
Protoni - nucleoni con una massa di 1 amu. con carica positiva pari a unità, cioè la carica elementare dell'elettrone.
Neutroni -elettricamente neutro nucleoni con una massa di 1 amu.
*) A rigor di termini, le masse a riposo dei protoni e dei neutroni sono leggermente diverse: mp = 1,6726. 10-24 G e m n = 1.67439 . 10-24 G. Questa differenza verrà discussa più avanti.

1.3.2. Dalla massa del nucleo in praticaè uguale ad A, la carica del nucleo è z, e le masse del protone e del neutrone quasi uguale Con tali idee dovrebbe essere dato per scontato è costituito dal nucleo di un atomo elettricamente neutro stabile z protoni e ( UN - z ) neutroni. Pertanto, il numero atomico di un elemento non è altro che carica protonica del nucleo di un atomo, espressa in cariche elementari di un elettrone. In altre parole, z - questo è il numero protoni nel nucleo di un atomo.

1.3.3 . La presenza di protoni (particelle con carica elettrica dello stesso segno) nel nucleo, a causa delle forze di repulsione di Coulomb tra di loro, dovrebbe portare alla dispersione dei nucleoni. In realtà questo non accade. L'esistenza di molti nuclei stabili in natura porta alla conclusione che l’esistenza tra nucleoni di nuclei più potenti di quelli di Coulomb, forze nucleari attrazione, che, superando la repulsione coulombiana dei protoni, trascina i nucleoni in una struttura stabile: il nucleo.

1.3.4. Le dimensioni dei nuclei atomici, determinate dalla formula (1.4), sono dell'ordine di 10 -13 cm Da qui la prima proprietà delle forze nucleari (a differenza di Coulomb, gravitazionale e altre) -. azione breve: le forze nucleari agiscono solo a piccole distanze, paragonabili in ordine di grandezza alla dimensione dei nucleoni stessi.
Anche senza sapere esattamente quale tipo di formazione materiale sia un protone o un neutrone, è possibile stimarli efficace dimensioni come il diametro di una sfera, sulla cui superficie l'attrazione nucleare di due protoni vicini è bilanciata dalla loro repulsione coulombiana. Esperimenti presso acceleratori sulla diffusione degli elettroni da parte dei nuclei hanno permesso di stimare il raggio effettivo del nucleone Rн ≈ 1,21. 10-13 cm.

1.3.5 . Dalla breve azione delle forze nucleari segue la loro seconda proprietà, brevemente chiamata saturazione . Significa che qualsiasi nucleone nel nucleo non interagisce con tutti gli altri nucleoni, ma solo con un numero limitato di nucleoni che sono i suoi immediati vicini.

1.3.6. La terza proprietà delle forze nucleari - loro equinozio. Poiché si assume che le forze di interazione tra nucleoni di entrambi i tipi siano forze della stessa natura, si postula quindi che a distanze uguali dell'ordine di 10 -13 cm due protoni, due neutroni o un protone con un neutrone interagiscono lo stesso.

1.3.7. Protone libero (cioè al di fuori dei nuclei atomici ) stabile . Un neutrone non può esistere a lungo in uno stato libero: subisce un decadimento in un protone, un elettrone e antineutrino con un'emivita T 1/2 = 11,2 min. secondo lo schema:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antineutrino (n) - particella di materia elettricamente neutra con massa a riposo nulla.

1.3.8. Quindi, qualsiasi nucleo è considerato completamente individualizzato, se le sue due caratteristiche principali sono note: il numero di protoni z e il numero di massa A, poiché la differenza (A - z) determina il numero di neutroni nel nucleo. I nuclei atomici individualizzati sono generalmente chiamati nuclidi.
Tra i tanti nuclidi (e attualmente se ne conoscono più di 2000 – naturali e artificiali) ci sono quelli in cui una delle due caratteristiche menzionate è la stessa, e l'altra è di dimensioni diverse.
Vengono chiamati nuclidi con lo stesso z (numero di protoni). isotopi. Poiché il numero atomico determina, secondo la legge periodica di D.I. Mendeleev, solo l'individualità chimico proprietà dell'atomo di un elemento, si parla sempre di isotopi con riferimento all'elemento chimico corrispondente nella tavola periodica.
Ad esempio, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U sono tutti isotopi dell'uranio, che ha numero atomico z = 92 nella tavola periodica degli elementi.
Isotopi qualsiasi elemento chimico come vediamo , hanno lo stesso numero di protoni, ma un diverso numero di neutroni.

Nuclidi di uguale massa ( UN ), ma con cariche diverse z sono chiamate isobare . Gli isobari, a differenza degli isotopi, sono nuclidi di vari elementi chimici.
Esempi. 11 B 5 e 11 C 4 - isobari di boro e nuclidi di carbonio; 7 Li 3 e 7 Be 4 - isobari dei nuclidi di litio e berillio; Anche 135 J 53, 135 Xe 54 e 135 Cs 55 sono isobari di iodio, xeno e cesio, rispettivamente.

1.3.9 . Dalla formula (1.4) si può stimare la densità dei nucleoni nei nuclei e la densità di massa della materia nucleare. Considerando il nucleo una sfera di raggio R e con il numero di nucleoni nel suo volume pari ad A, troviamo il numero di nucleoni per unità di volume del nucleo come:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p(1.21.10 -13 A 1/3) 3 = 1.348. 10 38 nucleo/cm 3,
a, poiché la massa di un nucleone è 1 amu. = 1,66056. 10-24 G, allora la densità della materia nucleare risulta essere:
γ rav = Nm n = 1.348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2.238. 1014 g/cm3.= 223 800 000 t/cm 3
La procedura del calcolo di cui sopra lo indica La densità della materia nucleare è la stessa nei nuclei di tutti gli elementi chimici.
Volume. per 1 nucleone nel nucleo, V i/A = 1/N = 1/1.348. 10 38 = 7.421. 10-39 cm3
- lo stesso per tutti i core, pertanto, la distanza media tra i centri dei nucleoni vicini in qualsiasi nucleo (che può essere convenzionalmente chiamato diametro medio di un nucleone) sarà uguale a
D n = (V i) 1/3 = (7.421.10 -39) 1/3 = 1.951. 10-13 cm .

1.3.10. Finora si sa poco sulla densità dei protoni e dei neutroni nel nucleo di un atomo. Poiché i protoni, a differenza dei neutroni, sono soggetti non solo all'attrazione nucleare e gravitazionale, ma anche alla repulsione di Coulomb, si può presumere che la carica protonica del nucleo sia distribuita più o meno uniformemente sui suoi superfici.

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Un nucleo atomico, costituito da un certo numero di protoni e neutroni, è un tutt'uno a causa di specifiche forze che agiscono tra i nucleoni del nucleo e sono chiamate nucleare.È stato dimostrato sperimentalmente che le forze nucleari hanno valori molto grandi, molto maggiori delle forze di repulsione elettrostatica tra protoni. Ciò si manifesta nel fatto che l'energia di legame specifica dei nucleoni nel nucleo è molto maggiore del lavoro svolto dalle forze di repulsione di Coulomb. Consideriamo le caratteristiche principali delle forze nucleari.

1. Le forze nucleari lo sono forze attrattive a corto raggio . Appaiono solo a distanze molto piccole tra i nucleoni nel nucleo dell'ordine di 10–15 m. Una distanza dell'ordine di (1,5 – 2,2)·10–15 m è chiamata raggio di azione delle forze nucleari con il suo aumento , le forze nucleari diminuiscono rapidamente. A una distanza dell'ordine di (2-3) m, l'interazione nucleare tra i nucleoni è praticamente assente.

2. Le forze nucleari ne hanno la proprietà saturazione, quelli. ogni nucleone interagisce solo con un certo numero di vicini più prossimi. Questa natura delle forze nucleari si manifesta nella costanza approssimativa dell'energia di legame specifica dei nucleoni al numero di carica UN>40. Infatti, se non ci fosse saturazione, allora l’energia specifica di legame aumenterebbe con il numero di nucleoni nel nucleo.

3. Una caratteristica delle forze nucleari è anche la loro indipendenza di carica , cioè. non dipendono dalla carica dei nucleoni, quindi le interazioni nucleari tra protoni e neutroni sono le stesse. L'indipendenza dalla carica delle forze nucleari è visibile da un confronto delle energie di legame nuclei di specchi . Questo è il nome dato ai nuclei in cui il numero totale di nucleoni è lo stesso, ma il numero di protoni in uno è uguale al numero di neutroni nell'altro. Ad esempio, le energie di legame dei nuclei di elio e idrogeno pesante – trizio sono rispettivamente 7,72 MeV e 8.49 MeV. La differenza nelle energie di legame di questi nuclei, pari a 0,77 MeV, corrisponde all'energia della repulsione coulombiana di due protoni nel nucleo. Supponendo che questo valore sia uguale a , possiamo trovare che la distanza media R tra i protoni nel nucleo è 1,9·10 –15 m, che è coerente con il raggio di azione delle forze nucleari.

4. Forze nucleari non sono centrali e dipendono dall'orientamento reciproco degli spin dei nucleoni interagenti. Ciò è confermato dalla diversa natura dello scattering dei neutroni da parte delle molecole orto e paraidrogeno. In una molecola di ortoidrogeno, gli spin di entrambi i protoni sono paralleli tra loro, mentre in una molecola di paraidrogeno sono antiparalleli. Gli esperimenti hanno dimostrato che la diffusione dei neutroni sul paraidrogeno è 30 volte maggiore della diffusione sull'ortoidrogeno.

La natura complessa delle forze nucleari non consente lo sviluppo di un'unica teoria coerente dell'interazione nucleare, sebbene siano stati proposti molti approcci diversi. Secondo l'ipotesi del fisico giapponese H. Yukawa, proposta nel 1935, le forze nucleari sono causate da mesoni di scambio, ad es. particelle elementari la cui massa è circa 7 volte inferiore alla massa dei nucleoni. Secondo questo modello, un nucleone nel tempo M- massa del mesone) emette un mesone che, muovendosi ad una velocità prossima a quella della luce, copre una distanza , dopo di che viene assorbito dal secondo nucleone. A sua volta anche il secondo nucleone emette un mesone, che viene assorbito dal primo. Nel modello di H. Yukawa, quindi, la distanza alla quale interagiscono i nucleoni è determinata dalla lunghezza del percorso del mesone, che corrisponde ad una distanza di circa M e in ordine di grandezza coincide con il raggio d'azione delle forze nucleari.

Passiamo alla considerazione dell'interazione di scambio tra nucleoni. Esistono mesoni positivi, negativi e neutri. Il modulo di carica - o - dei mesoni è numericamente uguale alla carica elementare e. La massa dei mesoni carichi è la stessa e pari a (140 MeV), la massa del mesone è 264 (135 MeV). Lo spin sia dei mesoni carichi che di quelli neutri è 0. Tutte e tre le particelle sono instabili. La durata dei mesoni - e - è 2,6 Con, - mesone – 0,8·10 -16 Con. L'interazione tra nucleoni viene effettuata secondo uno dei seguenti schemi:

(22.7)
1. I nucleoni si scambiano mesoni:

In questo caso, il protone emette un mesone, trasformandosi in un neutrone. Il mesone viene assorbito da un neutrone, che di conseguenza si trasforma in un protone, poi avviene lo stesso processo nella direzione opposta. Pertanto, ciascuno dei nucleoni interagenti trascorre parte del tempo in uno stato carico e parte in uno stato neutro.

2. I nucleoni si scambiano mesoni:

3. I nucleoni si scambiano mesoni:

. (22.10)

Tutti questi processi sono stati dimostrati sperimentalmente. In particolare, il primo processo viene confermato quando un fascio di neutroni attraversa l'idrogeno. Nel fascio compaiono protoni in movimento e nel bersaglio viene rilevato un numero corrispondente di neutroni praticamente a riposo.

Modelli di kernel. L'assenza di una legge matematica per le forze nucleari non consente la creazione di una teoria unificata del nucleo. I tentativi di creare una tale teoria incontrano serie difficoltà. Ecco qui alcuni di loro:

1. Mancanza di conoscenza delle forze che agiscono tra i nucleoni.

2. L'estrema complessità del problema quantistico a molti corpi (un nucleo con un numero di massa UNè un sistema di UN telefono).

Queste difficoltà ci costringono a intraprendere la strada della creazione di modelli nucleari che consentano di descrivere un certo insieme di proprietà nucleari utilizzando mezzi matematici relativamente semplici. Nessuno di questi modelli può fornire una descrizione assolutamente accurata del nucleo. Pertanto, è necessario utilizzare diversi modelli.

Sotto modello del kernel nella fisica nucleare comprendono un insieme di presupposti fisici e matematici con l'aiuto dei quali è possibile calcolare le caratteristiche di un sistema nucleare costituito da UN nucleoni. Sono stati proposti e sviluppati molti modelli di vari gradi di complessità. Considereremo solo i più famosi.

Modello idrodinamico (a goccia) del nucleoè stato sviluppato nel 1939. N. Bohr e lo scienziato sovietico J. Frenkel. Si basa sul presupposto che, a causa dell'elevata densità dei nucleoni nel nucleo e dell'interazione estremamente forte tra loro, il movimento indipendente dei singoli nucleoni è impossibile e il nucleo è una goccia di liquido carico con densità . Come con una normale goccia di liquido, la superficie del nucleo può oscillare. Se l'ampiezza delle vibrazioni diventa sufficientemente grande, si verifica il processo di fissione nucleare. Il modello delle goccioline ha permesso di ottenere una formula per l'energia di legame dei nucleoni nel nucleo e ha spiegato il meccanismo di alcune reazioni nucleari. Tuttavia, questo modello non spiega la maggior parte degli spettri di eccitazione dei nuclei atomici e la particolare stabilità di alcuni di essi. Ciò è dovuto al fatto che il modello idrodinamico riflette in modo molto approssimativo l'essenza della struttura interna del nucleo.

Modello di shell del kernel sviluppato nel 1940-1950 dal fisico americano M. Geppert - Mayer e dal fisico tedesco H. Jensen. Si presuppone che ciascun nucleone si muova indipendentemente dagli altri in un campo potenziale medio (pozzo potenziale creato dai restanti nucleoni del nucleo). Nell'ambito del modello a guscio, la funzione non viene calcolata, ma viene selezionata in modo tale che il miglior accordo con si possono ottenere dati sperimentali.

La profondità del pozzo potenziale è solitamente ~ (40-50) MeV e non dipende dal numero di nucleoni nel nucleo. Secondo la teoria quantistica, i nucleoni in un campo si trovano a determinati livelli energetici discreti. L'ipotesi principale dei creatori del modello a guscio sul movimento indipendente dei nucleoni in un campo potenziale medio è in conflitto con le disposizioni di base degli sviluppatori del modello idrodinamico. Pertanto, le caratteristiche del nucleo, che sono ben descritte dal modello idrodinamico (ad esempio, il valore dell'energia di legame), non possono essere spiegate nell'ambito del modello a guscio, e viceversa.

Modello del kernel generalizzato , sviluppato nel 1950-1953, combina le principali disposizioni dei creatori dei modelli idrodinamici e a conchiglia. Nel modello generalizzato, si presume che il nucleo sia costituito da una parte interna stabile: il nucleo, formato dai nucleoni dei gusci pieni, e dai nucleoni esterni che si muovono nel campo creato dai nucleoni del nucleo. A questo proposito, il movimento del nucleo è descritto da un modello idrodinamico e il movimento dei nucleoni esterni da un modello a guscio. A causa dell'interazione con i nucleoni esterni, il nucleo può deformarsi e ruotare attorno ad un asse perpendicolare all'asse di deformazione. Il modello generalizzato ha permesso di spiegare le principali caratteristiche degli spettri rotazionali e vibrazionali dei nuclei atomici, nonché gli elevati valori del momento elettrico quadrupolare di alcuni di essi.

Abbiamo considerato i principali fenomenologici, vale a dire modelli descrittivi e kernel. Tuttavia, per comprendere appieno la natura delle interazioni nucleari che determinano le proprietà e la struttura del nucleo, è necessario creare una teoria in cui il nucleo venga considerato come un sistema di nucleoni interagenti.

Un nucleo atomico, costituito da un certo numero di protoni e neutroni, è un tutt'uno a causa di specifiche forze che agiscono tra i nucleoni del nucleo e sono chiamate nucleare.È stato dimostrato sperimentalmente che le forze nucleari hanno valori molto grandi, molto maggiori delle forze di repulsione elettrostatica tra protoni. Ciò si manifesta nel fatto che l'energia di legame specifica dei nucleoni nel nucleo è molto maggiore del lavoro svolto dalle forze di repulsione di Coulomb. Diamo un'occhiata al principale Caratteristiche delle forze nucleari.

1. Le forze nucleari lo sono forze attrattive a corto raggio . Appaiono solo a distanze molto piccole tra i nucleoni nel nucleo dell'ordine di 10 –15 m. Viene chiamata una distanza dell'ordine di (1,5 – 2,2) 10 –15 m gamma di forze nucleari, con il suo aumento, le forze nucleari diminuiscono rapidamente. A una distanza dell'ordine di (2-3) m, l'interazione nucleare tra i nucleoni è praticamente assente.

La natura complessa delle forze nucleari non consente lo sviluppo di un'unica teoria coerente dell'interazione nucleare, sebbene siano stati proposti molti approcci diversi. Secondo l'ipotesi del fisico giapponese H. Yukawa (1907-1981), proposta nel 1935, le forze nucleari sono causate da mesoni di scambio, cioè particelle elementari la cui massa è circa 7 volte inferiore alla massa dei nucleoni. Secondo questo modello, un nucleone nel tempo M- massa del mesone) emette un mesone che, muovendosi ad una velocità prossima a quella della luce, copre una distanza , dopo di che viene assorbito dal secondo nucleone. A sua volta anche il secondo nucleone emette un mesone, che viene assorbito dal primo. Nel modello di H. Yukawa, quindi, la distanza alla quale interagiscono i nucleoni è determinata dalla lunghezza del percorso del mesone, che corrisponde ad una distanza di circa M e in ordine di grandezza coincide con il raggio d'azione delle forze nucleari.

Passiamo alla considerazione dell'interazione di scambio tra nucleoni. Esistono mesoni positivi, negativi e neutri. Il modulo di carica - o - dei mesoni è numericamente uguale alla carica elementare e . La massa dei mesoni carichi è la stessa e pari a (140 MeV), la massa del mesone è 264 (135 MeV). Lo spin sia dei mesoni carichi che di quelli neutri è 0. Tutte e tre le particelle sono instabili. La durata dei mesoni - e - è 2,6 Con, - mesone – 0,8·10 -16 Con. L'interazione tra nucleoni viene effettuata secondo uno dei seguenti schemi:

1. I nucleoni scambiano mesoni: . (22.8)

2. I nucleoni si scambiano mesoni:

3. I nucleoni si scambiano mesoni:

, (22.10)

Modelli di kernel. Sotto modello del kernel nella fisica nucleare comprendono un insieme di presupposti fisici e matematici con l'aiuto dei quali è possibile calcolare le caratteristiche di un sistema nucleare costituito da UN nucleoni.

Modello idrodinamico (a goccia) del nucleo Si basa sul presupposto che, a causa dell'elevata densità dei nucleoni nel nucleo e dell'interazione estremamente forte tra loro, il movimento indipendente dei singoli nucleoni è impossibile e il nucleo è una goccia di liquido carico con la densità .

Modello di shell del kernel Si presuppone che ciascun nucleone si muova indipendentemente dagli altri in un campo potenziale medio (pozzo di potenziale creato dai rimanenti nucleoni del nucleo.

Modello del kernel generalizzato, combina le principali disposizioni degli ideatori dei modelli idrodinamici e a conchiglia. Nel modello generalizzato, si presume che il nucleo sia costituito da una parte interna stabile: il nucleo, formato dai nucleoni dei gusci pieni, e dai nucleoni esterni che si muovono nel campo creato dai nucleoni del nucleo. A questo proposito, il movimento del nucleo è descritto da un modello idrodinamico e il movimento dei nucleoni esterni da un modello a guscio. A causa dell'interazione con i nucleoni esterni, il nucleo può deformarsi e ruotare attorno ad un asse perpendicolare all'asse di deformazione.

26. Reazioni di fissione dei nuclei atomici. Energia nucleare.

Reazioni nucleari sono chiamate trasformazioni dei nuclei atomici causate dalla loro interazione tra loro o con altri nuclei o particelle elementari. Il primo messaggio su una reazione nucleare appartiene a E. Rutherford. Nel 1919 scoprì che quando le particelle attraversano il gas azoto, alcune di esse vengono assorbite e contemporaneamente vengono emessi protoni. Rutherford concluse che i nuclei di azoto venivano convertiti in nuclei di ossigeno come risultato di una reazione nucleare della forma:

, (22.11)

dove − è una particella; − protone (idrogeno).

Un parametro importante di una reazione nucleare è la sua resa energetica, che è determinata dalla formula:

(22.12)

Qui e sono le somme delle masse restanti delle particelle prima e dopo la reazione. Quando le reazioni nucleari avvengono con assorbimento di energia, ecco perché vengono chiamate Endotermico, e quando - con il rilascio di energia. In questo caso vengono chiamati esotermico.

In ogni reazione nucleare sono sempre soddisfatte le seguenti condizioni: leggi di conservazione :

− carica elettrica;

– numero di nucleoni;

− energia;

− impulso.

Le prime due leggi permettono di scrivere correttamente le reazioni nucleari anche nei casi in cui una delle particelle coinvolte nella reazione o uno dei suoi prodotti è sconosciuto. Utilizzando le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto, è possibile determinare l'energia cinetica delle particelle che si formano durante il processo di reazione, nonché le direzioni del loro successivo movimento.

Per caratterizzare le reazioni endotermiche, viene introdotto il concetto energia cinetica di soglia , O soglia di reazione nucleare , quelli. l'energia cinetica più bassa di una particella incidente (nel sistema di riferimento in cui il nucleo bersaglio è a riposo) alla quale diventa possibile una reazione nucleare. Dalla legge di conservazione dell'energia e della quantità di moto segue che l'energia soglia di una reazione nucleare è calcolata dalla formula:

. (22.13)

Ecco l'energia della reazione nucleare (7.12); -massa del nucleo stazionario – bersaglio; è la massa della particella incidente sul nucleo.

Reazioni di fissione. Nel 1938, gli scienziati tedeschi O. Hahn e F. Strassmann scoprirono che quando l'uranio viene bombardato con neutroni, a volte appaiono nuclei che sono circa la metà delle dimensioni del nucleo di uranio originale. Questo fenomeno è stato chiamato fissione nucleare.

Rappresenta la prima reazione di trasformazione nucleare osservata sperimentalmente. Un esempio è una delle possibili reazioni di fissione del nucleo dell'uranio-235:

Il processo di fissione nucleare procede molto rapidamente in un tempo di ~10 -12 s. L'energia rilasciata durante una reazione come la (22.14) è di circa 200 MeV per evento di fissione del nucleo di uranio-235.

In generale, la reazione di fissione del nucleo di uranio-235 può essere scritta come:

+neutroni . (22.15)

Il meccanismo della reazione di fissione può essere spiegato nell'ambito del modello idrodinamico del nucleo. Secondo questo modello, quando un neutrone viene assorbito da un nucleo di uranio, entra in uno stato eccitato (Fig. 22.2).

L'energia in eccesso che il nucleo riceve a causa dell'assorbimento di un neutrone provoca un movimento più intenso dei nucleoni. Di conseguenza, il nucleo viene deformato, il che porta ad un indebolimento dell'interazione nucleare a corto raggio. Se l'energia di eccitazione del nucleo è maggiore di una certa energia chiamata energia di attivazione , quindi sotto l'influenza della repulsione elettrostatica dei protoni il nucleo si divide in due parti, emettendo neutroni di fissione . Se l'energia di eccitazione durante l'assorbimento di un neutrone è inferiore all'energia di attivazione, il nucleo non raggiunge

fase critica della fissione e, dopo aver emesso un quanto, ritorna a quella principale

In fisica, il concetto di “forza” denota la misura dell'interazione delle formazioni materiali tra loro, inclusa l'interazione di parti della materia (corpi macroscopici, particelle elementari) tra loro e con campi fisici (elettromagnetici, gravitazionali). In totale, sono noti quattro tipi di interazione in natura: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale, e ognuno ha il proprio tipo di forza. Il primo corrisponde alle forze nucleari che agiscono all'interno dei nuclei atomici.

Cosa unisce i nuclei?

È risaputo che il nucleo di un atomo è minuscolo, le sue dimensioni sono da quattro a cinque ordini di grandezza inferiori alla dimensione dell'atomo stesso. Ciò solleva una domanda ovvia: perché è così piccolo? Dopotutto, gli atomi, costituiti da minuscole particelle, sono ancora molto più grandi delle particelle che contengono.

Al contrario, i nuclei non hanno dimensioni molto diverse dai nucleoni (protoni e neutroni) di cui sono costituiti. C'è una ragione per questo o è una coincidenza?

Nel frattempo, è noto che sono le forze elettriche a trattenere gli elettroni caricati negativamente vicino ai nuclei atomici. Quale forza o quali forze tengono insieme le particelle del nucleo? Questo compito è svolto dalle forze nucleari, che sono una misura delle interazioni forti.

Forte forza nucleare

Se in natura esistessero solo le forze gravitazionali ed elettriche, cioè che incontriamo nella vita di tutti i giorni, allora i nuclei atomici, spesso costituiti da molti protoni carichi positivamente, sarebbero instabili: le forze elettriche che allontanano i protoni l'uno dall'altro sarebbero molti milioni di volte più forti di qualsiasi forza gravitazionale che li attira insieme ad un amico . Le forze nucleari esercitano un'attrazione ancora più forte della repulsione elettrica, sebbene nella struttura del nucleo si manifesti solo un'ombra della loro vera grandezza. Quando studiamo la struttura dei protoni e dei neutroni stessi, vediamo le vere possibilità di quella che è conosciuta come la forza nucleare forte. Le forze nucleari sono la sua manifestazione.

La figura sopra mostra che le due forze opposte nel nucleo sono la repulsione elettrica tra protoni carichi positivamente e la forza nucleare, che attrae insieme protoni (e neutroni). Se il numero di protoni e neutroni non è troppo diverso, allora le seconde forze sono superiori alle prime.

I protoni sono analoghi degli atomi e i nuclei sono analoghi delle molecole?

Tra quali particelle agiscono le forze nucleari? Innanzitutto tra i nucleoni (protoni e neutroni) nel nucleo. Infine, agiscono anche tra le particelle (quark, gluoni, antiquark) all'interno di un protone o di un neutrone. Ciò non sorprende se riconosciamo che protoni e neutroni sono intrinsecamente complessi.

In un atomo, i minuscoli nuclei e anche gli elettroni più piccoli sono relativamente distanti rispetto alle loro dimensioni, e le forze elettriche che li tengono insieme nell’atomo sono piuttosto semplici. Ma nelle molecole, la distanza tra gli atomi è paragonabile alla dimensione degli atomi, quindi entra in gioco la complessità interna di quest'ultima. La situazione varia e complessa determinata dalla parziale compensazione delle forze elettriche intraatomiche dà luogo a processi in cui gli elettroni possono effettivamente spostarsi da un atomo all'altro. Ciò rende la fisica delle molecole molto più ricca e complessa di quella degli atomi. Allo stesso modo, la distanza tra protoni e neutroni in un nucleo è paragonabile alla loro dimensione e, proprio come con le molecole, le proprietà delle forze nucleari che tengono insieme i nuclei sono molto più complesse della semplice attrazione di protoni e neutroni.

Non esiste nucleo senza neutrone, eccetto l'idrogeno

È noto che i nuclei di alcuni elementi chimici sono stabili, mentre per altri decadono continuamente, e la gamma di velocità di questo decadimento è molto ampia. Perché le forze che trattengono i nucleoni nei nuclei cessano di funzionare? Vediamo cosa possiamo imparare da semplici considerazioni sulle proprietà delle forze nucleari.

Il primo è che tutti i nuclei, ad eccezione del più comune isotopo dell'idrogeno (che ha un solo protone), contengono neutroni; cioè non esiste nucleo con più protoni che non contenga neutroni (vedi figura sotto). Quindi è chiaro che i neutroni svolgono un ruolo importante nell'aiutare i protoni a restare uniti.

Nella fig. Sopra, sono mostrati nuclei stabili alla luce o quasi stabili insieme a un neutrone. Questi ultimi, come il trizio, sono indicati con una linea tratteggiata, ad indicare che prima o poi decadono. Altre combinazioni con un piccolo numero di protoni e neutroni non formano affatto un nucleo o formano nuclei estremamente instabili. In corsivo sono mostrati anche i nomi alternativi spesso dati ad alcuni di questi oggetti; Ad esempio, il nucleo dell’elio-4 è spesso chiamato particella α, il nome datogli quando fu originariamente scoperto nei primi studi sulla radioattività nel 1890.

Neutroni come pastori di protoni

Non esiste invece un nucleo fatto solo di neutroni senza protoni; la maggior parte dei nuclei leggeri, come l'ossigeno e il silicio, hanno approssimativamente lo stesso numero di neutroni e protoni (Figura 2). I nuclei grandi con grandi masse, come l'oro e il radio, hanno leggermente più neutroni che protoni.

Questo dice due cose:

1. Non solo i neutroni sono necessari per tenere insieme i protoni, ma i protoni sono necessari anche per tenere insieme i neutroni.

2. Se il numero di protoni e neutroni diventa molto grande, la repulsione elettrica dei protoni deve essere compensata aggiungendo qualche neutrone in più.

L'ultima affermazione è illustrata nella figura seguente.

La figura sopra mostra nuclei atomici stabili e quasi stabili in funzione di P (numero di protoni) e N (numero di neutroni). La linea mostrata con punti neri indica nuclei stabili. Qualsiasi spostamento verso l'alto o verso il basso rispetto alla linea nera significa una diminuzione della vita dei nuclei: vicino ad essa, la vita dei nuclei è di milioni di anni o più, man mano che ci si sposta nelle aree blu, marroni o gialle (colori diversi corrispondono a colori diversi). meccanismi di decadimento nucleare), la loro durata di vita diventa sempre più breve, fino a una frazione di secondo.

Si noti che i nuclei stabili hanno P e N più o meno uguali per P e N piccoli, ma N diventa gradualmente più grande di P di un fattore superiore a uno e mezzo. Si noti inoltre che il gruppo dei nuclei stabili e instabili di lunga vita rimane in una banda abbastanza stretta per tutti i valori di P fino a 82. A numeri maggiori, i nuclei conosciuti sono in linea di principio instabili (sebbene possano esistere per milioni di anni ). Apparentemente, il meccanismo sopra menzionato per stabilizzare i protoni nei nuclei aggiungendo loro neutroni in questa regione non è efficace al 100%.

In che modo la dimensione di un atomo dipende dalla massa dei suoi elettroni?

In che modo le forze in esame influenzano la struttura del nucleo atomico? Le forze nucleari influiscono principalmente sulle sue dimensioni. Perché i nuclei sono così piccoli rispetto agli atomi? Per scoprirlo, cominciamo dal nucleo più semplice, che contiene sia un protone che un neutrone: è il secondo isotopo più comune dell'idrogeno, un atomo contenente un elettrone (come tutti gli isotopi dell'idrogeno) e un nucleo formato da un protone e un neutrone. . Questo isotopo è spesso chiamato "deuterio" e il suo nucleo (vedi Figura 2) è talvolta chiamato "deuterone". Come possiamo spiegare cosa tiene insieme il deuterone? Ebbene, potete immaginare che non sia molto diverso da un normale atomo di idrogeno, che contiene anch'esso due particelle (un protone e un elettrone).

Nella fig. È stato mostrato sopra che in un atomo di idrogeno il nucleo e l'elettrone sono molto distanti, nel senso che l'atomo è molto più grande del nucleo (e l'elettrone è ancora più piccolo). e il neutrone è paragonabile alle loro dimensioni. Ciò spiega in parte perché le forze nucleari sono molto più complesse delle forze atomiche.

È noto che gli elettroni hanno una massa piccola rispetto a protoni e neutroni. Ne consegue che

la massa di un atomo è essenzialmente vicina alla massa del suo nucleo,
la dimensione di un atomo (essenzialmente la dimensione della nuvola di elettroni) è inversamente proporzionale alla massa degli elettroni e inversamente proporzionale alla forza elettromagnetica totale; Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica gioca un ruolo decisivo.

E se le forze nucleari fossero simili a quelle elettromagnetiche?

E il deuterone? Come l'atomo, è composto da due oggetti, ma hanno quasi la stessa massa (le masse del neutrone e del protone differiscono solo di circa una parte su 1500), quindi entrambe le particelle sono ugualmente importanti nel determinare la massa del deuterone. e la sua dimensione. Supponiamo ora che la forza nucleare attiri il protone verso il neutrone allo stesso modo delle forze elettromagnetiche (questo non è esattamente vero, ma immaginatelo per un momento); e quindi, per analogia con l'idrogeno, ci aspettiamo che la dimensione del deutone sia inversamente proporzionale alla massa del protone o del neutrone, e inversamente proporzionale all'entità della forza nucleare. Se la sua grandezza fosse la stessa (a una certa distanza) della forza elettromagnetica, ciò significherebbe che, poiché un protone è circa 1850 volte più pesante di un elettrone, allora il deuterone (e in effetti qualsiasi nucleo) dovrebbe essere almeno mille volte più pesante di un elettrone. più piccolo di quello dell'idrogeno.

Cosa comporta tenere conto della differenza significativa tra le forze nucleari ed elettromagnetiche?

Ma abbiamo già intuito che la forza nucleare è molto maggiore della forza elettromagnetica (a parità di distanza), perché se così non fosse, non sarebbe in grado di impedire la repulsione elettromagnetica tra i protoni finché il nucleo non si disintegra. Quindi il protone e il neutrone sotto la sua influenza si uniscono ancora più strettamente. E quindi non sorprende che il deuterone e gli altri nuclei non siano solo mille, ma centomila volte più piccoli degli atomi! Ancora una volta, questo è solo perché

protoni e neutroni sono quasi 2000 volte più pesanti degli elettroni,
a queste distanze, la grande forza nucleare tra protoni e neutroni nel nucleo è molte volte maggiore delle corrispondenti forze elettromagnetiche (inclusa la repulsione elettromagnetica tra protoni nel nucleo).

Questa ipotesi ingenua fornisce approssimativamente la risposta corretta! Ma ciò non riflette pienamente la complessità dell’interazione tra protone e neutrone. Un problema evidente è che una forza simile alla forza elettromagnetica, ma con maggiore potere attrattivo o repulsivo, dovrebbe ovviamente manifestarsi nella vita di tutti i giorni, ma non osserviamo nulla di simile. Quindi qualcosa in questa forza deve essere diverso dalle forze elettriche.

Breve raggio di forza nucleare

Ciò che li differenzia è che le forze nucleari che impediscono il decadimento del nucleo atomico sono molto importanti e forti per protoni e neutroni che si trovano a brevissima distanza tra loro, ma ad una certa distanza (il cosiddetto “raggio” di forza), cadono molto velocemente, molto più velocemente di quelli elettromagnetici. Si scopre che la gamma può anche avere le dimensioni di un nucleo moderatamente grande, solo diverse volte più grande di un protone. Se metti un protone e un neutrone a una distanza paragonabile a questo intervallo, si attrarranno e formeranno un deutone; se sono separati da una distanza maggiore, difficilmente sentiranno alcuna attrazione. Infatti, se vengono posizionati troppo vicini tra loro fino al punto in cui iniziano a sovrapporsi, si respingono a vicenda. Ciò rivela la complessità di un concetto come quello delle forze nucleari. La fisica continua a svilupparsi continuamente nella direzione di spiegare il meccanismo della loro azione.

Meccanismo fisico dell'interazione nucleare

Ogni processo materiale, inclusa l'interazione tra nucleoni, deve avere portatori materiali. Sono quanti del campo nucleare - mesoni pi (pioni), a causa dello scambio di cui nasce l'attrazione tra i nucleoni.

Secondo i principi della meccanica quantistica, i mesoni pi, che appaiono costantemente e scompaiono immediatamente, formano qualcosa come una nuvola attorno a un nucleone “nudo”, chiamata rivestimento mesonico (ricordate le nuvole di elettroni negli atomi). Quando due nucleoni circondati da tali strati si trovano a una distanza di circa 10 -15 m, avviene uno scambio di pioni, simile allo scambio di elettroni di valenza negli atomi durante la formazione delle molecole, e tra i nucleoni si verifica l'attrazione.

Se le distanze tra i nucleoni diventano inferiori a 0,7∙10 -15 m, iniziano a scambiarsi nuove particelle, le cosiddette. Mesoni ω e ρ, a seguito dei quali tra i nucleoni non si verifica attrazione, ma repulsione.

Forze nucleari: struttura del nucleo dal più semplice al più grande

Riassumendo tutto quanto sopra possiamo notare:

la forza nucleare forte è molto, molto più debole dell'elettromagnetismo a distanze molto maggiori delle dimensioni di un nucleo tipico, quindi non la incontriamo nella vita di tutti i giorni; Ma
a brevi distanze paragonabili al nucleo diventa molto più forte: la forza attrattiva (a condizione che la distanza non sia troppo breve) è in grado di superare la repulsione elettrica tra i protoni.

Quindi questa forza conta solo a distanze paragonabili alla dimensione del nucleo. La figura seguente mostra la sua dipendenza dalla distanza tra i nucleoni.

I grandi nuclei sono tenuti insieme più o meno dalla stessa forza che tiene insieme il deutone, ma i dettagli del processo sono così complessi che non sono facili da descrivere. Inoltre non sono completamente compresi. Anche se le linee generali della fisica nucleare sono ben comprese da decenni, molti dettagli importanti sono ancora oggetto di studio attivo.

L'interazione nucleare indica che nei nuclei ci sono speciali forze nucleari , non riducibile a nessuno dei tipi di forze conosciute nella fisica classica (gravitazionale ed elettromagnetica).

Forze nucleari sono ad azione breve forze. Appaiono solo a distanze molto piccole tra i nucleoni nel nucleo dell'ordine di 10 –15 m. La lunghezza (1,5 – 2,2) viene chiamata 10 –15 m gamma di forze nucleari.

Le forze nucleari scoprono indipendenza di carica : L'attrazione tra due nucleoni è la stessa indipendentemente dallo stato di carica dei nucleoni: protone o neutrone. L'indipendenza dalla carica delle forze nucleari è visibile da un confronto delle energie di legame nuclei di specchi . Così vengono chiamati i kernel,in cui il numero totale di nucleoni è lo stesso,ma il numero di protoni in uno è uguale al numero di neutroni nell'altro. Ad esempio, i nuclei dell'elio e dell'idrogeno pesante: il trizio. Le energie di legame di questi nuclei sono 7,72 MeV e 8,49 MeV.

La differenza nelle energie di legame nucleare, pari a 0,77 MeV, corrisponde all'energia di repulsione di Coulomb di due protoni nel nucleo. Supponendo che questo valore sia uguale a , possiamo trovare che la distanza media R tra i protoni nel nucleo è 1,9·10 –15 m, che è coerente con il raggio delle forze nucleari.

Le forze nucleari lo hanno fatto proprietà di saturazione , in cui si manifesta, che un nucleone in un nucleo interagisce solo con un numero limitato di nucleoni vicini. Questo è il motivo per cui esiste una dipendenza lineare delle energie di legame dei nuclei dal loro numero di massa UN. La saturazione quasi completa delle forze nucleari si ottiene nella particella α, che è una formazione molto stabile.

Le forze nucleari dipendono da orientamenti di rotazione nucleoni interagenti. Ciò è confermato dalla diversa natura dello scattering dei neutroni da parte delle molecole orto e paraidrogeno. In una molecola di ortoidrogeno, gli spin di entrambi i protoni sono paralleli tra loro, mentre in una molecola di paraidrogeno sono antiparalleli. Gli esperimenti hanno dimostrato che la diffusione dei neutroni sul paraidrogeno è 30 volte maggiore della diffusione sull'ortoidrogeno. Le forze nucleari non sono centrali.

Quindi, elenchiamo Proprietà generali delle forze nucleari :

· piccolo raggio d'azione delle forze nucleari ( R~ 1 FM);

· grande potenziale nucleare U~ 50 MeV;

· dipendenza delle forze nucleari dagli spin delle particelle interagenti;

· natura tensore dell'interazione dei nucleoni;

· le forze nucleari dipendono dall'orientamento reciproco dello spin e dei momenti orbitali del nucleone (forze spin-orbitali);

· l'interazione nucleare ha la proprietà della saturazione;

· indipendenza di carica delle forze nucleari;

· natura di scambio dell'interazione nucleare;

attrazione tra nucleoni su grandi distanze ( R> 1 fm), è sostituito dalla repulsione a piccoli ( R < 0,5 Фм).

V l'interazione tra i nucleoni nasce come risultato dell'emissione e dell'assorbimento dei quanti del campo nucleare – π- mesoni . Definiscono il campo nucleare per analogia con il campo elettromagnetico, che nasce come conseguenza dello scambio di fotoni. Interazione tra nucleoni risultante dallo scambio di quanti di massa M, porta all'emergere del potenziale U IO ( R):

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