Какво представляват ядрените сили и какви са техните свойства. Ядрени сили и техните свойства

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Атомното ядро, състоящо се от определен брой протони и неутрони, е едно цяло поради специфични сили, които действат между нуклоните на ядрото и се наричат ядрен.Експериментално е доказано, че ядрените сили имат много големи стойности, много по-големи от силите на електростатично отблъскване между протоните. Това се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото е много по-голяма от работата, извършена от силите на отблъскване на Кулон. Нека разгледаме основното характеристики на ядрените сили.

1. Ядрените сили са привличащи сили на къси разстояния . Те се появяват само на много малки разстояния между нуклоните в ядрото от порядъка на 10 –15 m. Разстояние от порядъка на (1,5 – 2,2) 10 –15 m се нарича диапазон на ядрени сили, с увеличаването му ядрените сили бързо намаляват. На разстояние от порядъка на (2-3) m ядрено взаимодействие между нуклоните практически липсва.

2. Ядрените сили имат свойството насищане, тези. всеки нуклон взаимодейства само с определен брой най-близки съседи. Тази природа на ядрените сили се проявява в приблизителното постоянство на специфичната енергия на свързване на нуклоните при номер на заряд А>40. Наистина, ако нямаше насищане, тогава специфичната енергия на свързване би се увеличила с броя на нуклоните в ядрото.

3. Характеристика на ядрените сили е и тяхната такса независимост , т.е. те не зависят от заряда на нуклоните, така че ядрените взаимодействия между протони и неутрони са еднакви. Независимостта на заряда на ядрените сили е видима от сравнение на енергиите на свързване огледални ядра . Това е името, дадено на ядра, в които общият брой нуклони е еднакъв, но броят на протоните в едното е равен на броя на неутроните в другото. Например енергиите на свързване на ядрата хелий и тежък водород – тритий са съответно 7,72 MeVи 8.49 MeV. Разликата в енергиите на свързване на тези ядра, равна на 0,77 MeV, съответства на енергията на кулоновото отблъскване на два протона в ядрото. Ако приемем, че тази стойност е равна на , можем да намерим, че средното разстояние rмежду протоните в ядрото е 1,9·10 –15 m, което е в съответствие с радиуса на действие на ядрените сили.

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

Сложният характер на ядрените сили не позволява разработването на единна, последователна теория за ядреното взаимодействие, въпреки че са предложени много различни подходи. Според хипотезата на японския физик Х. Юкава (1907-1981), която той предлага през 1935 г., ядрените сили се причиняват от обмен - мезони, т.е. елементарни частици, чиято маса е приблизително 7 пъти по-малка от масата на нуклоните. Според този модел нуклон във времето м- мезонна маса) излъчва мезон, който, движейки се със скорост, близка до скоростта на светлината, покрива разстояние , след което се поглъща от втория нуклон. На свой ред вторият нуклон също излъчва мезон, който се поглъща от първия. Следователно в модела на Х. Юкава разстоянието, на което взаимодействат нуклоните, се определя от дължината на пътя на мезона, което съответства на разстояние от около ми по големина съвпада с радиуса на действие на ядрените сили.

Нека се обърнем към разглеждането на обменното взаимодействие между нуклоните. Има положителни, отрицателни и неутрални мезони. Модулът на заряд - или - мезони е числено равен на елементарния заряд д . Масата на заредените мезони е еднаква и равна на (140 MeV), масата на мезона е 264 (135 MeV). Спинът както на заредените, така и на неутралните мезони е 0. И трите частици са нестабилни. Времето на живот на - и - мезоните е 2,6 с, - мезон – 0,8·10 -16 с. Взаимодействието между нуклоните се осъществява по една от следните схеми:

1. Нуклоните обменят мезони: . (22.8)

В този случай протонът излъчва мезон, превръщайки се в неутрон. Мезонът се абсорбира от неутрон, който впоследствие се превръща в протон, след което същият процес се случва в обратна посока. Така всеки от взаимодействащите нуклони прекарва част от времето в заредено състояние и част в неутрално състояние.

2. Нуклонен обмен - мезони:

3. Нуклоните обменят мезони:

, (22.10)

Всички тези процеси са доказани експериментално. По-специално, първият процес се потвърждава, когато неутронен лъч преминава през водород. В лъча се появяват движещи се протони и в мишената се откриват съответен брой практически покойни неутрони.

Модели на ядрото.Под модел на ядрото в ядрената физика те разбират набор от физически и математически предположения, с помощта на които е възможно да се изчислят характеристиките на ядрена система, състояща се от Ануклони.

Хидродинамичен (капков) модел на активната зонаОсновава се на предположението, че поради високата плътност на нуклоните в ядрото и изключително силното взаимодействие между тях, независимото движение на отделните нуклони е невъзможно и ядрото е капка заредена течност с плътност .

Shell модел на ядротоПредполага се, че всеки нуклон се движи независимо от другите в някакво средно потенциално поле (потенциална яма, създадена от останалите нуклони на ядрото.

Обобщен модел на ядрото, съчетава основните разпоредби на създателите на хидродинамични и черупкови модели. В обобщения модел се приема, че ядрото се състои от вътрешна стабилна част - ядрото, което се образува от нуклоните на запълнените обвивки, и външни нуклони, движещи се в полето, създадено от нуклоните на ядрото. В тази връзка движението на ядрото се описва с хидродинамичен модел, а движението на външните нуклони с модел на обвивка. Поради взаимодействие с външни нуклони, ядрото може да се деформира и ядрото може да се върти около ос, перпендикулярна на оста на деформация.

26. Реакции на делене на атомни ядра. Ядрена енергия.

Ядрени реакциисе наричат трансформации на атомните ядра, причинени от тяхното взаимодействие помежду си или с други ядра или елементарни частици. Първото съобщение за ядрена реакция принадлежи на Е. Ръдърфорд. През 1919 г. той открива, че когато частиците преминават през азотен газ, някои от тях се абсорбират и едновременно с това се излъчват протони. Ръдърфорд стигна до заключението, че азотните ядра се превръщат в кислородни ядра в резултат на ядрена реакция от формата:

, (22.11)

където − е частица; − протон (водород).

Важен параметър на ядрената реакция е нейният енергиен добив, който се определя по формулата:

(22.12)

Тук и са сумите на масите на покой на частиците преди и след реакцията. Когато протичат ядрени реакции с поглъщане на енергия, затова се наричат ендотермичен, а когато – с отделяне на енергия. В този случай те се наричат екзотермичен.

Във всяка ядрена реакция винаги са изпълнени следните условия: закони за опазване :

− електрически заряд;

– брой нуклони;

− енергия;

− импулс.

Първите два закона позволяват ядрените реакции да бъдат написани правилно дори в случаите, когато една от частиците, участващи в реакцията, или един от нейните продукти е неизвестен. Използвайки законите за запазване на енергията и импулса, е възможно да се определят кинетичните енергии на частиците, които се образуват по време на реакционния процес, както и посоките на тяхното последващо движение.

За характеризиране на ендотермичните реакции се въвежда концепцията прагова кинетична енергия , или праг на ядрена реакция , тези. най-ниската кинетична енергия на падаща частица (в референтната система, където целевото ядро е в покой), при която ядрената реакция става възможна. От закона за запазване на енергията и импулса следва, че праговата енергия на ядрена реакция се изчислява по формулата:

. (22.13)

Ето енергията на ядрената реакция (7.12); -маса на неподвижното ядро – цел; е масата на частицата, падаща върху ядрото.

Реакции на делене. През 1938 г. немски учени О. Хан и Ф. Щрасман откриват, че когато уранът се бомбардира с неутрони, понякога се появяват ядра, които са приблизително наполовина по-малки от оригиналното ураново ядро. Това явление беше наречено ядрено делене.

Това представлява първата експериментално наблюдавана реакция на ядрена трансформация. Пример е една от възможните реакции на делене на ядрото на уран-235:

Процесът на ядрено делене протича много бързо за време ~10 -12 s. Енергията, освободена по време на реакция като (22.14), е приблизително 200 MeV за събитие на делене на ядрото на уран-235.

Най-общо реакцията на делене на ядрото на уран-235 може да се запише като:

+ неутрони . (22.15)

Механизмът на реакцията на делене може да се обясни в рамките на хидродинамичния модел на ядрото. Според този модел, когато неутрон се абсорбира от ядро на уран, той преминава във възбудено състояние (фиг. 22.2).

Излишната енергия, която ядрото получава поради поглъщането на неутрон, причинява по-интензивно движение на нуклони. В резултат на това ядрото се деформира, което води до отслабване на късото ядрено взаимодействие. Ако енергията на възбуждане на ядрото е по-голяма от определена енергия, наречена активираща енергия , след което под въздействието на електростатичното отблъскване на протоните ядрото се разделя на две части, излъчвайки неутрони на делене . Ако енергията на възбуждане при поглъщане на неутрон е по-малка от енергията на активиране, тогава ядрото не достига

критичен етап на делене и, след като е излъчил квант, се връща към основното

Във физиката понятието "сила" означава мярката за взаимодействие на материални образувания помежду си, включително взаимодействието на части от материята (макроскопични тела, елементарни частици) помежду си и с физически полета (електромагнитни, гравитационни). Общо са известни четири типа взаимодействие в природата: силно, слабо, електромагнитно и гравитационно, като всяко има свой собствен вид сила. Първият от тях съответства на ядрените сили, действащи вътре в атомните ядра.

Какво обединява ядрата?

Общоизвестно е, че ядрото на атома е мъничко, размерът му е с четири до пет десетични порядъка по-малък от размера на самия атом. Това повдига очевиден въпрос: защо е толкова малък? В крайна сметка атомите, съставени от малки частици, все още са много по-големи от частиците, които съдържат.

За разлика от тях, ядрата не се различават много по размер от нуклоните (протони и неутрони), от които са направени. Има ли причина за това или е съвпадение?

Междувременно е известно, че електрическите сили задържат отрицателно заредени електрони близо до атомните ядра. Каква сила или сили държат заедно частиците на ядрото? Тази задача се изпълнява от ядрени сили, които са мярка за силни взаимодействия.

Силна ядрена сила

Ако в природата имаше само гравитационни и електрически сили, т.е. които срещаме в ежедневието, тогава атомните ядра, често състоящи се от много положително заредени протони, биха били нестабилни: електрическите сили, които изтласкват протоните един от друг, биха били много милиони пъти по-силни от всички гравитационни сили, които ги дърпат заедно към приятел . Ядрените сили осигуряват привличане дори по-силно от електрическото отблъскване, въпреки че само сянка от истинската им величина се проявява в структурата на ядрото. Когато изучаваме структурата на самите протони и неутрони, виждаме истинските възможности на това, което е известно като силна ядрена сила. Ядрените сили са негово проявление.

Фигурата по-горе показва, че двете противоположни сили в ядрото са електрическото отблъскване между положително заредените протони и ядрената сила, която привлича протони (и неутрони) заедно. Ако броят на протоните и неутроните не е твърде различен, тогава вторите сили са по-добри от първите.

Протоните са аналози на атомите, а ядрата са аналози на молекулите?

Между какви частици действат ядрените сили? На първо място, между нуклоните (протони и неутрони) в ядрото. В крайна сметка те действат и между частици (кварки, глуони, антикварки) вътре в протон или неутрон. Това не е изненадващо, когато признаем, че протоните и неутроните са вътрешно сложни.

В един атом малките ядра и дори по-малките електрони са сравнително далеч едно от друго в сравнение с техния размер и електрическите сили, които ги държат заедно в атома, са доста прости. Но в молекулите разстоянието между атомите е сравнимо с размера на атомите, така че вътрешната сложност на последните влиза в действие. Разнообразната и сложна ситуация, причинена от частичната компенсация на вътрешноатомните електрически сили, поражда процеси, при които електроните действително могат да се движат от един атом към друг. Това прави физиката на молекулите много по-богата и сложна от тази на атомите. По същия начин разстоянието между протоните и неутроните в едно ядро е сравнимо с техния размер - и точно както при молекулите, свойствата на ядрените сили, които държат ядрата заедно, са много по-сложни от простото привличане на протони и неутрони.

Няма ядро без неутрон, освен водород

Известно е, че ядрата на някои химични елементи са стабилни, докато на други се разпадат непрекъснато, като диапазонът на скоростите на този разпад е много широк. Защо силите, които задържат нуклоните в ядрата, престават да действат? Нека да видим какво можем да научим от прости съображения за свойствата на ядрените сили.

Едната е, че всички ядра, с изключение на най-често срещания изотоп водород (който има само един протон), съдържат неутрони; тоест няма ядро с няколко протона, което да не съдържа неутрони (виж фигурата по-долу). Така че е ясно, че неутроните играят важна роля в подпомагането на слепването на протоните.

На фиг. По-горе са показани светлостабилни или почти стабилни ядра заедно с неутрон. Последните, подобно на трития, са показани с пунктирана линия, което показва, че те в крайна сметка се разпадат. Други комбинации с малък брой протони и неутрони изобщо не образуват ядро или образуват изключително нестабилни ядра. Също така в курсив са показани алтернативните имена, често давани на някои от тези обекти; Например, ядрото на хелий-4 често се нарича α частица, името, дадено му, когато първоначално е открито в ранните изследвания на радиоактивността през 1890 г.

Неутроните като протонни пастири

Напротив, няма ядро, съставено само от неутрони без протони; повечето леки ядра, като кислород и силиций, имат приблизително еднакъв брой неутрони и протони (Фигура 2). Големите ядра с големи маси, като злато и радий, имат малко повече неутрони, отколкото протони.

Това казва две неща:

1. Не само неутроните са необходими, за да поддържат протоните заедно, но протоните също са необходими, за да поддържат неутроните заедно.

2. Ако броят на протоните и неутроните стане много голям, тогава електрическото отблъскване на протоните трябва да се компенсира чрез добавяне на няколко допълнителни неутрона.

Последното твърдение е илюстрирано на фигурата по-долу.

Фигурата по-горе показва стабилни и почти стабилни атомни ядра като функция на P (брой протони) и N (брой неутрони). Линията, показана с черни точки, показва стабилни ядра. Всяко изместване нагоре или надолу от черната линия означава намаляване на живота на ядрата - близо до нея животът на ядрата е милиони години или повече, докато се придвижвате по-навътре в сините, кафявите или жълтите области (различните цветове съответстват на различни механизми на ядрен разпад), животът им става все по-кратък и по-кратък, до част от секундата.

Имайте предвид, че стабилните ядра имат P и N приблизително равни за малки P и N, но N постепенно става по-голям от P с фактор повече от един и половина. Имайте предвид също, че групата от стабилни и дълготрайни нестабилни ядра остава в доста тясна лента за всички стойности на P до 82. За по-големи числа известните ядра по принцип са нестабилни (въпреки че могат да съществуват милиони години) . Очевидно механизмът, отбелязан по-горе за стабилизиране на протоните в ядрата чрез добавяне на неутрони към тях в тази област, не е 100% ефективен.

Как размерът на атома зависи от масата на неговите електрони?

Как влияят разглежданите сили върху структурата на атомното ядро? Ядрените сили влияят предимно на неговия размер. Защо ядрата са толкова малки в сравнение с атомите? За да разберем, нека започнем с най-простото ядро, което има както протон, така и неутрон: то е вторият най-често срещан изотоп на водорода, атом, съдържащ един електрон (както всички водородни изотопи) и ядро от един протон и един неутрон . Този изотоп често се нарича "деутерий", а ядрото му (вижте Фигура 2) понякога се нарича "деутерон". Как можем да обясним какво държи деутрона заедно? Е, можете да си представите, че той не е толкова различен от обикновения водороден атом, който също съдържа две частици (протон и електрон).

На фиг. По-горе е показано, че във водороден атом ядрото и електронът са много далеч един от друг, в смисъл, че атомът е много по-голям от ядрото (а електронът е още по-малък). Но в деутрона разстоянието между протона и неутронът е сравним с техните размери. Това отчасти обяснява защо ядрените сили са много по-сложни от силите в атома.

Известно е, че електроните имат малка маса в сравнение с протоните и неутроните. От това следва, че

масата на един атом е по същество близка до масата на неговото ядро,
размерът на атома (по същество размерът на електронния облак) е обратно пропорционален на масата на електроните и обратно пропорционален на общата електромагнитна сила; Принципът на неопределеността на квантовата механика играе решаваща роля.

Ами ако ядрените сили са подобни на електромагнитните?

Какво ще кажете за деутрона? Той, подобно на атома, е направен от два обекта, но те са с почти еднаква маса (масите на неутрона и протона се различават само с около една част на 1500), така че и двете частици са еднакво важни при определяне на масата на деутрона и неговия размер. Сега да предположим, че ядрената сила дърпа протона към неутрона по същия начин като електромагнитните сили (това не е съвсем вярно, но си представете за момент); и след това, по аналогия с водорода, очакваме размерът на деутрона да бъде обратно пропорционален на масата на протона или неутрона и обратно пропорционален на големината на ядрената сила. Ако неговата величина беше същата (на определено разстояние) като електромагнитната сила, тогава това би означавало, че тъй като протонът е около 1850 пъти по-тежък от електрона, тогава деутрона (и всъщност всяко ядро) трябва да бъде поне хиляда пъти по-малък от този на водорода.

Какво осигурява отчитането на значителната разлика между ядрените и електромагнитните сили?

Но ние вече предположихме, че ядрената сила е много по-голяма от електромагнитната сила (на същото разстояние), защото ако това не беше така, нямаше да може да предотврати електромагнитното отблъскване между протоните, докато ядрото не се разпадне. Така протонът и неутронът под негово влияние се събират още по-плътно. И затова не е изненадващо, че деутроните и другите ядра са не просто хиляда, а сто хиляди пъти по-малки от атомите! Отново, това е само защото

протоните и неутроните са почти 2000 пъти по-тежки от електроните,
на тези разстояния голямата ядрена сила между протоните и неутроните в ядрото е многократно по-голяма от съответните електромагнитни сили (включително електромагнитното отблъскване между протоните в ядрото).

Това наивно предположение дава приблизително верния отговор! Но това не отразява напълно сложността на взаимодействието между протон и неутрон. Един очевиден проблем е, че сила, подобна на електромагнитната сила, но с по-голяма сила на привличане или отблъскване, очевидно трябва да се прояви в ежедневието, но ние не наблюдаваме нищо подобно. Така че нещо в тази сила трябва да е различно от електрическите сили.

Къс обхват на ядрената сила

Това, което ги прави различни е, че ядрените сили, които предпазват атомното ядро от разпадане, са много важни и силни за протони и неутрони, които са на много малко разстояние един от друг, но на определено разстояние (т.нар. „обхват“ на сила), те падат много бързо, много по-бързо от електромагнитните. Оказва се, че диапазонът може да бъде и с размера на умерено голямо ядро, само няколко пъти по-голямо от протон. Ако поставите протон и неутрон на разстояние, сравнимо с този диапазон, те ще се привличат един друг и ще образуват деутерон; ако са разделени от по-голямо разстояние, едва ли ще усетят привличане. Всъщност, ако са поставени твърде близо една до друга до точката, в която започнат да се припокриват, те всъщност ще се отблъскват. Това разкрива сложността на такова понятие като ядрените сили. Физиката продължава непрекъснато да се развива в посока на обяснение на механизма на тяхното действие.

Физически механизъм на ядрено взаимодействие

Всеки материален процес, включително взаимодействието между нуклоните, трябва да има материални носители. Те са кванти на ядреното поле - пи-мезони (пиони), поради обмена на които възниква привличане между нуклоните.

Според принципите на квантовата механика пи-мезоните, постоянно появяващи се и веднага изчезващи, образуват нещо като облак около „гол“ нуклон, наречен мезонно покритие (помнете електронните облаци в атомите). Когато два нуклона, заобиколени от такива покрития, се окажат на разстояние около 10 -15 m, възниква обмен на пиони, подобен на обмена на валентни електрони в атомите по време на образуването на молекули, и между нуклоните възниква привличане.

Ако разстоянията между нуклоните станат по-малки от 0,7∙10 -15 m, тогава те започват да обменят нови частици – т.нар. ω и ρ-мезони, в резултат на което между нуклоните възниква не привличане, а отблъскване.

Ядрени сили: структура на ядрото от най-простото до най-голямото

Обобщавайки всичко по-горе, можем да отбележим:

силната ядрена сила е много, много по-слаба от електромагнетизма на разстояния, много по-големи от размера на типично ядро, така че не я срещаме в ежедневието; Но
на къси разстояния, сравними с ядрото, тя става много по-силна - силата на привличане (при условие, че разстоянието не е твърде малко) е в състояние да преодолее електрическото отблъскване между протоните.

Така че тази сила има значение само на разстояния, сравними с размера на ядрото. Фигурата по-долу показва зависимостта му от разстоянието между нуклоните.

Големите ядра се държат заедно от повече или по-малко същата сила, която държи деутрона заедно, но детайлите на процеса са толкова сложни, че не са лесни за описание. Те също не са напълно разбрани. Въпреки че основните очертания на ядрената физика са добре разбрани от десетилетия, много важни детайли все още са в процес на активно разследване.

Ядрените сили осигуряват привличане- това следва от самия факт на съществуването на стабилни ядра, състоящи се от протони и неутрони.

Ядрените сили са големи в абсолютна величина.Тяхното действие на къси разстояния значително надвишава действието на всички известни в природата сили, включително електромагнитните.

Досега познаваме четири вида взаимодействие:

а) силни (ядрени) взаимодействия;

б) електромагнитни взаимодействия;

в) слаби взаимодействия, особено ясно наблюдавани в частици, които не проявяват силни и електромагнитни взаимодействия (неутрино);

г) гравитационни взаимодействия.

Сравнение на силите за тези видове взаимодействия може да се получи чрез използване на система от единици, в която характеристичните константи на взаимодействие, съответстващи на тези сили (квадратите на „зарядите“) са безразмерни.

По този начин, за взаимодействието вътре в ядрото на два нуклона, притежаващи всички тези сили, константите на взаимодействие са от порядъка:

Ядрените сили осигуряват съществуването на ядра. Електромагнитни - атоми и молекули. Средната енергия на свързване на нуклон в ядрото е равна на т.е. къде е енергията на покой на нуклона. Енергията на свързване на електрон във водороден атом е само т.е. къде е енергията на покой на електрона. Следователно в тази скала енергиите на свързване са свързани като характеристични константи:

Слабите взаимодействия са отговорни за такива фини ефекти като взаимни трансформации чрез -разпадане и -захващане (виж § 19), за различни разпади на елементарни частици, както и за всички процеси на взаимодействие на неутрино с материя.

Устойчивостта на космическите тела и системи е свързана с гравитационните взаимодействия.

Силите на взаимодействие от втория и четвъртия тип намаляват с разстоянието, т.е. доста бавно и следователно са на големи разстояния. Взаимодействията от първия и третия тип намаляват много бързо с разстоянието и поради това са къси.

Ядрените сили са с малък обсег.Това следва: а) от експериментите на Ръдърфорд върху разсейването на -частици от леки ядра (за разстояния над cm, експерименталните резултати

се обясняват с чисто кулоновото взаимодействие на -частиците с ядрото, но при по-малки разстояния възникват отклонения от закона на Кулон поради ядрени сили. От това следва, че обсегът на действие на ядрените сили във всеки случай е по-малък

б) от изучаването на разпада на тежки ядра (виж § 15);

в) от експерименти за разсейване на неутрони от протони и протони от протони.

Нека ги разгледаме малко по-подробно.

ориз. 17. Мишена за частици и разсейване

При ниски енергии на неутроните тяхното разсейване в центъра на инерционната система е изотропно. Наистина, класическа частица с импулс ще се „хване“ за разсейваща мишена с радиус на действие на ядрените сили, ако лети на по-малки разстояния, т.е. ако компонентът на нейния ъглов импулс в посока, перпендикулярна на равнината на траекторията, не надвишава планини (фиг. 17).

Но според съотношението на де Бройл за инцидентна частица, следователно,

Въпреки това, максималната стойност на проекцията на орбиталния импулс на частица може да бъде равна само на Следователно

Така, за стойност на a, вълновата функция, описваща състоянието на системата, е сферично симетрична по c. c. т.е. в тази система разсейването трябва да е изотропно.

Когато разсейването вече няма да бъде изотропно. Чрез намаляване на енергията на падащите неутрони и по този начин увеличаването й може да се намери нейната стойност, при която се постига изотропия на разсейване. Това дава оценка на обхвата на ядрените сили.

Максималната неутронна енергия, при която все още се наблюдаваше сферично симетрично разсейване, беше равна на Това позволи да се определи горната граница на радиуса на действие на ядрените сили; тя се оказа равна на cm.

Освен това, когато протонен поток се разпръсне върху протонна цел, може да се изчисли очакваната стойност на ефективното напречно сечение на процеса, ако действат само сили на Кулон. Когато обаче частиците се приближат много една до друга, ядрените сили започват да доминират

над кулоновите и разпределението на разпръснатите протони се променя.

От такива експерименти беше установено, че ядрените сили намаляват рязко с увеличаване на разстоянието между протоните. Площта на тяхното действие е изключително малка и също от порядъка на см. За съжаление, резултатите от експериментите по разсейване на нискоенергийни нуклони не дават информация за закона за промяна на ядрените сили с разстояние. Подробната форма на потенциалния кладенец остава несигурна.

Експериментите за изследване на свойствата на два свързани нуклона в ядрото на деутрона също не ни позволяват недвусмислено да установим закона за промяна на потенциала на ядреното силово поле с разстояние. Причината се крие в необичайно малкия радиус на действие на ядрените сили и тяхната много голяма величина в радиуса на действие. Като първо приближение към потенциала, който описва свойствата на деутрона, можем да вземем доста широк диапазон от различни функции, които трябва да намаляват доста бързо с разстоянието.

Експерименталните данни са грубо удовлетворени, например, от следните функции.

ориз. 18. Възможни форми на дейтронната потенциална яма: а - правоъгълна яма; експоненциален кладенец; c е формата на ямката при потенциала на Юкава; -добре при потенциал със солиден център на отблъскване

1. Правоъгълна потенциална яма (фиг. 18а):

където е радиусът на действие на ядрените сили, разстоянието между центровете на два взаимодействащи нуклона.

2. Експоненциална функция (фиг. 18,b):

3. Потенциал на мезона на Юкава (фиг. 18c):

4. Потенциал с твърда отблъскваща среда (фиг. 18d):

Подробно изследване на структурата на разсейване и сравнение с теоретични изчисления говори в полза на последната от тези форми. Понастоящем се използват по-сложни форми за изчисления, осигуряващи по-добро съответствие с експерименталните данни.

Във всички случаи дълбочината на потенциалната яма е от порядъка на няколко десетки, а в случай на потенциал с отблъскващ център е от порядъка на десети от Ферми.

Ядрените сили не зависят от електрическите заряди на взаимодействащите си частици.Силите на взаимодействие между или са еднакви. Това свойство следва от следните факти.

В леките стабилни ядра, когато електромагнитното отблъскване все още може да се пренебрегне, броят на протоните е равен на броя на неутроните, следователно силите, действащи между тях, са равни, в противен случай би имало изместване в някаква посока (или

Леките огледални ядра (ядра, получени чрез замяна на неутрони с протони и обратно, например, имат еднакви енергийни нива.

Експериментите върху разсейването на неутрони от протони и протони от протони показват, че големината на ядреното привличане на протон с протон и неутрон с протон е една и съща.

Това свойство на ядрените сили е фундаментално и показва дълбоката симетрия, която съществува между две частици: протона и неутрона. Нарича се независимост от заряда (или симетрия) и дава възможност да се разглеждат протона и неутрона като две състояния на една и съща частица - нуклона.

По този начин нуклонът има някаква допълнителна вътрешна степен на свобода - заряд - по отношение на която са възможни две състояния: протон и неутрон. Това е аналогично на спиновите свойства на частиците: спинът също е, в допълнение към движението в пространството, вътрешната степен на свобода на частицата, по отношение на която електронът (или нуклонът) има само две възможни състояния. Последователна квантова механика

описанието на тези две степени на свобода: заряд и въртене - формално е едно и също. Следователно, съответно, обичайно е визуално да се описва степента на свобода на заряда, като се използва конвенционално триизмерно пространство, което се нарича изотопно, а състоянието на частица (нуклон) в това пространство се характеризира с изотопен спин, означен като

Нека разгледаме това малко по-подробно, връщайки се към концепцията за обикновено завъртане.

Да приемем, че има два електрона, които, както знаем, са напълно идентични. И двете имат собствен ъглов момент - спин. Посоката на въртенето им обаче не може да бъде открита. Нека сега ги поставим във външно магнитно поле. Според основните постулати на квантовата механика, „оста на въртене“ на всяка частица може да заема само строго определени позиции спрямо това външно поле. Оста на въртене на частици с еднакъв спин може да бъде ориентирана или по посока на полето, или по посока на него (фиг. 19). Една частица с импулс може да има състояния; електрон, който има 2 състояния. Значението на спиновите проекции може да бъде. Това води до факта, че частиците в магнитно поле вече могат да имат различни енергии и става възможно да се разграничат една от друга. Това показва, че състоянието на електрона, поради неговите магнитни свойства, е дублет.

Без външно магнитно поле няма начин да се разделят двете възможни състояния на електрона; за състоянията се казва, че „се израждат“ в неразличими състояния.

Подобна ситуация възниква при водородния атом. За характеризиране на състоянията на атома се въвежда орбитално квантово число, което характеризира орбиталния ъглов момент на атомите. Атом с даден I може да има състояния, тъй като във външно поле могат да съществуват само добре дефинирани стойности на проекциите на I върху посоката на полето (от - I до Докато няма външно поле, състоянието е многократно изродени.

Откриването на неутрона доведе до идеята за съществуването на явление, подобно на магнитното израждане на електрона.

В крайна сметка независимостта на заряда на ядрените сили означава, че при силно взаимодействие протонът и неутронът се държат като една и съща частица. Те могат да бъдат разграничени само ако вземем предвид електромагнитното взаимодействие. Ако си представим, че електромагнитните светодиоди могат по някакъв начин да бъдат „изключени“ (фиг. 20, а), тогава протонът и неутронът ще станат неразличими частици и дори техните маси ще бъдат равни (за повече подробности относно равенството на масите; вижте § 12 ). Следователно циклонът може да се разглежда като "зарядов дублет", в който едното състояние представлява протон, а другото - неутрон. Ако включите електромагнитните сили, условно

представени на фиг. 20b с пунктирана линия, тогава електрическите сили в зависимост от заряда ще се добавят към предишните независими от заряда сили.

ориз. 19. Ориентация на спина на електрона в магнитно поле

ориз. 20. Разликата между протон и неутрон поради електромагнитно взаимодействие

Енергията на заредените частици ще се различава от енергията на неутралните частици и протонът и неутронът могат да бъдат разделени. Следователно техните маси на покой няма да бъдат равни.

За да характеризира състоянието на нуклона в ядрото, Хайзенберг въвежда чисто формална концепция за изотопно въртене, което по аналогия с квантовите числа трябва да определи броя на изродените състояния на нуклон, равен на Думата „изотопен“ изразява факта, че че протонът и неутронът са близки по своите свойства (изотопи - атоми с еднакви химични свойства, различаващи се по броя на неутроните в ядрото).

Думата „спин“ в тази концепция възниква от чисто математическа аналогия с обикновеното въртене на частица.

Важно е още веднъж да се отбележи, че квантовомеханичният вектор на изотопния спин се въвежда не в обикновеното, а в конвенционалното пространство, наречено изотопно или зарядово пространство. Последният, за разлика от конвенционалните оси, се определя от условни оси. В това пространство частицата не може да се движи транслационно, а само се върти.

Следователно изотопното въртене трябва да се разглежда като математическа характеристика, която отличава протона от неутрона; физически те са поставени в различна връзка с електромагнитното поле.

Изотопният спин на нуклона е равен и има компоненти, като проекцията върху тази ос е условно приета, че за протон и за неутрон, т.е. протонът се превръща в неутрон. спинът се завърта на 180° в изотопното пространство.

Когато се използва тази формална техника, зависимостта от заряда приема формата на закон за запазване: по време на взаимодействието на нуклоните общият изотопен спин и неговата проекция остават непроменени, т.е.

Този закон за запазване може формално да се разглежда като следствие от независимостта на физическите закони от въртенето в изотопното пространство. Този закон за запазване обаче е приблизителен. То е валидно до степента, в която електромагнитните сили могат да бъдат пренебрегнати и могат да бъдат леко нарушени - до степента на съотношението на електромагнитните и ядрените сили. Физическият му смисъл е, че ядрените сили в системите са идентични.

Ще се върнем към понятието изотопен спин в главата за елементарните частици, за които то придобива допълнително значение.

Ядрените сили зависят от спина.Зависимостта на ядрените сили от въртенето следва от следните факти.

Едно и също ядро в състояния с различни спинове има различни енергии на свързване. Например, енергията на свързване на дейтрон, в който спиновете са успоредни, е равна; при антипаралелни спинове изобщо няма стабилно състояние.

Неутронно-протонното разсейване е чувствително към спиновата ориентация. Вероятността за взаимодействие между неутрони и протони е теоретично изчислена при предположението, че потенциалът на взаимодействие не зависи от въртенето. Оказа се, че експерименталните резултати се различават пет пъти от теоретичните.

Несъответствието се елиминира, ако вземем предвид, че взаимодействието зависи от относителната ориентация на спиновете.

Зависимостта на ядрените сили от ориентацията на спина се проявява в експерименти с разсейване на неутрони върху орто- и пара-водородни молекули.

Факт е, че има два вида водородни молекули: в орто-водородна молекула спиновете на два протона са успоредни един на друг, общият спин е 1 и може да има три ориентации (така нареченото триплетно състояние); в пара-водородна молекула спиновете са антипаралелни, общият спин е нула и е възможно единично състояние (така нареченото синглетно състояние),

Съотношението между броя на орто- и пара-водородните молекули при стайна температура е Това съотношение се определя от броя на възможните състояния.

Енергията на основното пара състояние е по-ниска от енергията на основното орго състояние. При ниски температури орто-водородните молекули се трансформират в пара-водородни молекули. В присъствието на катализатор тази трансформация протича доста бързо и е възможно да се получи течен водород в чисто състояние на пара-водород. В случай

разсейване на неутрони върху орто-водород, спинът на неутрона е или успореден на спиновете на двата протона, или антипаралелен на двата; т.е. има конфигурации:

Когато се разсейва от пара-водород, спинът на неутрона винаги е успореден на спина на един протон и антипаралелен на спина на другия протон; Независимо от ориентацията на пара-водородната молекула, конфигурацията има характер

ориз. 21 Разсейване на неутрони върху водородни молекули

Нека разгледаме разсейването като вълнов процес. Ако разсейването зависи от взаимната ориентация на спиновете, тогава наблюдаваният ефект на интерференция на неутронните вълни, разпръснати от двата протона, ще бъде значително различен за процесите на разсейване върху орто- и пара-водородни молекули.

Каква трябва да е енергията на неутроните, за да се забележи разлика в разсейването? В една молекула протоните са разположени на разстояние многократно по-голямо от радиуса на действие на ядрените сили. см. Следователно, поради вълновите свойства на неутрона, процесът на разсейване може да се случи едновременно и на двата протона, ако (фиг. 21). Вълната на де Бройл, необходима за това

за неутрон, чиято маса е еквивалентна на енергия

Ядрените сили имат свойството на насищане.Както вече беше споменато в § 4, свойството на насищане на ядрените сили се проявява във факта, че енергията на свързване на ядрото е пропорционална на броя на нуклоните в ядрото - А, а не

Тази особеност на ядрените сили следва и от стабилността на леките ядра. Невъзможно е, например, да се добавят нови и нови частици към деутрона; известна е само една такава комбинация с допълнителен неутрон-тритий. По този начин един протон може да образува свързани състояния с не повече от два неутрона.

За да се обясни насищането на Хайзенберг, се предполага, че ядрените сили имат обменен характер.

Ядрените сили имат обменен характер.За първи път е установен обменният характер на силите на химичната връзка: връзката се образува в резултат на прехвърлянето на електрони от един атом към друг. Електромагнитните сили също могат да бъдат класифицирани като обменни сили: взаимодействието на зарядите се обяснява с факта, че те обменят у-кванти. В този случай обаче няма насищане, тъй като обменът на y-кванти не променя свойствата на всяка частица.

Обменното свойство на ядрените сили се проявява във факта, че по време на сблъсък нуклоните могат да предават един на друг такива характеристики като заряд, спинови проекции и други.

Обменната природа се потвърждава от различни експерименти, например от резултатите от измерванията на ъгловото разпределение на високоенергийните неутрони, когато те се разсейват от протони. Нека разгледаме това по-подробно.

В ядрената физика енергията се нарича висока, когато вълната на де Бройл на частицата удовлетворява отношението, т.е.

За нуклоните дължината на вълната на де Бройл е свързана с кинетичната енергия чрез уравнението

и следователно кинетичната енергия на нуклона може да се нарече висока, ако е значително по-голяма

Квантовата механика позволява да се получи зависимостта на ефективното напречно сечение на разсейване от енергията на падащите неутрони и ъгъла на разсейване, ако е известен потенциалът на взаимодействие.

Изчисленията показват, че за потенциал като правоъгълна ямка, напречното сечение на разсейване трябва да варира в зависимост от енергията на частиците, както и самото разсейване трябва да се извършва в рамките на малък ъгъл. Следователно ъгловото разпределение на разсеяните неутрони в центъра на инерционната система трябва да има максимум в посоката на тяхното движение, а разпределението на протоните на отката трябва да има максимум в обратната посока.

Експериментално за неутроните е открит не само пик в ъгловото разпределение, насочен напред, но и втори пик в обратна посока (фиг. 22).

ориз. 22. Зависимост на диференциалното напречно сечение за разсейване на неутрони върху протони от ъгъла на разсейване

Експерименталните резултати могат да бъдат обяснени само като се приеме, че обменните сили действат между нуклоните и че по време на процеса на разсейване неутроните и протоните обменят своите заряди, т.е. разсейването се случва с „обмяна на заряди“. В този случай част от неутроните се превръщат в протони и се наблюдават протони, летящи по посока на падащите неутрони, така наречените протони за обмен на заряд. В същото време част от протоните се превръщат в неутрони и се записват като неутрони, разпръснати обратно в s.

Относителната роля на обменните и обикновените сили се определя от съотношението на броя на неутроните, летящи назад, към броя на неутроните, летящи напред.

Въз основа на квантовата механика може да се докаже, че съществуването на обменни сили винаги води до феномена на насищане, тъй като една частица не може да взаимодейства чрез обмен с много частици едновременно.

Въпреки това, по-детайлното изследване на експериментите върху нуклон-нуклонното разсейване показва, че въпреки че силите на взаимодействие наистина имат обменен характер, смесването на обикновения потенциал с обменния е такова, че не може да обясни напълно насищането. Открито е и друго свойство на ядрените сили. Оказва се, че ако на големи разстояния между нуклоните действат предимно сили на привличане, тогава когато нуклоните се приближат един до друг (на разстояние от порядъка на cm), възниква рязко отблъскване. Това може да се обясни с наличието на ядра в нуклоните, които се отблъскват взаимно.

Изчисленията показват, че именно тези ядра са отговорни основно за ефекта на насищане. В тази връзка, ядреното взаимодействие, очевидно, трябва да се характеризира с неравномерен потенциал като правоъгълен кладенец (фиг. сложна функция с характеристика на малки разстояния (фиг. 18d).

Атомното ядро, състоящо се от определен брой протони и неутрони, е едно цяло поради специфични сили, които действат между нуклоните на ядрото и се наричат ядрен.Експериментално е доказано, че ядрените сили имат много големи стойности, много по-големи от силите на електростатично отблъскване между протоните. Това се проявява във факта, че специфичната енергия на свързване на нуклоните в ядрото е много по-голяма от работата, извършена от силите на отблъскване на Кулон. Нека разгледаме основните характеристики на ядрените сили.

1. Ядрените сили са привличащи сили на къси разстояния . Те се появяват само при много малки разстояния в ядрото от порядъка на (1,5 – 2,2)·10–15 m се нарича радиус на действие на ядрените сили , ядрените сили бързо намаляват. На разстояние от порядъка на (2-3) m ядрено взаимодействие между нуклоните практически липсва.

Сложният характер на ядрените сили не позволява разработването на единна, последователна теория за ядреното взаимодействие, въпреки че са предложени много различни подходи. Според хипотезата на японския физик Х. Юкава, която той предлага през 1935 г., ядрените сили се причиняват от обмен - мезони, т.е. елементарни частици, чиято маса е приблизително 7 пъти по-малка от масата на нуклоните. Според този модел нуклон във времето м- мезонна маса) излъчва мезон, който, движейки се със скорост, близка до скоростта на светлината, покрива разстояние , след което се поглъща от втория нуклон. На свой ред вторият нуклон също излъчва мезон, който се поглъща от първия. Следователно в модела на Х. Юкава разстоянието, на което взаимодействат нуклоните, се определя от дължината на пътя на мезона, което съответства на разстояние от около ми по големина съвпада с радиуса на действие на ядрените сили.

Нека се обърнем към разглеждането на обменното взаимодействие между нуклоните. Има положителни, отрицателни и неутрални мезони. Модулът на заряд - или - мезони е числено равен на елементарния заряд д. Масата на заредените мезони е еднаква и равна на (140 MeV), масата на мезона е 264 (135 MeV). Спинът както на заредените, така и на неутралните мезони е 0. И трите частици са нестабилни. Времето на живот на - и - мезоните е 2,6 с, - мезон – 0,8·10 -16 с. Взаимодействието между нуклоните се осъществява по една от следните схеми:

(22.7)
1. Нуклоните обменят мезони:

2. Нуклонен обмен - мезони:

3. Нуклоните обменят мезони:

. (22.10)

Модели на ядрото.Липсата на математически закон за ядрените сили не позволява създаването на единна теория за ядрото. Опитите за създаване на подобна теория срещат сериозни трудности. Ето някои от тях:

1. Липса на знания за силите, действащи между нуклоните.

2. Изключителната тромавост на квантовия проблем с много тела (ядро с масово число Ае система от Ател).

Тези трудности ни принуждават да поемем по пътя на създаването на ядрени модели, които дават възможност да се опише определен набор от ядрени свойства с помощта на относително прости математически средства. Нито един от тези модели не може да даде абсолютно точно описание на ядрото. Следователно трябва да използвате няколко модела.

Под модел на ядрото в ядрената физика те разбират набор от физически и математически предположения, с помощта на които е възможно да се изчислят характеристиките на ядрена система, състояща се от Ануклони. Предложени и разработени са много модели с различна степен на сложност. Ще разгледаме само най-известните от тях.

Хидродинамичен (капков) модел на активната зонае разработен през 1939 г. Н. Бор и съветския учен Я. Френкел. Основава се на предположението, че поради високата плътност на нуклоните в ядрото и изключително силното взаимодействие между тях, независимото движение на отделните нуклони е невъзможно и ядрото е капка заредена течност с плътност . Както при нормална капка течност, повърхността на ядрото може да се колебае. Ако амплитудата на вибрациите стане достатъчно голяма, възниква процесът на ядрено делене. Капковият модел позволи да се получи формула за енергията на свързване на нуклоните в ядрото и обясни механизма на някои ядрени реакции. Този модел обаче не обяснява повечето от спектрите на възбуждане на атомните ядра и специалната стабилност на някои от тях. Това се дължи на факта, че хидродинамичният модел много приблизително отразява същността на вътрешната структура на ядрото.

Shell модел на ядрото разработен през 1940-1950 г. от американския физик М. Геперт - Майер и немския физик Х. Йенсен. Предполага се, че всеки нуклон се движи независимо от другите в някакво средно потенциално поле (потенциална яма, създадена от останалите нуклони на ядрото. В рамките на модела на обвивката функцията не се изчислява, а се избира така, че най-доброто съответствие с могат да бъдат получени експериментални данни.

Дълбочината на потенциалната яма обикновено е ~ (40-50) MeVи не зависи от броя на нуклоните в ядрото. Според квантовата теория нуклоните в едно поле са на определени дискретни енергийни нива. Основното предположение на създателите на модела на черупката за независимото движение на нуклоните в средно потенциално поле противоречи на основните положения на разработчиците на хидродинамичния модел. Следователно характеристиките на ядрото, които са добре описани от хидродинамичния модел (например стойността на енергията на свързване), не могат да бъдат обяснени в рамките на модела на черупката и обратно.

Обобщен модел на ядрото , разработен през 1950-1953 г., съчетава основните разпоредби на създателите на хидродинамични и черупкови модели. В обобщения модел се приема, че ядрото се състои от вътрешна стабилна част - ядрото, което се образува от нуклоните на запълнените обвивки, и външни нуклони, движещи се в полето, създадено от нуклоните на ядрото. В тази връзка движението на ядрото се описва с хидродинамичен модел, а движението на външните нуклони с модел на обвивка. Поради взаимодействие с външни нуклони, ядрото може да се деформира и ядрото може да се върти около ос, перпендикулярна на оста на деформация. Обобщеният модел даде възможност да се обяснят основните характеристики на ротационните и вибрационните спектри на атомните ядра, както и високите стойности на квадруполния електрически момент на някои от тях.

Разгледахме основните феноменологични, т.е. описателни модели на ядрото. Въпреки това, за да се разбере напълно природата на ядрените взаимодействия, които определят свойствата и структурата на ядрото, е необходимо да се създаде теория, в която ядрото да се разглежда като система от взаимодействащи нуклони.