Mis on tuumajõud ja millised on nende omadused. Tuumajõud ja nende omadused

1.3.1 . Mis tahes aatomi tuumal on keeruline struktuur ja koosneb osakestest, mida nimetatakse nukleonid. On teada kahte tüüpi nukleone - prootonid ja neutronid .
Prootonid - nukleonid massiga 1 amu. positiivse laenguga võrdne ühik, see tähendab elektroni elementaarlaeng.
Neutronid -elektriliselt neutraalne nukleonid massiga 1 amu.
*) Rangelt võttes on prootonite ja neutronite ülejäänud massid mõnevõrra erinevad: m p = 1,6726. 10-24 G ja mn = 1,67439. 10-24 G. Seda erinevust arutatakse hiljem.

1.3.2. Kuna tuuma mass praktiliselt on võrdne A-ga, tuuma laeng on z ning prootoni ja neutroni massid peaaegu võrdsed Selliste ideede puhul tuleks seda pidada enesestmõistetavaks elektriliselt neutraalse stabiilse aatomi tuum koosneb z prootonid ja ( A - z ) neutronid. Seetõttu pole elemendi aatomnumber midagi muud kui aatomi tuuma prootonlaeng, mida väljendatakse elektroni elementaarlaengutes. Teisisõnu, z - see on number prootonid aatomi tuumas.

1.3.3 . Prootonite (sama märgiga elektrilaenguga osakesed) olemasolu tuumas nendevaheliste Coulombi tõukejõudude tõttu peaks kaasa tooma nukleonide hajumise. Tegelikkuses seda ei juhtu. Paljude stabiilsete tuumade olemasolu looduses viib järeldusele, et Coulombi omadest võimsamate tuumade olemasolu nukleonite vahel, tuumajõud atraktsioon, mis prootonite Coulombi tõukejõu ületades tõmbavad nukleonid stabiilseks struktuuriks – tuumaks.

1.3.4. Valemiga (1.4) määratud aatomituumade mõõtmed on suurusjärgus 10 -13 cm. Siit tuleneb tuumajõudude esimene omadus (erinevalt Coulombist, gravitatsioonilisest jt) - lühike tegevus: tuumajõud toimivad ainult väikestel vahemaadel, mis on suurusjärgus võrreldavad nukleonide endi suurusega.
Isegi teadmata täpselt, mis materjalist prooton või neutron on, saab neid hinnata tõhus mõõtmed kui sfääri läbimõõt, mille pinnal on kahe naaberprootoni tuumatõmmet tasakaalustatud nende Coulombi tõukejõuga. Kiirendite katsed elektronide hajumise kohta tuumade kaupa võimaldasid hinnata efektiivset nukleoni raadiust Rн ≈ 1,21. 10-13 cm.

1.3.5 . Tuumajõudude lühikesest tegevusest tuleneb nende teine omadus, mida lühidalt nimetatakse küllastus . See tähendab et Ükski tuumas olev nukleon ei interakteeru kõigi teiste nukleonidega, vaid ainult piiratud arvu nukleonidega, mis on selle vahetud naabrid.

1.3.6. Tuumajõudude kolmas omadus - nende pööripäev. Kuna eeldatakse, et mõlemat tüüpi nukleonide vahelised vastasmõjujõud on sama iseloomuga jõud, siis eeldatakse, et võrdsel kaugusel suurusjärgus 10–13 cm interakteeruvad kaks prootonit, kaks neutronit või prooton neutroniga sama.

1.3.7. Vaba prooton (st väljaspool aatomituumi ) stabiilne . Neutron ei saa pikka aega eksisteerida vabas olekus: see laguneb prootoniks, elektroniks ja antineutriino poolestusajaga T 1/2 = 11,2 min. vastavalt skeemile:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antineutriino (n) - elektriliselt neutraalne aineosake koos null puhkemass.

1.3.8. Seega käsitletakse mis tahes tuuma täielikult individualiseeritud, kui on teada selle kaks põhitunnust - prootonite arv z ja massiarv A, kuna erinevus (A - z) määrab neutronite arvu tuumas. Individualiseeritud aatomituumideks nimetatakse üldiselt nukliidid.
Paljude nukliidide hulgas (ja praegu on teada üle 2000 neist - looduslikud ja tehislikud) on neid, mille puhul üks kahest nimetatud tunnusest on sama ja teine erineva suurusega.
Nimetatakse nukliide, millel on sama z (prootonite arv). isotoobid. Kuna aatomarv määrab D.I. Mendelejevi perioodilise seaduse kohaselt ainult individuaalsuse keemiline elemendi aatomi omadused, isotoopidest räägitakse alati viitega perioodilises tabelis vastavale keemilisele elemendile.
Näiteks 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U on kõik uraani isotoobid, mille aatomnumber on elementide perioodilises tabelis z = 92.
Isotoobid mis tahes keemiline element nagu näeme , neil on võrdne arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid.

Võrdse massiga nukliidid ( A ), kuid erineva laenguga z nimetatakse isobaarideks . Isobaarid, erinevalt isotoopidest, on erinevate keemiliste elementide nukliidid.
Näited. 11 B 5 ja 11 C 4 - boori ja süsiniku nukliidide isobaarid; 7 Li 3 ja 7 Be 4 - liitiumi ja berülliumi nukliidide isobaarid; 135 J 53, 135 Xe 54 ja 135 Cs 55 on samuti vastavalt joodi, ksenooni ja tseesiumi isobaarid.

1.3.9 . Valemist (1.4) saab hinnata nukleonide tihedust tuumades ja tuumaaine massitihedust. Arvestades, et tuum on kera raadiusega R ja mille nukleonide arv selle ruumalas on võrdne A-ga, leiame nukleonide arvu tuuma ruumalaühiku kohta järgmiselt:
Nn = A/Vi = 3A/4pR3 = 3A/4p(1,21,10-13 A 1/3) 3 = 1,348. 10 38 nucl/cm3,
a, kuna ühe nukleoni mass on 1 amu. = 1,66056. 10-24 G, siis leitakse tuumaaine tihedus järgmiselt:
γ rav = Nm n = 1,348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2,238. 10 14 g/cm3.= 223 800 000 t/cm3
Ülaltoodud arvutuse protseduur näitab, et Tuumaaine tihedus on kõigi keemiliste elementide tuumades ühesugune.
Helitugevus. 1 nukleoni kohta tuumas, V i/A = 1/N = 1/1,348. 10 38 = 7,421. 10-39 cm 3
- sama ka kõigi tuumade jaoks, seetõttu on mis tahes tuuma naabernukleonide tsentrite vaheline keskmine kaugus (mida võib tinglikult nimetada nukleoni keskmiseks läbimõõduks)
D n = (V i) 1/3 = (7,421,10-39) 1/3 = 1,951. 10-13 cm .

1.3.10. Seni on vähe teada prootonite ja neutronite tihedust aatomi tuumas. Kuna prootonid, erinevalt neutronitest, ei allu mitte ainult tuuma- ja gravitatsioonilisele külgetõmbele, vaid ka Coulombi tõukejõule, võib eeldada, et tuuma prootonlaeng on jaotunud enam-vähem ühtlaselt. pinnad.

Paljud gümnasistid, nende vanemad ja tuhanded noored spetsialistid seisavad õpingute lõpus raske valiku ees – valida kõrgkooli (KÕI). Ülikoolide, instituutide ja teaduskondade mitmekesisuses on üsna raske orienteeruda ja mitte segadusse sattuda. Enne saamist lugege üliõpilaste, õpetajate ja lõpetajate jäetud arvustusi ülikooli kohta. Õige õppeasutuse valik on teie edasise karjääri edu võti!

Teatud arvust prootonitest ja neutronitest koosnev aatomituum on tuuma nukleonite vahel mõjuvate spetsiifiliste jõudude tõttu ühtne tervik, mida nimetatakse tuumaenergia. Eksperimentaalselt on tõestatud, et tuumajõududel on väga suured väärtused, palju suuremad kui prootonite vahelise elektrostaatilise tõukejõuga. See väljendub selles, et nukleonide spetsiifiline sidumisenergia tuumas on palju suurem kui Coulombi tõukejõudude töö. Vaatame peamist tuumajõudude omadused.

1. Tuumajõud on lühimaa tõmbejõud . Need esinevad ainult väga väikestel kaugustel nukleonide vahel tuumas suurusjärgus 10–15 m. Vahemaad suurusjärgus (1,5–2,2) 10–15 m nimetatakse tuumajõudude ulatus, selle suurenemisega tuumajõud kiiresti vähenevad. Suurusjärgu (2–3) m kaugusel nukleonidevaheline tuumainteraktsioon praktiliselt puudub.

2. Tuumajõududel on omadus küllastus, need. iga nukleon suhtleb ainult teatud arvu lähimate naabritega. Tuumajõudude selline olemus väljendub nukleonide spetsiifilise sidumisenergia ligikaudses püsivuses laengu numbri juures A>40. Tõepoolest, kui küllastust poleks, siis spetsiifiline sidumisenergia suureneks tuumas olevate nukleonide arvuga.

3. Tuumajõudude tunnuseks on ka nende laengu sõltumatus , st. need ei sõltu nukleonite laengust, seega on prootonite ja neutronite vahelised tuuma vastasmõjud ühesugused. Tuumajõudude laengusõltumatus on nähtav sidumisenergiate võrdlusest peegli südamikud . Nii nimetatakse tuumasid, milles nukleonide koguarv on sama, kuid ühes on prootonite arv võrdne neutronite arvuga teises. Näiteks heeliumi ja raske vesiniku-triitiumi tuumade sidumisenergia on vastavalt 7,72 MeV ja 8.49 MeV. Nende tuumade sidumisenergiate erinevus, mis võrdub 0,77 MeV, vastab tuuma kahe prootoni Coulombi tõrjumise energiale. Eeldades, et see väärtus on võrdne , saame leida, et keskmine vahemaa r Prootonite vaheline kaugus tuumas on 1,9·10–15 m, mis on kooskõlas tuumajõudude toimeraadiusega.

4. Tuumajõud ei ole kesksed ja sõltuvad interakteeruvate nukleonide spinnide vastastikusest orientatsioonist. Seda kinnitab orto- ja paravesiniku molekulide neutronite hajumise erinev olemus. Ortovesiniku molekulis on mõlema prootoni spinnid üksteisega paralleelsed, paravesiniku molekulis aga antiparalleelsed. Katsed on näidanud, et neutronite hajumine paravesinikul on 30 korda suurem kui hajumine ortovesinikul.

Tuumajõudude kompleksne olemus ei võimalda välja töötada ühtset järjepidevat tuuma vastastikmõju teooriat, kuigi välja on pakutud palju erinevaid lähenemisviise. Jaapani füüsiku H. Yukawa (1907-1981) hüpoteesi järgi, mille ta 1935. aastal välja pakkus, on tuumajõud põhjustatud vahetusest – mesonid, s.o. elementaarosakesed, mille mass on ligikaudu 7 korda väiksem kui nukleonide mass. Selle mudeli järgi nukleon ajas m- mesonimass) kiirgab mesoni, mis valguse kiirusele lähedase kiirusega liikudes katab vahemaa , misjärel see imendub teise nukleoni poolt. Teine nukleon omakorda kiirgab mesoni, mille esimene neelab. Seetõttu määrab H. Yukawa mudelis nukleonide vastasmõju kauguse mesoni teepikkus, mis vastab umbes m ja suurusjärgus langeb kokku tuumajõudude toimeraadiusega.

Pöördume nukleonide vahelise vahetusinteraktsiooni käsitlemise juurde. On positiivseid, negatiivseid ja neutraalseid mesoneid. Laengu - või - mesonite moodul on arvuliselt võrdne elementaarlaenguga e . Laetud mesonite mass on sama ja võrdne (140 MeV), mesoni mass on 264 (135 MeV). Nii laetud kui ka neutraalsete mesonite spinn on 0. Kõik kolm osakest on ebastabiilsed. - ja - mesonite eluiga on 2,6 Koos, - meson – 0,8·10 -16 Koos. Nukleonide vaheline interaktsioon toimub vastavalt ühele järgmistest skeemidest:

1. Nukleonid vahetavad mesoneid: . (22,8)

Sel juhul kiirgab prooton mesoni, muutudes neutroniks. Meson neeldub neutronisse, mis järelikult muutub prootoniks, siis toimub sama protsess vastupidises suunas. Seega veedab iga interakteeruv nukleon osa ajast laetud olekus ja osa neutraalses olekus.

2. Nukleonide vahetus – mesonid:

3. Nukleonide vahetus – mesonid:

, (22.10)

Kõik need protsessid on eksperimentaalselt tõestatud. Eelkõige kinnitatakse esimene protsess, kui neutronkiir läbib vesinikku. Kiiresse ilmuvad liikuvad prootonid ja sihtmärgis tuvastatakse vastav arv praktiliselt puhkavaid neutroneid.

Kerneli mudelid. Under kerneli mudel tuumafüüsikas saavad nad aru füüsikaliste ja matemaatiliste eelduste kogumist, mille abil on võimalik arvutada tuumasüsteemi karakteristikud, mis koosnevad A nukleonid.

Südamiku hüdrodünaamiline (tilkuv) mudel See põhineb eeldusel, et tuumas olevate nukleonide suure tiheduse ja nendevahelise ülitugeva interaktsiooni tõttu on üksikute nukleonide iseseisev liikumine võimatu ning tuum on tilk laetud vedelikku, mille tihedus .

Kerneli kestamudel See eeldab, et iga nukleon liigub teistest sõltumatult mingis keskmises potentsiaaliväljas (potentsiaal, mille on loonud tuuma ülejäänud nukleonid.

Üldistatud kerneli mudel, ühendab hüdrodünaamiliste ja kestamudelite loojate peamised sätted. Üldistatud mudelis eeldatakse, et tuum koosneb sisemisest stabiilsest osast - tuumast, mille moodustavad täidetud kestade nukleonid, ja välistest nukleonitest, mis liiguvad tuuma nukleonide tekitatud väljal. Sellega seoses kirjeldab südamiku liikumist hüdrodünaamiline mudel ja väliste nukleonide liikumist kesta mudel. Tänu interaktsioonile väliste nukleonidega võib tuum deformeeruda ja tuum võib pöörata ümber deformatsiooniteljega risti oleva telje.

26. Aatomituumade lõhustumise reaktsioonid. Tuumaenergia.

Tuumareaktsioonid nimetatakse aatomituumade transformatsioonideks, mis on põhjustatud nende vastastikusest vastasmõjust või teiste tuumade või elementaarosakestega. Esimene teade tuumareaktsiooni kohta kuulub E. Rutherfordile. 1919. aastal avastas ta, et kui osakesed läbivad gaasilist lämmastikku, neelduvad osa neist ja samaaegselt eralduvad prootonid. Rutherford jõudis järeldusele, et lämmastiku tuumad muudeti hapniku tuumadeks järgmise vormiga tuumareaktsiooni tulemusena:

, (22.11)

kus − on osake; − prooton (vesinik).

Tuumareaktsiooni oluline parameeter on selle energia saagis, mis määratakse järgmise valemiga:

(22.12)

Siin ja on osakeste ülejäänud masside summad enne ja pärast reaktsiooni. Kui tuumareaktsioonid toimuvad energia neeldumisel, siis sellepärast neid nimetataksegi endotermiline, ja millal – energia vabanemisega. Sel juhul nimetatakse neid eksotermiline.

Igas tuumareaktsioonis on alati täidetud järgmised tingimused: looduskaitseseadused :

− elektrilaeng;

– nukleonite arv;

− energia;

− impulss.

Esimesed kaks seadust võimaldavad tuumareaktsioone õigesti kirjutada ka juhtudel, kui üks reaktsioonis osalevatest osakestest või selle produktidest on teadmata. Energia ja impulsi jäävuse seadusi kasutades on võimalik määrata reaktsiooniprotsessi käigus tekkivate osakeste kineetilised energiad, samuti nende edasise liikumise suunad.

Endotermiliste reaktsioonide iseloomustamiseks tutvustatakse mõistet kineetilise energia lävi , või tuumareaktsiooni lävi , need. langeva osakese madalaim kineetiline energia (võrdlusraamistikus, kus sihttuum on puhkeolekus), mille juures saab võimalikuks tuumareaktsioon. Energia ja impulsi jäävuse seadusest järeldub, et tuumareaktsiooni lävienergia arvutatakse järgmise valemiga:

. (22.13)

Siin on tuumareaktsiooni energia (7.12); -statsionaarse südamiku mass – sihtmärk; on tuumale langeva osakese mass.

Lõhustumisreaktsioonid. 1938. aastal avastasid Saksa teadlased O. Hahn ja F. Strassmann, et kui uraani pommitatakse neutronitega, ilmuvad mõnikord tuumad, mis on ligikaudu poole väiksemad algsest uraani tuumast. Seda nähtust nimetati tuuma lõhustumine.

See esindab esimest eksperimentaalselt täheldatud tuuma transformatsioonireaktsiooni. Näide on üks võimalikest uraan-235 tuuma lõhustumisreaktsioonidest:

Tuuma lõhustumise protsess kulgeb väga kiiresti, ~10-12 s. Sellise reaktsiooni (22.14) käigus vabanev energia on ligikaudu 200 MeV uraan-235 tuuma lõhustumise kohta.

Üldiselt võib uraan-235 tuuma lõhustumisreaktsiooni kirjutada järgmiselt:

+neutronid . (22.15)

Lõhustumisreaktsiooni mehhanismi saab selgitada tuuma hüdrodünaamilise mudeli raames. Selle mudeli järgi läheb neutron neeldumisel uraani tuumas ergastatud olekusse (joonis 22.2).

Liigne energia, mille tuum saab neutroni neeldumise tõttu, põhjustab nukleonide intensiivsemat liikumist. Selle tulemusena deformeerub tuum, mis viib lühimaa tuuma interaktsiooni nõrgenemiseni. Kui tuuma ergastusenergia on suurem kui teatud energia nn aktiveerimise energia , siis prootonite elektrostaatilise tõrjumise mõjul jaguneb tuum kaheks osaks, mis kiirgab lõhustumise neutronid . Kui ergastusenergia neutroni neeldumisel on väiksem kui aktivatsioonienergia, siis tuum ei jõua

lõhustumise kriitilises staadiumis ja pärast kvanti kiirgamist naaseb peamisse

Füüsikas tähistab mõiste “jõud” materiaalsete moodustiste vastastikmõju mõõtu, sealhulgas aineosade (makroskoopilised kehad, elementaarosakesed) vastastikmõju omavahel ja füüsikaliste väljadega (elektromagnetilised, gravitatsioonilised). Kokku on looduses teada nelja vastastikmõju tüüpi: tugev, nõrk, elektromagnetiline ja gravitatsiooniline ning igaühel neist on oma tüüpi jõud. Esimene neist vastab tuumajõududele, mis toimivad aatomituumade sees.

Mis ühendab tuumasid?

On üldteada, et aatomi tuum on pisike, selle suurus on neli kuni viis suurusjärku väiksem kui aatomi enda suurus. See tõstatab ilmselge küsimuse: miks see nii väike on? Pisikestest osakestest koosnevad aatomid on ju ikkagi palju suuremad kui neis sisalduvad osakesed.

Seevastu tuumad ei erine suuruselt palju nukleonitest (prootonitest ja neutronitest), millest need on valmistatud. Kas sellel on põhjust või on see kokkusattumus?

Vahepeal on teada, et just elektrilised jõud hoiavad negatiivselt laetud elektrone aatomituumade läheduses. Mis jõud või jõud hoiavad tuuma osakesi koos? Seda ülesannet täidavad tuumajõud, mis on tugeva vastasmõju mõõt.

Tugev tuumajõud

Kui looduses oleks ainult gravitatsiooni- ja elektrijõud, s.t. millega me igapäevaelus kokku puutume, oleksid aatomituumad, mis koosnevad sageli paljudest positiivselt laetud prootonitest, ebastabiilsed: prootoneid üksteisest eemale tõukavad elektrijõud oleksid miljoneid kordi tugevamad kui mis tahes gravitatsioonijõud, mis tõmbavad neid kokku sõbra poole. . Tuumajõud pakuvad elektrilisest tõukejõust isegi tugevamat külgetõmmet, kuigi tuuma struktuuris avaldub nende tegelikust suurusest vaid vari. Prootonite ja neutronite endi struktuuri uurides näeme tugeva tuumajõuna tuntud tõelisi võimalusi. Tuumajõud on selle ilming.

Ülaltoodud joonis näitab, et tuuma kaks vastandlikku jõudu on elektriline tõukejõud positiivselt laetud prootonite ja tuumajõu vahel, mis tõmbab prootoneid (ja neutroneid) kokku. Kui prootonite ja neutronite arv ei ole liiga erinev, on teised jõud esimesest paremad.

Prootonid on aatomite analoogid ja tuumad on molekulide analoogid?

Milliste osakeste vahel toimivad tuumajõud? Esiteks nukleonite (prootonite ja neutronite) vahel tuumas. Lõppkokkuvõttes toimivad nad ka prootoni või neutroni sees olevate osakeste (kvargid, gluoonid, antikvargid) vahel. See pole üllatav, kui mõistame, et prootonid ja neutronid on oma olemuselt keerulised.

Aatomis on tillukesed tuumad ja isegi väiksemad elektronid oma suurusega võrreldes üksteisest suhteliselt kaugel ning elektrilised jõud, mis neid aatomis koos hoiavad, on üsna lihtsad. Kuid molekulides on aatomite vaheline kaugus võrreldav aatomite suurusega, seega tuleb mängu viimaste sisemine keerukus. Aatomisiseste elektrijõudude osalisest kompenseerimisest tingitud mitmekesine ja keeruline olukord põhjustab protsesse, mille käigus elektronid saavad tegelikult liikuda ühelt aatomilt teisele. See muudab molekulide füüsika palju rikkamaks ja keerulisemaks kui aatomite oma. Samuti on prootonite ja neutronite vaheline kaugus tuumas võrreldav nende suurusega – ja nii nagu molekulide puhul, on tuumasid koos hoidvate tuumajõudude omadused palju keerulisemad kui prootonite ja neutronite lihtne külgetõmme.

Ilma neutronita pole tuuma, välja arvatud vesinik

Teatavasti on osade keemiliste elementide tuumad stabiilsed, teiste puhul aga lagunevad pidevalt ning selle lagunemise kiiruste vahemik on väga lai. Miks nukleoneid tuumades hoidvad jõud lakkavad tegutsemast? Vaatame, mida saame õppida lihtsatest kaalutlustest tuumajõudude omaduste kohta.

Üks on see, et kõik tuumad, välja arvatud kõige tavalisem vesiniku isotoop (millel on ainult üks prooton), sisaldavad neutroneid; see tähendab, et puudub mitme prootoniga tuum, mis ei sisalda neutroneid (vt joonist allpool). Seega on selge, et neutronid mängivad olulist rolli prootonite kokkukleepumises.

Joonisel fig. Ülal on näidatud valgusstabiilsed või peaaegu stabiilsed tuumad koos neutroniga. Viimased, nagu triitium, on näidatud punktiirjoonega, mis näitab, et nad lõpuks lagunevad. Teised vähese prootonite ja neutronite arvuga kombinatsioonid ei moodusta üldse tuuma või moodustavad äärmiselt ebastabiilseid tuumasid. Kaldkirjas on näidatud ka mõnele sellisele objektile sageli antud alternatiivsed nimed; Näiteks heelium-4 tuuma nimetatakse sageli α-osakeseks, mille nimi anti sellele siis, kui see 1890. aastatel radioaktiivsuse varajastes uuringutes algselt avastati.

Neutronid kui prootonikarjused

Vastupidi, ainult neutronitest koosnevat tuuma ilma prootoniteta pole olemas; enamikus kergetes tuumades, nagu hapnik ja räni, on ligikaudu sama palju neutroneid ja prootoneid (joonis 2). Suurtes suure massiga tuumades, nagu kuld ja raadium, on neutroneid veidi rohkem kui prootoneid.

See ütleb kahte asja:

1. Mitte ainult neutroneid pole vaja prootonite koos hoidmiseks, vaid prootoneid on vaja ka neutronite koos hoidmiseks.

2. Kui prootonite ja neutronite arv muutub väga suureks, siis tuleb prootonite elektriline tõukejõud kompenseerida paari täiendava neutroni lisamisega.

Viimane väide on illustreeritud alloleval joonisel.

Ülaltoodud joonisel on kujutatud stabiilsed ja peaaegu stabiilsed aatomituumad P (prootonite arv) ja N (neutronite arv) funktsioonina. Mustade punktidega näidatud joon näitab stabiilseid tuumasid. Igasugune nihe mustalt joonelt üles või alla tähendab tuumade eluea lühenemist – selle läheduses on tuumade eluiga miljoneid aastaid või rohkem, kui liigute edasi sinisele, pruunile või kollasele alale (erinevad värvid vastavad erinevatele tuuma lagunemise mehhanismid), muutub nende eluiga järjest lühemaks, kuni sekundi murdosani.

Pange tähele, et stabiilsete tuumade P ja N on väikese P ja N puhul ligikaudu võrdsed, kuid N muutub järk-järgult suuremaks kui P rohkem kui poolteist korda. Pange tähele ka seda, et stabiilsete ja pikaealiste ebastabiilsete tuumade rühm jääb kõigi P väärtuste puhul kuni 82-ni üsna kitsasse vahemikku. Suuremate arvude korral on teadaolevad tuumad põhimõtteliselt ebastabiilsed (kuigi need võivad eksisteerida miljoneid aastaid ). Ilmselt ei ole ülalnimetatud mehhanism tuumade prootonite stabiliseerimiseks, lisades neile selles piirkonnas neutroneid, 100% tõhus.

Kuidas sõltub aatomi suurus selle elektronide massist?

Kuidas mõjutavad vaatlusalused jõud aatomituuma struktuuri? Tuumajõud mõjutavad eelkõige selle suurust. Miks on tuumad aatomitega võrreldes nii väikesed? Selle väljaselgitamiseks alustame kõige lihtsamast tuumast, milles on nii prooton kui ka neutron: see on levinuim vesiniku isotoop, aatom, mis sisaldab ühte elektroni (nagu kõik vesiniku isotoobid) ning ühest prootonist ja ühest neutronist koosnev tuum. . Seda isotoopi nimetatakse sageli "deuteeriumiks" ja selle tuuma (vt joonis 2) nimetatakse mõnikord "deuteriumiks". Kuidas saame seletada, mis hoiab deuteroni koos? Noh, võite ette kujutada, et see ei erine nii palju tavalisest vesinikuaatomist, mis sisaldab ka kahte osakest (prooton ja elektron).

Joonisel fig. Eespool on näidatud, et vesinikuaatomis on tuum ja elektron teineteisest väga kaugel, selles mõttes, et aatom on palju suurem kui tuum (ja elektron on veelgi väiksem.) Kuid deuteronis on prootoni vaheline kaugus. ja neutron on võrreldav nende suurusega. See seletab osaliselt, miks tuumajõud on palju keerulisemad kui aatomi jõud.

On teada, et elektronidel on prootonite ja neutronitega võrreldes väike mass. Sellest järeldub

aatomi mass on sisuliselt lähedane selle tuuma massile,
aatomi suurus (sisuliselt elektronpilve suurus) on pöördvõrdeline elektronide massiga ja pöördvõrdeline kogu elektromagnetilise jõuga; Otsustavat rolli mängib kvantmehaanika määramatuse printsiip.

Mis siis, kui tuumajõud on sarnased elektromagnetilistega?

Aga deuteron? See, nagu aatom, koosneb kahest objektist, kuid need on peaaegu sama massiga (neutroni ja prootoni massid erinevad ainult umbes ühe osa võrra 1500-s), seega on mõlemad osakesed deuteroni massi määramisel võrdselt olulised. ja selle suurus. Oletame nüüd, et tuumajõud tõmbab prootonit neutroni poole samamoodi nagu elektromagnetilised jõud (see pole päris tõsi, aga kujutage korraks ette); ja siis analoogselt vesinikuga eeldame, et deuteroni suurus on pöördvõrdeline prootoni või neutroni massiga ja pöördvõrdeline tuumajõu suurusega. Kui selle suurus oleks sama (teatud kaugusel) elektromagnetjõuga, siis see tähendaks, et kuna prooton on umbes 1850 korda raskem kui elektron, siis peab deuteron (ja tegelikult iga tuum) olema vähemalt tuhat korda väiksem kui vesinikul.

Mida annab tuuma- ja elektromagnetjõudude olulise erinevuse arvestamine?

Kuid me juba arvasime, et tuumajõud on palju suurem kui elektromagnetiline jõud (samal kaugusel), sest kui see nii poleks, ei suudaks see ennetada prootonite vahelist elektromagnetilist tõuget enne, kui tuum laguneb. Nii saavad selle mõju all olev prooton ja neutron veelgi tihedamalt kokku. Ja seetõttu pole üllatav, et deuteron ja teised tuumad pole mitte ainult tuhat, vaid sada tuhat korda väiksemad kui aatomid! Jällegi, see on ainult sellepärast

prootonid ja neutronid on peaaegu 2000 korda raskemad kui elektronid,
nendel vahemaadel on tuuma prootonite ja neutronite vaheline suur tuumajõud mitu korda suurem kui vastavad elektromagnetilised jõud (sealhulgas elektromagnetiline tõukejõud tuuma prootonite vahel).

See naiivne oletus annab ligikaudu õige vastuse! Kuid see ei kajasta täielikult prootoni ja neutroni vahelise interaktsiooni keerukust. Üks ilmne probleem on see, et elektromagnetilisele jõule sarnane, kuid suurema külgetõmbe- või tõukejõuga jõud peaks ilmselgelt avalduma igapäevaelus, kuid me ei tähelda midagi sellist. Seega peab selles jõus midagi erinema elektrilistest jõududest.

Lühike tuumajõu ulatus

Need eristab see, et tuumajõud, mis hoiavad aatomituuma lagunemast, on väga olulised ja tugevad prootonite ja neutronite jaoks, mis asuvad üksteisest väga väikesel kaugusel, kuid teatud kaugusel (nn. jõud), langevad nad väga kiiresti, palju kiiremini kui elektromagnetilised. Selgub, et leviala võib olla ka mõõdukalt suure tuuma suurune, vaid mitu korda suurem kui prooton. Kui asetada prooton ja neutron selle vahemikuga võrreldavale kaugusele, tõmbavad nad teineteist ligi ja moodustavad deuteroni; kui neid eraldab suurem vahemaa, ei tunne nad peaaegu üldse mingit külgetõmmet. Tegelikult, kui need asetatakse liiga lähedale kuni punktini, kus nad hakkavad kattuma, tõrjuvad nad üksteist. See paljastab sellise kontseptsiooni nagu tuumajõud keerukuse. Füüsika areneb pidevalt nende toimemehhanismi selgitamise suunas.

Tuuma interaktsiooni füüsikaline mehhanism

Igal materiaalsel protsessil, sealhulgas nukleonidevahelisel vastasmõjul, peavad olema materjalikandjad. Need on tuumavälja kvantid - pi-mesonid (pioonid), mille vahetuse tõttu tekib nukleonide vaheline külgetõmme.

Kvantmehaanika põhimõtete kohaselt moodustavad pi-mesonid, mis pidevalt ilmuvad ja kohe kaovad, "alasti" nukleoni ümber midagi pilve taolist, mida nimetatakse mesonkatteks (meenutagem elektronpilvi aatomites). Kui kaks selliste kihtidega ümbritsetud nukleoni satuvad umbes 10–15 m kaugusele, toimub pioonide vahetus, mis sarnaneb valentselektronide vahetusele aatomites molekulide moodustumisel, ja nukleonide vahel tekib külgetõmme.

Kui nukleonite vahelised kaugused jäävad alla 0,7∙10 -15 m, siis hakkavad nad vahetama uusi osakesi – nn. ω ja ρ-mesonid, mille tulemusena ei toimu nukleonide vahel mitte külgetõmbe, vaid tõukejõud.

Tuumajõud: tuuma struktuur lihtsamast kuni suurimani

Kõike eelnevat kokku võttes võime märkida:

tugev tuumajõud on palju-palju nõrgem kui elektromagnetism kaugustel, mis on palju suuremad kui tüüpilise tuuma suurus, nii et igapäevaelus me seda ei kohta; Aga
tuumaga võrreldavatel lühikestel vahemaadel muutub see palju tugevamaks – tõmbejõud (eeldusel, et vahemaa pole liiga lühike) suudab ületada prootonitevahelise elektrilise tõukejõu.

Seega on see jõud oluline ainult tuuma suurusega võrreldavatel kaugustel. Allolev joonis näitab selle sõltuvust nukleonide vahelisest kaugusest.

Suuri tuumasid hoiab koos enam-vähem sama jõud, mis hoiab koos deuteroni, kuid protsessi üksikasjad on nii keerulised, et neid pole lihtne kirjeldada. Samuti ei mõisteta neid täielikult. Kuigi tuumafüüsika põhijooni on aastakümneid hästi mõistetud, on paljud olulised üksikasjad endiselt aktiivse uurimise all.

Tuumajõud pakuvad külgetõmmet- see tuleneb prootonitest ja neutronitest koosnevate stabiilsete tuumade olemasolu tõsiasjast.

Tuumajõud on absoluutsuuruses suured. Nende toime lühikestel vahemaadel ületab oluliselt kõigi looduses teadaolevate jõudude, sealhulgas elektromagnetiliste jõudude mõju.

Siiani teame nelja interaktsiooni tüüpi:

a) tugevad (tuuma) vastasmõjud;

b) elektromagnetilised vastasmõjud;

c) nõrk vastastikmõju, eriti selgelt täheldatav osakeste puhul, millel ei ole tugevat ja elektromagnetilist vastasmõju (neutriinod);

d) gravitatsioonilised vastasmõjud.

Seda tüüpi vastastikmõjude jõudude võrdlust saab saada ühikute süsteemi abil, milles neile jõududele vastavad iseloomulikud interaktsioonikonstandid ("laengute" ruudud) on mõõtmeteta.

Seega on interaktsiooni konstandid kahe nukleoni tuuma sees, millel on kõik need jõud, vastastikmõju konstandid suurusjärgus:

Tuumajõud tagavad tuumade olemasolu. Elektromagnetilised – aatomid ja molekulid. Nukleoni keskmine sidumisenergia tuumas on võrdne st kus on nukleoni puhkeenergia. Elektroni sidumisenergia vesinikuaatomis on ainult st kus on elektroni ülejäänud energia. Seetõttu on sellel skaalal sidumisenergiad seotud iseloomulike konstantidena:

Nõrgad interaktsioonid põhjustavad selliseid peeneid mõjusid nagu vastastikused muundumised lagunemise ja kinnipüüdmise kaudu (vt § 19), elementaarosakeste mitmesugused lagunemised, aga ka kõik neutriinode ja aine vastasmõju protsessid.

Kosmiliste kehade ja süsteemide stabiilsus on seotud gravitatsioonilise vastastikmõjuga.

Teise ja neljanda tüübi interaktsioonijõud vähenevad kaugusega, st üsna aeglaselt ja on seetõttu pikamaa. Esimese ja kolmanda tüübi interaktsioonid vähenevad kaugusega väga kiiresti ja on seetõttu lühikese ulatusega.

Tuumajõud on lühimaalised. See tuleneb: a) Rutherfordi katsetest osakeste hajumise kohta valgustuumade poolt (kauguste puhul, mis ületavad cm, katsetulemused

on seletatav puhtalt -osakeste Coulombi interaktsiooniga tuumaga, kuid väiksematel vahemaadel tekivad tuumajõudude mõjul kõrvalekalded Coulombi seadusest. Sellest järeldub, et tuumajõudude toimeulatus on igal juhul väiksem

b) raskete tuumade lagunemise uurimisest (vt § 15);

c) neutronite prootonite ja prootonite prootonite hajumise katsetest.

Vaatame neid veidi üksikasjalikumalt.

Riis. 17. Osakeste ja hajumise sihtmärk

Madala neutronite energia korral on nende hajumine inertsisüsteemi keskmes isotroopne. Tõepoolest, klassikaline impulsiga osake "püüab" tuumajõudude toimeraadiusega hajutavale sihtmärgile, kui see lendab väiksematel vahemaadel, st kui selle nurkimpulsi komponent trajektooritasandiga risti olevas suunas ei ületa mäed (joon. 17).

Kuid vastavalt de Broglie seosele juhtuva osakese kohta,

Osakese orbiidi impulsi projektsiooni maksimaalne väärtus saab aga olla võrdne vaid Seetõttu

Seega on a väärtuse korral süsteemi olekut kirjeldav lainefunktsioon sfääriliselt sümmeetriline punktis c. c. st selles süsteemis peab hajumine olema isotroopne.

Kui hajumine ei ole enam isotroopne. Langevate neutronite energiat vähendades ja seeläbi suurendades saab leida selle väärtuse, mille juures saavutatakse hajumise isotroopia. See annab hinnangu tuumajõudude ulatuse kohta.

Maksimaalne neutronite energia, mille juures sfääriliselt sümmeetrilist hajumist veel täheldati, oli võrdne See võimaldas määrata tuumajõudude toimeraadiuse ülemise piiri; see osutus võrdseks cm-ga.

Lisaks, kui prootoni voog hajub prootoni sihtmärgile, saab arvutada protsessi efektiivse ristlõike eeldatava väärtuse, kui toimivad ainult Coulombi jõud. Kui osakesed aga üksteisele väga lähedale jõuavad, hakkavad domineerima tuumajõud

Coulombi omadest kõrgemale ja hajutatud prootonite jaotus muutub.

Sellistest katsetest leiti, et tuumajõud vähenevad järsult prootonite vahelise kauguse suurenedes. Nende toimeala on üliväike ja ka suurusjärgus cm. Kahjuks ei anna madala energiaga nukleonide hajumise katsete tulemused infot tuumajõudude vahemaaga muutumise seadusest. Potentsiaalse kaevu detailne kuju jääb ebaselgeks.

Deuteroni tuumas kahe seotud nukleoni omaduste uurimise katsed ei võimalda samuti üheselt kehtestada tuumajõuvälja potentsiaali muutumise seadust kaugusega. Põhjus peitub tuumajõudude ebatavaliselt väikeses toimeraadiuses ja nende väga suures suuruses toimeraadiuses. Esimese lähendusena deuteroni omadusi kirjeldavale potentsiaalile saame võtta üsna laia spektri erinevaid funktsioone, mis peaksid kaugusega üsna kiiresti vähenema.

Katseandmed on ligikaudu rahuldatud näiteks järgmiste funktsioonidega.

Riis. 18. Deuteroni potentsiaalikaevu võimalikud kujundid: a - ristkülikukujuline kaev; eksponentsiaalne kaev; c on kaevu kuju Yukawa potentsiaali juures; -hästi tugeva tõukekeskusega potentsiaalil

1. Ristkülikukujuline potentsiaalikaev (joonis 18a):

kus on tuumajõudude toimeraadius, kahe interakteeruva nukleoni tsentrite vaheline kaugus.

2. Eksponentfunktsioon (joonis 18, b):

3. Yukawa mesoni potentsiaal (joonis 18c):

4. Tugeva tõrjuva keskosaga potentsiaal (joonis 18d):

Hajumisstruktuuri üksikasjalik uurimine ja võrdlemine teoreetiliste arvutustega räägib neist vormidest viimase kasuks. Praegu kasutatakse arvutusteks keerukamaid vorme, mis tagavad parema kooskõla katseandmetega.

Kõigil juhtudel on potentsiaalikaevu sügavus suurusjärgus mitukümmend. Väärtus tõrjuva keskkohaga potentsiaali puhul on suurusjärgus Fermi kümnendik.

Tuumajõud ei sõltu vastastikmõjus olevate osakeste elektrilaengutest. Interaktsiooni jõud või on samad. See omadus tuleneb järgmistest faktidest.

Valgusstabiilsetes tuumades, kui elektromagnetilise tõrjumise võib veel tähelepanuta jätta, on prootonite arv võrdne neutronite arvuga.Seetõttu on nende vahel mõjuvad jõud võrdsed, vastasel juhul toimuks mingis suunas nihe (kas või

Kerged peegeltuumad (näiteks neutronite prootonitega asendamisel ja vastupidi saadud tuumad on ühesuguse energiatasemega.

Neutronite prootonite ja prootonite prootonite hajumise katsed näitavad, et prootoni ja prootoniga neutroni tuumatõmbe suurus on sama.

See tuumajõudude omadus on põhiline ja näitab sügavat sümmeetriat, mis eksisteerib kahe osakese: prootoni ja neutroni vahel. Seda nimetati laengu sõltumatuseks (või sümmeetriaks) ja see võimaldas käsitleda prootonit ja neutronit ühe ja sama osakese – nukleoni – kahe olekuna.

Seega on nukleonil mingi täiendav sisemine vabadusaste – laeng –, mille suhtes on võimalikud kaks olekut: prooton ja neutron. See on analoogne osakeste spinniomadustega: spin on lisaks ruumilisele liikumisele ka osakese sisemine vabadusaste, mille suhtes on elektronil (või nukleonil) vaid kaks võimalikku olekut. Järjestikune kvantmehaaniline

nende kahe vabadusastme: laeng ja spin - kirjeldus on formaalselt sama. Seetõttu on vastavalt tavaks laengu vabadusastet visuaalselt kirjeldada tavapärase kolmemõõtmelise ruumi abil, mida nimetatakse isotoobiks, ja osakese (nukleoni) olekut selles ruumis iseloomustab isotoopne spin, mida tähistatakse

Vaatame seda veidi üksikasjalikumalt, tulles tagasi tavalise keerutamise kontseptsiooni juurde.

Oletame, et on kaks elektroni, mis, nagu me teame, on täiesti identsed. Mõlemal on oma nurkimment – spin. Kuid nende pöörlemissuunda ei saa tuvastada. Asetame need nüüd välisesse magnetvälja. Kvantmehaanika põhipostulaatide kohaselt võib iga osakese "pöörlemistelg" hõivata selle välisvälja suhtes ainult rangelt määratletud positsioone. Võrdse spinniga osakeste spintelg võib olla orienteeritud kas piki välja suunda või selle suunas (joonis 19). Impulsiga osakesel võivad olla olekud; elektron, millel on 2 olekut. Spinniprojektsioonide väärtus võib olla See toob kaasa asjaolu, et magnetväljas olevad osakesed võivad nüüd olla erineva energiaga ja neid on võimalik üksteisest eristada. See näitab, et elektroni olek on tema magnetiliste omaduste tõttu dublett.

Ilma välise magnetväljata ei ole võimalik elektroni kahte võimalikku olekut eraldada; Väidetakse, et riigid "maneeruvad" hoomamatuteks olekuteks.

Sarnane olukord tekib vesinikuaatomis. Aatomi olekute iseloomustamiseks võetakse kasutusele orbitaalkvantarv, mis iseloomustab aatomite orbiidi nurkimmenti. Antud I-ga aatomil võivad olla olekud, kuna välisväljas võivad eksisteerida ainult täiesti kindlad I projektsiooni väärtused välja suunas (alates - I kuni Välisvälja puudub, on olek mitmekordselt degenereerunud .

Neutroni avastamine viis ideeni elektroni magnetilise degeneratsiooniga sarnase nähtuse olemasolust.

Tuumajõudude laengusõltumatus tähendab ju seda, et tugevas vastasmõjus käituvad prooton ja neutron nagu sama osake. Neid saab eristada ainult siis, kui võtame arvesse elektromagnetilist vastasmõju. Kui kujutada ette, et elektromagnetilisi LED-e saab kuidagi “välja lülitada” (joon. 20, a), siis prooton ja neutron muutuvad eristamatuteks osakesteks ja isegi nende massid on võrdsed (täpsemalt masside võrdsuse kohta vt § 12 ). Seetõttu võib tsüklonit pidada "laengu dubletiks", milles üks olek esindab prootonit ja teine neutronit. Kui kaasate elektromagnetilisi jõude, siis tingimuslikult

esitatud joonisel fig. 20b punktiirjoonega, siis eelnevatele laengust sõltumatutele jõududele liidetakse laengust sõltuvad elektrijõud.

Riis. 19. Elektronide spinni orientatsioon magnetväljas

Riis. 20. Prootoni ja neutroni erinevus elektromagnetilise vastastikmõju tõttu

Laetud osakeste energia erineb neutraalsete osakeste energiast ning prootoni ja neutroni saab eraldada. Järelikult ei ole nende puhkemassid võrdsed.

Nukleoni oleku iseloomustamiseks tuumas võttis Heisenberg kasutusele puhtalt formaalse isotoopspinni kontseptsiooni, mis peaks analoogselt kvantarvudega määrama nukleoni degenereerunud olekute arvu, mis on võrdne sõnaga "isotoop" väljendab tõsiasja et prooton ja neutron on oma omadustelt lähedased (isotoobid – identsete keemiliste omadustega aatomid, mis erinevad tuumas olevate neutronite arvu poolest).

Sõna "spin" tulenes selles kontseptsioonis puhtalt matemaatilisest analoogiast osakese tavalise spinniga.

Oluline on veel kord märkida, et isotoopspinni kvantmehaaniline vektor sisestatakse mitte tavalisse, vaid tavaruumi, mida nimetatakse isotoop- või laenguruumiks. Viimast, erinevalt tavalistest telgedest, täpsustavad tingimusteljed. Selles ruumis ei saa osake translatsiooniliselt liikuda, vaid ainult pöörleb.

Seega tuleks isotoopi spinni pidada matemaatiliseks tunnuseks, mis eristab prootonit neutronist; füüsiliselt on nad elektromagnetväljaga erinevas suhtes.

Nukleoni isotoopspinn on võrdne ja sellel on komponendid ja telje suhtes Projektsioon sellele teljele on tinglikult aktsepteeritud, et prootoni ja neutroni korral, st prooton muundub neutroniks, kui isotoop spin on isotoopruumis pööratud 180°.

Seda formaalset tehnikat kasutades avaldub laengusõltuvus jäävusseaduse vormis: nukleonide interaktsiooni käigus jääb isotoobi koguspinn ja selle projektsioon muutumatuks, s.o.

Seda säilivusseadust võib formaalselt pidada füüsikaliste seaduste sõltumatuse isotoopruumis pöörlemisest. See kaitseseadus on aga ligikaudne. See kehtib niivõrd, kuivõrd elektromagnetilisi jõude saab tähelepanuta jätta ja neid võib veidi rikkuda – elektromagnetiliste ja tuumajõudude suhte ulatuses. Selle füüsiline tähendus seisneb selles, et süsteemide tuumajõud on identsed.

Naaseme isotoopse spinni mõiste juurde elementaarosakeste peatükis, mille jaoks see omandab täiendava tähenduse.

Tuumajõud sõltuvad spinnist. Tuumajõudude sõltuvus spinnist tuleneb järgmistest faktidest.

Samal tuumal erinevate spinnidega olekutes on erinev sidumisenergia. Näiteks deuteroni sidumisenergia, mille spinnid on paralleelsed, on võrdne, antiparalleelsete spinnide puhul pole stabiilset olekut üldse olemas.

Neutron-prootoni hajumine on tundlik spin-orientatsiooni suhtes. Neutronite ja prootonite interaktsiooni tõenäosus arvutati teoreetiliselt eeldusel, et interaktsioonipotentsiaal ei sõltu spinnist. Selgus, et katsetulemused erinesid teoreetilistest viis korda.

Lahknevus on välistatud, kui võtta arvesse, et interaktsioon sõltub spinnide suhtelisest orientatsioonist.

Tuumajõudude sõltuvus spinni orientatsioonist avaldub orto- ja paravesiniku molekulide neutronite hajumise katsetes.

Fakt on see, et vesinikumolekule on kahte tüüpi: ortovesinikmolekulis on kahe prootoni spinnid üksteisega paralleelsed, spinnide koguarv on 1 ja sellel võib olla kolm orientatsiooni (nn tripleti olek); paravesiniku molekulis on spinnid antiparalleelsed, koguspinn on null ja võimalik on üks olek (nn singlett olek),

Orto- ja paravesiniku molekulide arvu suhe toatemperatuuril on See suhe määratakse võimalike olekute arvu järgi.

Põhilise paraoleku energia on madalam kui orgo põhioleku energia. Madalatel temperatuuridel muutuvad ortovesiniku molekulid paravesiniku molekulideks. Katalüsaatori juuresolekul toimub see muundumine üsna kiiresti ja on võimalik saada vedelat vesinikku puhtas paravesiniku olekus. Millal

neutronite hajumine ortovesinikul, neutroni spin on kas paralleelne mõlema prootoni spinnidega või mõlemaga antiparalleelne; st seal on konfiguratsioonid:

Paravesiniku hajutamisel on neutroni spinn alati paralleelne ühe prootoni spinniga ja antiparalleel teise prootoni spinniga; Sõltumata paravesiniku molekuli orientatsioonist on konfiguratsioonil iseloom

Riis. 21 Neutronite hajumine vesiniku molekulidel

Vaatleme hajumist kui laineprotsessi. Kui hajumine sõltub spinnide vastastikusest orientatsioonist, siis mõlema prootoni poolt hajutatud neutronlainete vaadeldav interferents on orto- ja paravesiniku molekulide hajumise protsesside puhul oluliselt erinev.

Milline peab olema neutronite energia, et hajumise erinevus oleks märgatav? Molekulis paiknevad prootonid tuumajõudude raadiusest mitu korda suuremal kaugusel. cm.. Seetõttu võib neutroni laineomaduste tõttu hajumisprotsess toimuda üheaegselt mõlemal prootonil kui (joon. 21). Selleks oli vajalik de Broglie laine

neutroni jaoks, mille mass võrdub energiaga

Tuumajõududel on küllastumise omadus. Nagu juba §-s 4 mainitud, väljendub tuumajõudude küllastumise omadus selles, et tuuma sidumisenergia on võrdeline tuumas olevate nukleonide arvuga - A, mitte aga

See tuumajõudude omadus tuleneb ka kergete tuumade stabiilsusest. Näiteks deuteroonile on võimatu lisada järjest uusi osakesi, teada on vaid üks selline kombinatsioon täiendava neutron-triitiumiga. Seega võib prooton moodustada seotud olekuid mitte rohkem kui kahe neutroniga.

Heisenbergi küllastumise selgitamiseks pakuti, et tuumajõud on vahetusloomulised.

Tuumajõud on vahetuse iseloomuga. Esmakordselt pandi paika keemiliste sidejõudude vahetus iseloom: side tekib elektronide ühelt aatomilt teisele ülekandumise tulemusena. Vahetusjõududeks võib liigitada ka elektromagnetjõude: laengute vastastikmõju on seletatav sellega, et nad vahetavad y-kvante. Sel juhul aga küllastust ei toimu, kuna y-kvantide vahetus ei muuda iga osakese omadusi.

Tuumajõudude vahetusomadus avaldub selles, et kokkupõrke ajal võivad nukleonid üksteisele üle kanda selliseid omadusi nagu laeng, spin-projektsioonid ja muud.

Vahetuse olemust kinnitavad erinevad katsed, näiteks kõrge energiaga neutronite nurkjaotuse mõõtmistulemused, kui need on prootonite poolt hajutatud. Vaatame seda üksikasjalikumalt.

Tuumafüüsikas nimetatakse energiat kõrgeks siis, kui osakese de Broglie laine rahuldab seost st.

Nukleonide puhul on de Broglie lainepikkus seotud kineetilise energiaga võrrandi abil

ja seetõttu võib nukleoni kineetilist energiat nimetada suureks, kui see on oluliselt suurem

Kvantmehaanika võimaldab teada saada efektiivse hajumise ristlõike sõltuvust langevate neutronite energiast ja hajumisnurgast, kui interaktsioonipotentsiaal on teada.

Arvutused näitavad, et potentsiaali nagu ristkülikukujulise kaevu korral peaks hajumise ristlõige varieeruma sõltuvalt osakeste energiast, samuti peaks hajumine ise toimuma väikese nurga piires. inertsisüsteemil peaks olema maksimum nende liikumissuunas ja tagasilöögiprootonite jaotusel peaks olema maksimum vastupidises suunas.

Eksperimentaalselt avastati neutronite puhul mitte ainult ettepoole suunatud nurkjaotuse tipp, vaid ka teine tipp tagurpidi (joonis 22).

Riis. 22. Prootonite neutronite hajumise diferentsiaalristlõike sõltuvus hajumise nurgast

Eksperimentaalseid tulemusi saab seletada vaid eeldusega, et nukleonide vahel toimivad vahetusjõud ja hajumise käigus vahetavad neutronid ja prootonid oma laenguid, st hajumine toimub "laenguvahetusega". Sel juhul muutub osa neutronitest prootoniteks ning prootoneid vaadeldakse lendamas langevate neutronite, nn laenguvahetusprootonite suunas. Samal ajal muutub osa prootonitest neutroniteks ja registreeritakse neutronitena, mis hajuvad tagasi s-i.

Vahetus- ja tavajõudude suhtelise rolli määrab tagasi lendavate neutronite arvu ja edasi lendavate neutronite arvu suhe.

Kvantmehaanika põhjal saab tõestada, et vahetusjõudude olemasolu viib alati küllastumise nähtuseni, kuna osake ei saa üheaegselt paljude osakestega vahetuse kaudu suhelda.

Nukleon-nukleonide hajumise katsete üksikasjalikum uurimine näitab aga, et kuigi vastastikmõju jõud on tõepoolest vahetusloomuline, on tavalise potentsiaali segu vahetuspotentsiaaliga selline, et see ei suuda küllastumist täielikult seletada. Avastatakse ka teine tuumajõudude omadus. Selgub, et kui nukleonide vahel suurtel vahemaadel mõjuvad valdavalt tõmbejõud, siis nukleonide lähestikku sattumisel (suurusjärgus cm kaugusel) tekib terav tõuge. Seda saab seletada tuumade olemasoluga nukleonides, mis üksteist tõrjuvad.

Arvutused näitavad, et just need tuumad on peamiselt vastutavad küllastusefekti eest. Sellega seoses peaks tuuma interaktsiooni ilmselt iseloomustama ebaühtlane potentsiaal nagu ristkülikukujuline kaev (joonis kompleksfunktsioon, millel on väikeste vahemaade funktsioon (joonis 18d).

1. Tuumajõud on lühimaa tõmbejõud . Need esinevad ainult väga väikestel kaugustel nukleonide vahel tuumas suurusjärgus 10–15 m. Suurust (1,5–2,2)·10–15 m kaugust nimetatakse tuumajõudude toimeraadiuseks, selle suurenemisega , tuumajõud vähenevad kiiresti. Suurusjärgu (2–3) m kaugusel nukleonidevaheline tuumainteraktsioon praktiliselt puudub.

Tuumajõudude kompleksne olemus ei võimalda välja töötada ühtset järjepidevat tuuma vastastikmõju teooriat, kuigi välja on pakutud palju erinevaid lähenemisviise. Jaapani füüsiku H. Yukawa hüpoteesi järgi, mille ta 1935. aastal välja pakkus, põhjustavad tuumajõude vahetus – mesonid, s.o. elementaarosakesed, mille mass on ligikaudu 7 korda väiksem kui nukleonide mass. Selle mudeli järgi nukleon ajas m- mesonimass) kiirgab mesoni, mis valguse kiirusele lähedase kiirusega liikudes katab vahemaa , misjärel see imendub teise nukleoni poolt. Teine nukleon omakorda kiirgab mesoni, mille esimene neelab. Seetõttu määrab H. Yukawa mudelis nukleonide vastasmõju kauguse mesoni teepikkus, mis vastab umbes m ja suurusjärgus langeb kokku tuumajõudude toimeraadiusega.

Pöördume nukleonide vahelise vahetusinteraktsiooni käsitlemise juurde. On positiivseid, negatiivseid ja neutraalseid mesoneid. Laengu - või - mesonite moodul on arvuliselt võrdne elementaarlaenguga e. Laetud mesonite mass on sama ja võrdne (140 MeV), mesoni mass on 264 (135 MeV). Nii laetud kui ka neutraalsete mesonite spinn on 0. Kõik kolm osakest on ebastabiilsed. - ja - mesonite eluiga on 2,6 Koos, - meson – 0,8·10 -16 Koos. Nukleonide vaheline interaktsioon toimub vastavalt ühele järgmistest skeemidest:

(22.7)
1. Nukleonid vahetavad mesoneid:

2. Nukleonide vahetus – mesonid:

3. Nukleonide vahetus – mesonid:

. (22.10)

Kerneli mudelid. Tuumajõudude matemaatilise seaduse puudumine ei võimalda luua ühtset tuumateooriat. Sellise teooria loomise katsed satuvad tõsistesse raskustesse. Siin on mõned neist:

1. Teadmiste puudumine nukleonide vahel mõjuvate jõudude kohta.

2. Kvant-mitmekehaprobleemi äärmuslik kohmakus (massiarvuga tuum A on süsteem A tel).

Need raskused sunnivad meid asuma tuumamudelite loomise teele, mis võimaldavad kirjeldada teatud tuumaomaduste kogumit suhteliselt lihtsate matemaatiliste vahenditega. Ükski neist mudelitest ei suuda anda tuuma absoluutselt täpset kirjeldust. Seetõttu peate kasutama mitut mudelit.

Under kerneli mudel tuumafüüsikas saavad nad aru füüsikaliste ja matemaatiliste eelduste kogumist, mille abil on võimalik arvutada tuumasüsteemi karakteristikud, mis koosnevad A nukleonid. Välja on pakutud ja välja töötatud palju erineva keerukusega mudeleid. Vaatleme neist ainult kõige kuulsamaid.

Südamiku hüdrodünaamiline (tilkuv) mudel töötati välja 1939. aastal. N. Bohr ja nõukogude teadlane J. Frenkel. See põhineb eeldusel, et tuumas olevate nukleonide suure tiheduse ja nendevahelise ülitugeva interaktsiooni tõttu on üksikute nukleonide iseseisev liikumine võimatu ja tuum on tilk laetud vedelikku tihedusega . Nagu tavalise vedelikutilga puhul, võib ka südamiku pind kõikuda. Kui vibratsiooni amplituud muutub piisavalt suureks, toimub tuuma lõhustumise protsess. Tilgamudel võimaldas saada valemit tuumas olevate nukleonide sidumisenergia kohta ja selgitas mõnede tuumareaktsioonide mehhanismi. See mudel ei selgita aga enamikku aatomituumade ergastusspektreid ja mõne neist erilist stabiilsust. See on tingitud asjaolust, et hüdrodünaamiline mudel peegeldab väga ligilähedaselt südamiku sisemise struktuuri olemust.

Kerneli kestamudel aastatel 1940-1950 välja töötanud Ameerika füüsik M. Geppert - Mayer ja saksa füüsik H. Jensen. See eeldab, et iga nukleon liigub teistest sõltumatult mingis keskmises potentsiaaliväljas (tuuma allesjäänud nukleonide poolt hästi loodud potentsiaal. Kestmudeli raames funktsiooni ei arvutata, vaid valitakse nii, et kõige parem kokkusobivus katseandmeid on võimalik saada.

Potentsiaalse kaevu sügavus on tavaliselt ~ (40-50) MeV ja ei sõltu tuumas olevate nukleonide arvust. Kvantteooria järgi on nukleonid väljas teatud diskreetsetel energiatasemetel. Kestmudeli loojate põhieeldus nukleonide iseseisvast liikumisest keskmises potentsiaalväljas on vastuolus hüdrodünaamilise mudeli väljatöötajate põhisätetega. Seetõttu ei saa kooremudeli raames seletada südamiku omadusi, mida hüdrodünaamiline mudel hästi kirjeldab (näiteks sidumisenergia väärtust) ja vastupidi.

Üldistatud kerneli mudel , mis töötati välja aastatel 1950-1953, ühendab hüdrodünaamiliste ja kestamudelite loojate peamised sätted. Üldistatud mudelis eeldatakse, et tuum koosneb sisemisest stabiilsest osast - tuumast, mille moodustavad täidetud kestade nukleonid, ja välistest nukleonitest, mis liiguvad tuuma nukleonide tekitatud väljal. Sellega seoses kirjeldab südamiku liikumist hüdrodünaamiline mudel ja väliste nukleonide liikumist kesta mudel. Tänu interaktsioonile väliste nukleonidega võib tuum deformeeruda ja tuum võib pöörata ümber deformatsiooniteljega risti oleva telje. Üldistatud mudel võimaldas selgitada aatomituumade pöörlemis- ja võnkespektri põhijooni, aga ka mõnede neist kvadrupoolse elektrimomendi kõrgeid väärtusi.

Oleme käsitlenud peamisi fenomenoloogilisi, s.o. kirjeldavad, tuumamudelid. Tuuma omadused ja struktuuri määravate tuuma vastasmõjude olemuse täielikuks mõistmiseks on aga vaja luua teooria, milles tuuma käsitletaks interakteeruvate nukleonide süsteemina.