Apakah kuasa nuklear dan apakah sifatnya. Daya nuklear dan sifatnya

1.3.1 . Nukleus mana-mana atom mempunyai struktur yang kompleks dan terdiri daripada zarah yang dipanggil nukleon. Terdapat dua jenis nukleon yang diketahui - proton dan neutron .
Proton - nukleon dengan jisim 1 amu. dengan cas positif sama dengan unit, iaitu, cas asas elektron.
Neutron -neutral secara elektrik nukleon dengan jisim 1 amu.
*) Tegasnya, jisim selebihnya proton dan neutron agak berbeza: m p = 1.6726. 10 -24 G, dan m n = 1.67439 . 10 -24 G. Perbezaan ini akan dibincangkan kemudian.

1.3.2. Sejak jisim nukleus secara praktikal adalah sama dengan A, cas nukleus ialah z, dan jisim proton dan neutron hampir sama Dengan idea-idea sebegitu, ia harus dipandang remeh nukleus atom stabil neutral elektrik terdiri daripada z proton dan ( A - z ) neutron. Oleh itu, nombor atom unsur tidak lebih daripada caj proton nukleus atom, dinyatakan dalam cas asas elektron. Dalam kata lain, z - ini nombornya proton dalam nukleus atom.

1.3.3 . Kehadiran proton (zarah dengan cas elektrik dengan tanda yang sama) dalam nukleus, disebabkan oleh daya tolakan Coulomb di antara mereka, harus membawa kepada penyerakan nukleon. Pada hakikatnya ini tidak berlaku. Kewujudan banyak nukleus yang stabil dalam alam semula jadi membawa kepada kesimpulan bahawa kewujudan antara nukleon nukleus lebih berkuasa daripada nukleon Coulomb, kuasa nuklear tarikan, yang, mengatasi penolakan Coulomb proton, menarik nukleon ke dalam struktur yang stabil - nukleus.

1.3.4. Dimensi nukleus atom, ditentukan oleh formula (1.4), adalah dalam susunan 10 -13 cm. Oleh itu sifat pertama daya nuklear (berbeza dengan Coulomb, graviti dan lain-lain) - tindakan singkat: kuasa nuklear bertindak hanya pada jarak yang kecil, setanding mengikut urutan magnitud dengan saiz nukleon itu sendiri.
Walaupun tanpa mengetahui dengan tepat jenis pembentukan bahan proton atau neutron, seseorang boleh menganggarkannya berkesan dimensi sebagai diameter sfera, pada permukaannya tarikan nuklear dua proton berjiran diimbangi oleh tolakan Coulomb mereka. Eksperimen pada pemecut pada penyerakan elektron oleh nukleus membolehkan untuk menganggarkan jejari nukleon berkesan Rн ≈ 1.21. 10 -13 cm.

1.3.5 . Dari tindakan singkat kuasa nuklear berikut harta kedua mereka, secara ringkas dipanggil ketepuan . Maksudnya begitu Mana-mana nukleon dalam nukleus tidak berinteraksi dengan semua nukleon lain, tetapi hanya dengan bilangan nukleon terhad yang merupakan jiran terdekatnya.

1.3.6. Harta ketiga kuasa nuklear - mereka ekuinoks. Oleh kerana diandaikan bahawa daya interaksi antara nukleon kedua-dua jenis adalah daya yang mempunyai sifat yang sama, maka diandaikan bahawa pada jarak yang sama urutan 10 -13 cm dua proton, dua neutron atau proton dengan neutron berinteraksi sama.

1.3.7. proton percuma (iaitu, di luar nukleus atom ) stabil . Neutron tidak boleh wujud untuk masa yang lama dalam keadaan bebas: ia mengalami pereputan menjadi proton, elektron dan antineutrino dengan separuh hayat T 1/2 = 11.2 min. mengikut skema:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antineutrino (n) - zarah neutral elektrik bagi jirim dengan jisim rehat sifar.

1.3.8. Jadi, mana-mana teras dianggap sepenuhnya secara individu, jika dua ciri utamanya diketahui - bilangan proton z dan nombor jisim A, kerana perbezaan (A - z) menentukan bilangan neutron dalam nukleus. Nukleus atom individu biasanya dipanggil nuklida.
Di antara banyak nuklida (dan lebih daripada 2000 daripadanya diketahui pada masa ini - semula jadi dan tiruan) terdapat yang salah satu daripada dua ciri yang disebutkan adalah sama, dan satu lagi berbeza dari segi saiz.
Nuklid dengan z (bilangan proton) yang sama dipanggil isotop. Oleh kerana nombor atom menentukan, mengikut Undang-undang Berkala D.I. Mendeleev, keperibadian sahaja kimia sifat atom unsur, isotop selalu dibicarakan dengan merujuk kepada unsur kimia yang sepadan dalam Jadual Berkala.
Contohnya, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U adalah semua isotop uranium, yang mempunyai nombor atom z = 92 dalam Jadual Berkala Unsur.
Isotop sebarang unsur kimia seperti yang kita lihat , mempunyai bilangan proton yang sama, tetapi bilangan neutron yang berbeza.

Nuklid dengan jisim yang sama ( A ), tetapi dengan cas yang berbeza z dipanggil isobar . Isobar, tidak seperti isotop, adalah nuklida pelbagai unsur kimia.
Contoh. 11 B 5 dan 11 C 4 - isobar boron dan nuklida karbon; 7 Li 3 dan 7 Be 4 - isobar litium dan nuklida berilium; 135 J 53, 135 Xe 54 dan 135 Cs 55 juga masing-masing isobar iodin, xenon dan cesium.

1.3.9 . Daripada formula (1.4) seseorang boleh menganggarkan ketumpatan nukleon dalam nukleus dan ketumpatan jisim bahan nuklear. Mengambil kira nukleus sebagai sfera dengan jejari R dan dengan bilangan nukleon dalam isipadunya sama dengan A, kita dapati bilangan nukleon per unit isipadu nukleus sebagai:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p(1.21. 10 -13 A 1/3) 3 = 1.348. 10 38 nukl/cm 3,
a, kerana jisim satu nukleon ialah 1 amu. = 1.66056. 10 -24 G, maka ketumpatan bahan nuklear didapati sebagai:
γ rav = Nm n = 1.348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2.238. 10 14 g/cm 3.= 223 800 000 t/cm 3
Prosedur pengiraan di atas menunjukkan bahawa Ketumpatan bahan nuklear adalah sama dalam nukleus semua unsur kimia.
Kelantangan. setiap 1 nukleon dalam nukleus, V i/A = 1/N = 1/1.348. 10 38 = 7.421. 10 -39 cm 3
- juga sama untuk semua teras, oleh itu, jarak purata antara pusat nukleon jiran dalam mana-mana nukleus (yang secara konvensional boleh dipanggil diameter purata nukleon) akan sama dengan
D n = (V i) 1/3 = (7.421. 10 -39) 1/3 = 1.951. 10 -13 cm .

1.3.10. Sehingga kini, sedikit yang diketahui tentang ketumpatan proton dan neutron dalam nukleus atom. Oleh kerana proton, tidak seperti neutron, tertakluk kepada bukan sahaja tarikan nuklear dan graviti, tetapi juga tolakan Coulomb, boleh diandaikan bahawa cas proton nukleus adalah lebih kurang sama rata ke atasnya. permukaan.

Di penghujung pengajian, ramai pelajar sekolah menengah, ibu bapa dan ribuan profesional muda menghadapi pilihan yang sukar - memilih institusi pengajian tinggi (IPT). Agak sukar untuk mengemudi dan tidak keliru dalam kepelbagaian universiti, institut dan fakulti. Baca ulasan tentang universiti yang ditinggalkan oleh pelajar, guru dan graduan sebelum menerima. Memilih institusi pendidikan yang betul adalah kunci kejayaan dalam kerjaya masa depan anda!

Nukleus atom, yang terdiri daripada sebilangan proton dan neutron, adalah satu keseluruhan disebabkan oleh daya tertentu yang bertindak antara nukleon nukleus dan dipanggil nuklear. Telah terbukti secara eksperimen bahawa daya nuklear mempunyai nilai yang sangat besar, jauh lebih besar daripada daya tolakan elektrostatik antara proton. Ini ditunjukkan dalam fakta bahawa tenaga pengikat khusus nukleon dalam nukleus adalah lebih besar daripada kerja yang dilakukan oleh daya tolakan Coulomb. Mari lihat yang utama ciri-ciri kuasa nuklear.

1. Kuasa nuklear ialah daya tarikan jarak dekat . Ia hanya muncul pada jarak yang sangat kecil antara nukleon dalam nukleus dengan urutan 10 –15 m. Jarak urutan (1.5 – 2.2) 10 –15 m dipanggil pelbagai daya nuklear, dengan peningkatannya, daya nuklear dengan cepat berkurangan. Pada jarak urutan (2-3) m, interaksi nuklear antara nukleon hampir tidak wujud.

2. Tenaga nuklear mempunyai harta ketepuan, mereka. setiap nukleon hanya berinteraksi dengan sebilangan jiran terdekat. Sifat daya nuklear ini ditunjukkan dalam ketekalan anggaran tenaga pengikat khusus nukleon pada nombor cas. A>40. Sesungguhnya, jika tiada ketepuan, maka tenaga pengikat tertentu akan meningkat dengan bilangan nukleon dalam nukleus.

3. Satu ciri kuasa nuklear juga mereka menuntut kemerdekaan , iaitu mereka tidak bergantung kepada cas nukleon, jadi interaksi nuklear antara proton dan neutron adalah sama. Kebebasan cas kuasa nuklear boleh dilihat daripada perbandingan tenaga pengikat teras cermin . Ini adalah nama yang diberikan kepada nukleus di mana jumlah bilangan nukleon adalah sama, tetapi bilangan proton dalam satu adalah sama dengan bilangan neutron dalam satu lagi. Sebagai contoh, tenaga pengikat helium dan hidrogen berat - nukleus tritium masing-masing adalah 7.72 MeV dan 8.49 MeV. Perbezaan dalam tenaga pengikat nukleus ini, bersamaan dengan 0.77 MeV, sepadan dengan tenaga tolakan Coulomb dua proton dalam nukleus. Dengan mengandaikan nilai ini sama dengan , kita boleh mendapati bahawa jarak purata r antara proton dalam nukleus ialah 1.9·10 –15 m, yang konsisten dengan jejari tindakan daya nuklear.

4. Kuasa nuklear bukan pusat dan bergantung pada orientasi bersama bagi putaran nukleon yang berinteraksi. Ini disahkan oleh sifat penyerakan neutron yang berbeza oleh molekul orto dan parahidrogen. Dalam molekul ortohidrogen, putaran kedua-dua proton adalah selari antara satu sama lain, manakala dalam molekul parahidrogen ia adalah antiselari. Eksperimen telah menunjukkan bahawa serakan neutron pada parahidrogen adalah 30 kali lebih besar daripada serakan pada ortohidrogen.

Sifat kompleks kuasa nuklear tidak membenarkan pembangunan satu teori interaksi nuklear yang konsisten, walaupun banyak pendekatan yang berbeza telah dicadangkan. Menurut hipotesis ahli fizik Jepun H. Yukawa (1907-1981), yang dicadangkannya pada tahun 1935, daya nuklear disebabkan oleh pertukaran - meson, i.e. zarah asas yang jisimnya lebih kurang 7 kali lebih kecil daripada jisim nukleon. Menurut model ini, nukleon dalam masa m- jisim meson) mengeluarkan meson, yang, bergerak pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya, meliputi jarak , selepas itu ia diserap oleh nukleon kedua. Sebaliknya, nukleon kedua juga mengeluarkan meson, yang diserap oleh nukleon pertama. Dalam model H. Yukawa, oleh itu, jarak di mana nukleon berinteraksi ditentukan oleh panjang laluan meson, yang sepadan dengan jarak kira-kira m dan mengikut urutan magnitud bertepatan dengan jejari tindakan daya nuklear.

Mari kita beralih kepada pertimbangan interaksi pertukaran antara nukleon. Terdapat meson positif, negatif dan neutral. Modulus cas - atau - meson secara berangka sama dengan cas asas e . Jisim meson bercas adalah sama dan sama dengan (140 MeV), jisim meson ialah 264 (135 MeV). Putaran kedua-dua meson bercas dan neutral ialah 0. Ketiga-tiga zarah tidak stabil. Hayat - dan - meson ialah 2.6 Dengan, - meson – 0.8·10 -16 Dengan. Interaksi antara nukleon dijalankan mengikut salah satu skema berikut:

1. Nukleon bertukar meson: . (22.8)

Dalam kes ini, proton mengeluarkan meson, bertukar menjadi neutron. Meson diserap oleh neutron, yang seterusnya bertukar menjadi proton, maka proses yang sama berlaku dalam arah yang bertentangan. Oleh itu, setiap nukleon yang berinteraksi menghabiskan sebahagian daripada masa dalam keadaan bercas dan sebahagian dalam keadaan neutral.

2. Pertukaran nukleon - meson:

3. Pertukaran nukleon - meson:

, (22.10)

Semua proses ini telah dibuktikan secara eksperimen. Khususnya, proses pertama disahkan apabila rasuk neutron melalui hidrogen. Proton yang bergerak muncul dalam rasuk, dan bilangan neutron yang hampir berehat secara praktikal dikesan dalam sasaran.

Model kernel. Di bawah model kernel dalam fizik nuklear mereka memahami satu set andaian fizikal dan matematik dengan bantuan yang mungkin untuk mengira ciri-ciri sistem nuklear yang terdiri daripada A nukleon.

Model hidrodinamik (titisan) teras Ia berdasarkan andaian bahawa, disebabkan oleh ketumpatan tinggi nukleon dalam nukleus dan interaksi yang sangat kuat di antara mereka, pergerakan bebas nukleon individu adalah mustahil dan nukleus adalah setitik cecair bercas dengan ketumpatan. .

Model cangkerang kernel Ia mengandaikan bahawa setiap nukleon bergerak secara bebas daripada yang lain dalam beberapa medan potensi purata (potensi telaga yang dicipta oleh nukleon nukleus yang tinggal.

Model kernel umum, menggabungkan peruntukan utama pencipta model hidrodinamik dan shell. Dalam model umum, diandaikan bahawa nukleus terdiri daripada bahagian stabil dalaman - teras, yang dibentuk oleh nukleon cangkang terisi, dan nukleon luaran yang bergerak dalam medan yang dicipta oleh nukleon teras. Dalam hal ini, gerakan teras diterangkan oleh model hidrodinamik, dan gerakan nukleon luar oleh model cangkerang. Disebabkan interaksi dengan nukleon luaran, teras boleh berubah bentuk, dan teras boleh berputar mengelilingi paksi berserenjang dengan paksi ubah bentuk.

26. Tindak balas pembelahan nukleus atom. Tenaga nuklear.

Tindak balas nuklear dipanggil transformasi nukleus atom yang disebabkan oleh interaksi antara satu sama lain atau dengan nukleus lain atau zarah asas. Mesej pertama mengenai tindak balas nuklear adalah milik E. Rutherford. Pada tahun 1919, beliau mendapati bahawa apabila zarah melalui gas nitrogen, sebahagian daripadanya diserap, dan proton secara serentak dipancarkan. Rutherford membuat kesimpulan bahawa nukleus nitrogen ditukarkan kepada nukleus oksigen hasil daripada tindak balas nuklear dalam bentuk:

, (22.11)

di mana − ialah zarah; − proton (hidrogen).

Parameter penting tindak balas nuklear ialah hasil tenaganya, yang ditentukan oleh formula:

(22.12)

Di sini dan ialah jumlah jisim selebihnya zarah sebelum dan selepas tindak balas. Apabila tindak balas nuklear berlaku dengan penyerapan tenaga, itulah sebabnya ia dipanggil endotermik, dan bila - dengan pembebasan tenaga. Dalam kes ini mereka dipanggil eksotermik.

Dalam sebarang tindak balas nuklear, perkara berikut sentiasa dipenuhi: undang-undang pemuliharaan :

− cas elektrik;

– bilangan nukleon;

− tenaga;

− dorongan.

Dua undang-undang pertama membenarkan tindak balas nuklear ditulis dengan betul walaupun dalam kes di mana salah satu zarah yang mengambil bahagian dalam tindak balas atau salah satu produknya tidak diketahui. Menggunakan undang-undang pemuliharaan tenaga dan momentum, adalah mungkin untuk menentukan tenaga kinetik zarah yang terbentuk semasa proses tindak balas, serta arah pergerakan seterusnya.

Untuk mencirikan tindak balas endotermik, konsep ini diperkenalkan tenaga kinetik ambang , atau ambang tindak balas nuklear , mereka. tenaga kinetik terendah bagi zarah kejadian (dalam rangka rujukan di mana nukleus sasaran berada dalam keadaan rehat) di mana tindak balas nuklear menjadi mungkin. Daripada undang-undang pemuliharaan tenaga dan momentum ia mengikuti bahawa tenaga ambang tindak balas nuklear dikira dengan formula:

. (22.13)

Berikut ialah tenaga tindak balas nuklear (7.12); -jisim teras pegun – sasaran; ialah jisim kejadian zarah pada nukleus.

Tindak balas pembelahan. Pada tahun 1938, saintis Jerman O. Hahn dan F. Strassmann mendapati bahawa apabila uranium dihujani dengan neutron, nukleus kadangkala muncul kira-kira separuh saiz nukleus uranium asal. Fenomena ini dipanggil pembelahan nuklear.

Ia mewakili tindak balas transformasi nuklear pertama yang diperhatikan secara eksperimen. Contohnya ialah salah satu tindak balas pembelahan yang mungkin bagi nukleus uranium-235:

Proses pembelahan nuklear berjalan sangat cepat dalam masa ~10 -12 s. Tenaga yang dibebaskan semasa tindak balas seperti (22.14) adalah lebih kurang 200 MeV setiap peristiwa pembelahan nukleus uranium-235.

Secara umum, tindak balas pembelahan nukleus uranium-235 boleh ditulis sebagai:

+neutron . (22.15)

Mekanisme tindak balas pembelahan boleh dijelaskan dalam rangka model hidrodinamik nukleus. Menurut model ini, apabila neutron diserap oleh nukleus uranium, ia masuk ke dalam keadaan teruja (Rajah 22.2).

Lebihan tenaga yang diterima oleh nukleus disebabkan oleh penyerapan neutron menyebabkan pergerakan nukleon yang lebih sengit. Akibatnya, nukleus menjadi cacat, yang membawa kepada kelemahan interaksi nuklear jarak dekat. Jika tenaga pengujaan nukleus lebih besar daripada tenaga tertentu yang dipanggil tenaga pengaktifan , kemudian di bawah pengaruh tolakan elektrostatik proton nukleus berpecah kepada dua bahagian, memancarkan neutron pembelahan . Jika tenaga pengujaan apabila penyerapan neutron kurang daripada tenaga pengaktifan, maka nukleus tidak mencapai

peringkat kritikal pembelahan dan, setelah mengeluarkan kuantum, kembali ke tahap utama

Dalam fizik, konsep "daya" menandakan ukuran interaksi pembentukan bahan antara satu sama lain, termasuk interaksi bahagian-bahagian jirim (jasad makroskopik, zarah asas) antara satu sama lain dan dengan medan fizikal (elektromagnet, graviti). Secara keseluruhan, empat jenis interaksi dalam alam semula jadi diketahui: kuat, lemah, elektromagnet dan graviti, dan masing-masing mempunyai jenis daya sendiri. Yang pertama sepadan dengan daya nuklear yang bertindak di dalam nukleus atom.

Apa yang menyatukan nukleus?

Umum mengetahui bahawa nukleus atom adalah kecil, saiznya empat hingga lima urutan magnitud lebih kecil daripada saiz atom itu sendiri. Ini menimbulkan persoalan yang jelas: mengapa ia begitu kecil? Lagipun, atom, yang diperbuat daripada zarah kecil, masih jauh lebih besar daripada zarah yang terkandung di dalamnya.

Sebaliknya, saiz nukleus tidak jauh berbeza daripada nukleon (proton dan neutron) dari mana ia dibuat. Adakah terdapat sebab untuk ini atau adakah ia kebetulan?

Sementara itu, diketahui bahawa ia adalah kuasa elektrik yang memegang elektron bercas negatif berhampiran nukleus atom. Apakah daya atau daya yang menahan zarah-zarah nukleus bersama-sama? Tugas ini dilakukan oleh kuasa nuklear, yang merupakan ukuran interaksi yang kuat.

Kuasa nuklear yang kuat

Jika dalam alam semula jadi hanya terdapat daya graviti dan elektrik, i.e. yang kita temui dalam kehidupan seharian, maka nukleus atom, selalunya terdiri daripada banyak proton bercas positif, akan menjadi tidak stabil: daya elektrik yang menolak proton dari satu sama lain akan berjuta-juta kali lebih kuat daripada mana-mana daya graviti yang menarik mereka bersama-sama kepada rakan. . Daya nuklear memberikan tarikan yang lebih kuat daripada tolakan elektrik, walaupun hanya bayangan magnitud sebenar mereka yang ditunjukkan dalam struktur nukleus. Apabila kita mengkaji struktur proton dan neutron itu sendiri, kita melihat kemungkinan sebenar apa yang dikenali sebagai interaksi nuklear yang kuat. Daya nuklear adalah manifestasinya.

Rajah di atas menunjukkan bahawa dua daya berlawanan dalam nukleus ialah tolakan elektrik antara proton bercas positif dan daya nuklear, yang menarik proton (dan neutron) bersama-sama. Jika bilangan proton dan neutron tidak terlalu berbeza, maka daya kedua lebih tinggi daripada yang pertama.

Proton adalah analog atom, dan nukleus adalah analog molekul?

Antara zarah apakah kuasa nuklear bertindak? Pertama sekali, antara nukleon (proton dan neutron) dalam nukleus. Akhirnya, mereka juga bertindak antara zarah (quark, gluon, antiquarks) di dalam proton atau neutron. Ini tidak menghairankan apabila kita menyedari bahawa proton dan neutron adalah kompleks secara intrinsik.

Dalam atom, nukleus kecil dan elektron yang lebih kecil adalah agak jauh berbanding dengan saiznya, dan daya elektrik yang mengikat mereka bersama dalam atom agak mudah. Tetapi dalam molekul, jarak antara atom adalah setanding dengan saiz atom, jadi kerumitan dalaman yang terakhir terlibat. Keadaan yang berbeza-beza dan kompleks yang disebabkan oleh pampasan separa daya elektrik intra-atom menimbulkan proses di mana elektron sebenarnya boleh bergerak dari satu atom ke atom yang lain. Ini menjadikan fizik molekul lebih kaya dan lebih kompleks daripada atom. Begitu juga, jarak antara proton dan neutron dalam nukleus adalah setanding dengan saiznya - dan sama seperti molekul, sifat-sifat daya nuklear yang mengikat nukleus bersama-sama adalah lebih kompleks daripada tarikan mudah proton dan neutron.

Tiada nukleus tanpa neutron, kecuali hidrogen

Adalah diketahui bahawa nukleus beberapa unsur kimia adalah stabil, manakala bagi yang lain ia terus mereput, dan julat kadar pereputan ini sangat luas. Mengapakah daya yang menahan nukleon dalam nukleus berhenti beroperasi? Mari lihat apa yang boleh kita pelajari daripada pertimbangan mudah tentang sifat-sifat kuasa nuklear.

Satu ialah semua nukleus, kecuali isotop hidrogen yang paling biasa (yang hanya mempunyai satu proton), mengandungi neutron; iaitu, tiada nukleus dengan beberapa proton yang tidak mengandungi neutron (lihat rajah di bawah). Jadi jelas bahawa neutron memainkan peranan penting dalam membantu proton melekat bersama.

Dalam Rajah. Di atas, nukleus stabil ringan atau hampir stabil ditunjukkan bersama-sama dengan neutron. Yang terakhir, seperti tritium, ditunjukkan dengan garis putus-putus, menunjukkan bahawa mereka akhirnya mereput. Kombinasi lain dengan sejumlah kecil proton dan neutron tidak membentuk nukleus sama sekali, atau membentuk nukleus yang sangat tidak stabil. Juga ditunjukkan dalam huruf condong ialah nama alternatif yang sering diberikan kepada beberapa objek ini; Sebagai contoh, nukleus helium-4 sering dipanggil zarah α, nama yang diberikan kepadanya apabila ia pada asalnya ditemui dalam kajian awal radioaktiviti pada tahun 1890-an.

Neutron sebagai penggembala proton

Sebaliknya, tiada nukleus yang diperbuat daripada hanya neutron tanpa proton; kebanyakan nukleus ringan, seperti oksigen dan silikon, mempunyai bilangan neutron dan proton yang lebih kurang sama (Rajah 2). Nukleus besar dengan jisim besar, seperti emas dan radium, mempunyai lebih sedikit neutron daripada proton.

Ini mengatakan dua perkara:

1. Bukan sahaja neutron diperlukan untuk mengekalkan proton bersama, tetapi proton juga diperlukan untuk mengekalkan neutron bersama.

2. Jika bilangan proton dan neutron menjadi sangat besar, maka tolakan elektrik proton mesti dikompensasikan dengan menambah beberapa neutron tambahan.

Pernyataan terakhir digambarkan dalam rajah di bawah.

Rajah di atas menunjukkan nukleus atom yang stabil dan hampir stabil sebagai fungsi P (bilangan proton) dan N (bilangan neutron). Garis yang ditunjukkan dengan titik hitam menunjukkan nukleus yang stabil. Sebarang anjakan ke atas atau ke bawah dari garis hitam bermakna penurunan dalam hayat nukleus - berhampirannya, hayat nukleus adalah berjuta-juta tahun atau lebih, apabila anda bergerak lebih jauh ke kawasan biru, coklat atau kuning (warna yang berbeza sepadan dengan yang berbeza mekanisme pereputan nuklear), masa hayat mereka menjadi lebih pendek dan lebih pendek, sehingga pecahan sesaat.

Perhatikan bahawa nukleus stabil mempunyai P dan N kira-kira sama untuk P dan N kecil, tetapi N secara beransur-ansur menjadi lebih besar daripada P dengan faktor lebih daripada satu setengah. Perhatikan juga bahawa kumpulan nukleus tidak stabil yang stabil dan tahan lama kekal dalam jalur yang agak sempit untuk semua nilai P sehingga 82. Pada bilangan yang lebih besar, nukleus yang diketahui pada dasarnya tidak stabil (walaupun ia boleh wujud selama berjuta-juta tahun ). Nampaknya, mekanisme yang dinyatakan di atas untuk menstabilkan proton dalam nukleus dengan menambahkan neutron kepada mereka di rantau ini tidak 100% berkesan.

Bagaimanakah saiz atom bergantung kepada jisim elektronnya?

Bagaimanakah daya yang dipertimbangkan mempengaruhi struktur nukleus atom? Daya nuklear terutamanya mempengaruhi saiznya. Mengapa nukleus sangat kecil berbanding dengan atom? Untuk mengetahuinya, mari kita mulakan dengan nukleus paling ringkas, yang mempunyai kedua-dua proton dan neutron: ia adalah isotop hidrogen kedua paling biasa, atom yang mengandungi satu elektron (seperti semua isotop hidrogen) dan nukleus satu proton dan satu neutron. . Isotop ini sering dipanggil "deuterium," dan nukleusnya (lihat Rajah 2) kadang-kadang dipanggil "deuteron." Bagaimanakah kita boleh menerangkan apa yang menyatukan deuteron? Nah, anda boleh bayangkan bahawa ia tidak begitu berbeza daripada atom hidrogen biasa, yang juga mengandungi dua zarah (proton dan elektron).

Dalam Rajah. Ditunjukkan di atas bahawa dalam atom hidrogen, nukleus dan elektron adalah sangat jauh, dalam erti kata bahawa atom adalah jauh lebih besar daripada nukleus (dan elektron adalah lebih kecil.) Tetapi dalam deuteron, jarak antara proton dan neutron adalah setanding dengan saiznya. Ini sebahagiannya menerangkan mengapa daya nuklear jauh lebih kompleks daripada daya dalam atom.

Adalah diketahui bahawa elektron mempunyai jisim yang kecil berbanding dengan proton dan neutron. Ia berikutan itu

jisim atom pada asasnya hampir dengan jisim nukleusnya,
saiz atom (pada asasnya saiz awan elektron) adalah berkadar songsang dengan jisim elektron dan berkadar songsang dengan jumlah daya elektromagnet; Prinsip ketidakpastian mekanik kuantum memainkan peranan yang menentukan.

Bagaimana jika daya nuklear adalah serupa dengan daya elektromagnet?

Bagaimana dengan deuteron? Ia, seperti atom, diperbuat daripada dua objek, tetapi jisimnya hampir sama (jisim neutron dan proton hanya berbeza kira-kira satu bahagian pada 1500), jadi kedua-dua zarah adalah sama penting dalam menentukan jisim deuteron. dan saiznya. Sekarang andaikan bahawa daya nuklear menarik proton ke arah neutron dengan cara yang sama seperti daya elektromagnet (ini tidak betul-betul benar, tetapi bayangkan seketika); dan kemudian, dengan analogi dengan hidrogen, kami menjangkakan saiz deuteron adalah berkadar songsang dengan jisim proton atau neutron, dan berkadar songsang dengan magnitud daya nuklear. Jika magnitudnya adalah sama (pada jarak tertentu) dengan daya elektromagnet, maka ini bermakna bahawa kerana proton adalah kira-kira 1850 kali lebih berat daripada elektron, maka deuteron (dan memang mana-mana nukleus) mestilah sekurang-kurangnya seribu kali ganda. lebih kecil daripada hidrogen.

Apakah yang diberikan dengan mengambil kira perbezaan ketara antara daya nuklear dan elektromagnet?

Tetapi kita sudah meneka bahawa daya nuklear jauh lebih besar daripada daya elektromagnet (pada jarak yang sama), kerana jika ini tidak begitu, ia tidak akan dapat menghalang tolakan elektromagnet antara proton sehingga nukleus hancur. Jadi proton dan neutron di bawah pengaruhnya bergabung dengan lebih rapat. Dan oleh itu tidak menghairankan bahawa deuteron dan nukleus lain bukan hanya seribu, tetapi seratus ribu kali lebih kecil daripada atom! Sekali lagi, ini hanya kerana

proton dan neutron hampir 2000 kali lebih berat daripada elektron,
pada jarak ini, daya nuklear yang besar antara proton dan neutron dalam nukleus adalah berkali-kali lebih besar daripada daya elektromagnet yang sepadan (termasuk tolakan elektromagnet antara proton dalam nukleus.)

Tekaan naif ini memberikan kira-kira jawapan yang betul! Tetapi ini tidak mencerminkan sepenuhnya kerumitan interaksi antara proton dan neutron. Satu masalah yang jelas adalah bahawa daya yang serupa dengan daya elektromagnet, tetapi dengan daya tarikan atau tolakan yang lebih besar, jelas akan nyata dalam kehidupan seharian, tetapi kita tidak melihat apa-apa seperti ini. Jadi sesuatu tentang daya ini mestilah berbeza daripada daya elektrik.

Julat daya nuklear yang pendek

Apa yang membezakannya ialah daya nuklear yang menghalang nukleus atom daripada mereput adalah sangat penting dan kuat untuk proton dan neutron yang berada pada jarak yang sangat dekat antara satu sama lain, tetapi pada jarak tertentu (yang dipanggil "julat" daya), mereka jatuh sangat cepat, lebih cepat daripada yang elektromagnet. Julat itu, ternyata, juga boleh menjadi saiz nukleus yang sederhana besar, hanya beberapa kali lebih besar daripada proton. Jika anda meletakkan proton dan neutron pada jarak yang setanding dengan julat ini, ia akan menarik antara satu sama lain dan membentuk deuteron; jika mereka dipisahkan dengan jarak yang lebih jauh, mereka tidak akan merasakan tarikan langsung. Malah, jika mereka diletakkan terlalu rapat sehingga titik di mana mereka mula bertindih, mereka sebenarnya akan menolak antara satu sama lain. Ini mendedahkan kerumitan konsep seperti kuasa nuklear. Fizik terus berkembang secara berterusan ke arah menerangkan mekanisme tindakan mereka.

Mekanisme fizikal interaksi nuklear

Setiap proses material, termasuk interaksi antara nukleon, mesti mempunyai pembawa bahan. Mereka adalah quanta medan nuklear - pi-meson (pion), disebabkan oleh pertukaran tarikan antara nukleon timbul.

Menurut prinsip mekanik kuantum, pi-meson, yang sentiasa muncul dan serta-merta hilang, membentuk sesuatu seperti awan di sekeliling nukleon "telanjang", dipanggil kot meson (ingat awan elektron dalam atom). Apabila dua nukleon yang dikelilingi oleh lapisan tersebut mendapati diri mereka berada pada jarak kira-kira 10 -15 m, pertukaran pion berlaku, sama seperti pertukaran elektron valens dalam atom semasa pembentukan molekul, dan tarikan timbul antara nukleon.

Jika jarak antara nukleon menjadi kurang daripada 0.7∙10 -15 m, maka mereka mula menukar zarah baru - yang dipanggil. ω dan ρ-meson, akibatnya bukan tarikan, tetapi tolakan berlaku antara nukleon.

Daya nuklear: struktur nukleus daripada yang paling mudah kepada yang terbesar

Merumuskan semua perkara di atas, kita boleh ambil perhatian:

daya nuklear yang kuat adalah jauh, jauh lebih lemah daripada elektromagnetisme pada jarak yang jauh lebih besar daripada saiz nukleus biasa, jadi kita tidak menemuinya dalam kehidupan seharian; Tetapi
pada jarak pendek setanding dengan nukleus, ia menjadi lebih kuat - daya tarikan (dengan syarat jaraknya tidak terlalu pendek) mampu mengatasi tolakan elektrik antara proton.

Jadi, daya ini hanya penting pada jarak yang setanding dengan saiz nukleus. Rajah di bawah menunjukkan pergantungannya pada jarak antara nukleon.

Nukleus besar disatukan oleh daya yang lebih kurang sama yang menahan deuteron bersama-sama, tetapi butiran prosesnya sangat kompleks sehingga tidak mudah untuk diterangkan. Mereka juga tidak difahami sepenuhnya. Walaupun garis besar asas fizik nuklear telah difahami dengan baik selama beberapa dekad, banyak butiran penting masih dalam penyiasatan aktif.

Daya nuklear memberikan tarikan- ini berikutan daripada fakta kewujudan nukleus stabil yang terdiri daripada proton dan neutron.

Kuasa nuklear adalah hebat dalam magnitud mutlak. Tindakan mereka pada jarak dekat dengan ketara melebihi tindakan semua daya yang diketahui di alam semula jadi, termasuk yang elektromagnet.

Setakat ini kita tahu empat jenis interaksi:

a) interaksi yang kuat (nuklear);

b) interaksi elektromagnet;

c) interaksi lemah, terutamanya jelas diperhatikan dalam zarah yang tidak mempamerkan interaksi kuat dan elektromagnet (neutrino);

d) interaksi graviti.

Perbandingan daya untuk jenis interaksi ini boleh diperoleh dengan menggunakan sistem unit di mana pemalar interaksi ciri yang sepadan dengan daya ini (petak dua "caj") adalah tidak berdimensi.

Oleh itu, untuk interaksi di dalam nukleus dua nukleon yang mempunyai semua daya ini, pemalar interaksi adalah mengikut urutan:

Daya nuklear memastikan kewujudan nukleus. Elektromagnet - atom dan molekul. Purata tenaga pengikat nukleon dalam nukleus adalah sama dengan iaitu di mana tenaga selebihnya nukleon. Tenaga pengikatan elektron dalam atom hidrogen hanyalah iaitu di mana tenaga selebihnya elektron. Oleh itu, pada skala ini, tenaga pengikat dikaitkan sebagai pemalar ciri:

Interaksi yang lemah bertanggungjawab untuk kesan halus seperti transformasi bersama melalui -pereputan dan -penangkapan (lihat § 19), untuk pelbagai pereputan zarah asas, serta untuk semua proses interaksi neutrino dengan jirim.

Kestabilan badan dan sistem kosmik dikaitkan dengan interaksi graviti.

Daya interaksi jenis kedua dan keempat berkurangan dengan jarak, iaitu agak perlahan dan, oleh itu, adalah jarak jauh. Interaksi jenis pertama dan ketiga berkurangan dengan jarak dengan sangat cepat dan oleh itu adalah jarak pendek.

Daya nuklear adalah jarak dekat. Ini berikut: a) daripada eksperimen Rutherford mengenai penyerakan -zarah oleh nukleus cahaya (untuk jarak yang melebihi cm, keputusan eksperimen

dijelaskan oleh interaksi Coulomb semata-mata zarah-zarah dengan nukleus, tetapi pada jarak yang lebih kecil, penyelewengan daripada hukum Coulomb berlaku disebabkan oleh daya nuklear. Ia berikutan bahawa julat tindakan kuasa nuklear dalam apa jua keadaan adalah kurang

b) daripada kajian pereputan nukleus berat (lihat § 15);

c) daripada eksperimen mengenai penyerakan neutron oleh proton dan proton oleh proton.

Mari kita lihat mereka dengan lebih terperinci.

nasi. 17. Sasaran zarah dan serakan

Pada tenaga neutron yang rendah, penyerakan mereka di pusat sistem inersia adalah isotropik. Sesungguhnya, zarah klasik dengan momentum akan "menangkap" ke sasaran hamburan dengan jejari tindakan daya nuklear jika ia terbang pada jarak yang lebih kecil, iaitu, jika komponen momentum sudutnya dalam arah yang berserenjang dengan satah trajektori tidak melebihi gunung (Rajah 17).

Tetapi menurut hubungan de Broglie untuk zarah kejadian, oleh itu,

Walau bagaimanapun, nilai maksimum unjuran momentum orbit zarah hanya boleh sama dengan Oleh itu

Oleh itu, untuk nilai a, fungsi gelombang yang menerangkan keadaan sistem adalah simetri sfera dalam c. c. iaitu, dalam sistem ini serakan mestilah isotropik.

Apabila serakan tidak lagi isotropik. Dengan mengurangkan tenaga neutron kejadian dan dengan itu meningkatkannya, seseorang boleh mencari nilainya di mana isotropi serakan dicapai. Ini memberikan anggaran julat daya nuklear.

Tenaga neutron maksimum di mana penyerakan simetri sfera masih diperhatikan adalah sama dengan Ini memungkinkan untuk menentukan had atas jejari tindakan daya nuklear; ia ternyata sama dengan cm.

Selanjutnya, apabila fluks proton bertaburan pada sasaran proton, seseorang boleh mengira nilai jangkaan keratan rentas berkesan proses jika hanya daya Coulomb bertindak. Walau bagaimanapun, apabila zarah-zarah datang sangat rapat, kuasa nuklear mula menguasai

di atas yang Coulomb, dan taburan proton yang tersebar berubah.

Daripada eksperimen tersebut didapati bahawa daya nuklear berkurangan secara mendadak dengan peningkatan jarak antara proton. Kawasan tindakan mereka sangat kecil dan juga mengikut susunan magnitud cm. Malangnya, hasil eksperimen mengenai penyerakan nukleon tenaga rendah tidak memberikan maklumat tentang undang-undang perubahan daya nuklear dengan jarak. Bentuk terperinci telaga berpotensi masih tidak pasti.

Eksperimen untuk mengkaji sifat dua nukleon terikat dalam nukleus deuteron juga tidak membenarkan kita untuk secara jelas menetapkan undang-undang perubahan dalam potensi medan daya nuklear dengan jarak. Sebabnya terletak pada jejari tindakan luar biasa kecil kuasa nuklear dan magnitud yang sangat besar dalam jejari tindakan. Sebagai penghampiran pertama kepada potensi yang menerangkan sifat deuteron, kita boleh mengambil pelbagai fungsi berbeza yang agak luas, yang sepatutnya berkurangan dengan cepat mengikut jarak.

Data percubaan secara kasarnya berpuas hati, sebagai contoh, oleh fungsi berikut.

nasi. 18. Kemungkinan bentuk telaga potensi deuteron: a - telaga segi empat tepat; telaga eksponen; c ialah bentuk telaga pada potensi Yukawa; -baik pada potensi dengan pusat tolakan pepejal

1. Telaga potensi segi empat tepat (Rajah 18a):

di manakah jejari tindakan daya nuklear, jarak antara pusat dua nukleon yang berinteraksi.

2. Fungsi eksponen (Rajah 18,b):

3. Potensi meson Yukawa (Rajah 18c):

4. Potensi dengan pertengahan tolakan pepejal (Rajah 18d):

Kajian terperinci tentang struktur taburan dan perbandingan dengan pengiraan teoretikal memihak kepada bentuk yang terakhir ini. Pada masa ini, bentuk yang lebih kompleks digunakan untuk pengiraan, memberikan persetujuan yang lebih baik dengan data percubaan.

Dalam semua kes, kedalaman telaga berpotensi adalah dalam susunan beberapa puluh. Nilai dalam kes potensi dengan pertengahan tolakan adalah daripada susunan persepuluh Fermi.

Daya nuklear tidak bergantung kepada cas elektrik zarah yang berinteraksi. Kuasa interaksi antara atau adalah sama. Harta ini mengikuti daripada fakta berikut.

Dalam nukleus stabil ringan, apabila tolakan elektromagnet masih boleh diabaikan, bilangan proton adalah sama dengan bilangan neutron. Oleh itu, daya yang bertindak di antara mereka adalah sama, jika tidak, akan berlaku pergeseran ke arah tertentu (sama ada atau

Nukleus cermin cahaya (nukleus yang diperoleh dengan menggantikan neutron dengan proton dan sebaliknya, sebagai contoh, mempunyai tahap tenaga yang sama.

Eksperimen terhadap penyerakan neutron oleh proton dan proton oleh proton menunjukkan bahawa magnitud daya tarikan nuklear proton dengan proton dan neutron dengan proton adalah sama.

Sifat daya nuklear ini adalah asas dan menunjukkan simetri dalam yang wujud antara dua zarah: proton dan neutron. Ia dipanggil bebas cas (atau simetri) dan memungkinkan untuk menganggap proton dan neutron sebagai dua keadaan zarah yang sama - nukleon.

Oleh itu, nukleon mempunyai beberapa darjah kebebasan dalaman tambahan - caj - yang berkaitan dengan dua keadaan yang mungkin: proton dan neutron. Ini adalah analog dengan sifat putaran zarah: putaran juga, sebagai tambahan kepada gerakan dalam ruang, darjah kebebasan dalaman zarah, yang berkaitan dengan elektron (atau nukleon) hanya mempunyai dua keadaan yang mungkin. Mekanik kuantum berurutan

perihalan dua darjah kebebasan ini: caj dan putaran - secara rasminya sama. Oleh itu, sewajarnya, adalah lazim untuk menggambarkan secara visual tahap kebebasan cas menggunakan ruang tiga dimensi konvensional, yang dipanggil isotop, dan keadaan zarah (nukleon) dalam ruang ini dicirikan oleh putaran isotop, dilambangkan

Mari kita lihat ini dengan lebih terperinci, kembali kepada konsep putaran biasa.

Mari kita anggap bahawa terdapat dua elektron, yang, seperti yang kita ketahui, adalah sama sepenuhnya. Kedua-duanya mempunyai momentum sudut tersendiri - putaran. Walau bagaimanapun, arah putaran mereka tidak dapat dikesan. Mari kita letakkannya dalam medan magnet luaran. Menurut postulat asas mekanik kuantum, "paksi putaran" setiap zarah hanya boleh menduduki kedudukan yang ditentukan secara ketat berbanding dengan medan luaran ini. Paksi putaran zarah dengan putaran yang sama boleh diorientasikan sama ada sepanjang atau ke arah medan (Rajah 19). Zarah dengan momentum boleh mempunyai keadaan; elektron yang mempunyai 2 keadaan. Nilai unjuran putaran boleh Ini membawa kepada fakta bahawa zarah dalam medan magnet kini boleh mempunyai tenaga yang berbeza dan ia menjadi mungkin untuk membezakannya antara satu sama lain. Ini menunjukkan bahawa keadaan elektron, disebabkan sifat magnetnya, adalah berganda.

Tanpa medan magnet luar, tidak ada cara untuk memisahkan dua keadaan elektron yang mungkin; negeri dikatakan "merosot" menjadi keadaan yang tidak dapat dilihat.

Keadaan yang sama berlaku dalam atom hidrogen. Untuk mencirikan keadaan atom, nombor kuantum orbit diperkenalkan, yang mencirikan momentum sudut orbit atom. Atom dengan I yang diberikan boleh mempunyai keadaan, kerana dalam medan luaran hanya nilai unjuran I yang pasti sepenuhnya ke arah medan boleh wujud (dari - I hingga Walaupun tiada medan luaran, keadaan berganda merosot .

Penemuan neutron membawa kepada idea kewujudan fenomena yang serupa dengan degenerasi magnetik elektron.

Lagipun, kebebasan cas kuasa nuklear bermakna bahawa dalam interaksi yang kuat, proton dan neutron berkelakuan seperti zarah yang sama. Mereka hanya boleh dibezakan jika kita mengambil kira interaksi elektromagnet. Jika kita membayangkan bahawa LED elektromagnet entah bagaimana boleh "dimatikan" (Rajah 20, a), maka proton dan neutron akan menjadi zarah yang tidak dapat dibezakan dan jisimnya juga akan sama (untuk butiran lanjut tentang kesamaan jisim; lihat § 12 ). Oleh itu, siklon boleh dianggap sebagai "cas doublet", di mana satu keadaan mewakili proton dan satu lagi neutron. Jika anda memasukkan daya elektromagnet, secara bersyarat

dibentangkan dalam Rajah. 20b dengan garis putus-putus, maka daya elektrik bergantung pada cas akan ditambah kepada daya bebas cas sebelumnya.

nasi. 19. Orientasi putaran elektron dalam medan magnet

nasi. 20. Perbezaan antara proton dan neutron disebabkan oleh interaksi elektromagnet

Tenaga zarah bercas akan berbeza daripada tenaga zarah neutral dan proton dan neutron boleh diasingkan. Akibatnya, jisim rehat mereka tidak akan sama.

Untuk mencirikan keadaan nukleon dalam nukleus, Heisenberg memperkenalkan konsep spin isotop yang formal semata-mata yang, dengan analogi dengan nombor kuantum, harus menentukan bilangan keadaan degenerasi nukleon sama dengan Perkataan "isotop" menyatakan fakta. bahawa proton dan neutron adalah rapat dalam sifat mereka (isotop - atom dengan sifat kimia yang sama, berbeza dalam bilangan neutron dalam nukleus).

Perkataan "putaran" dalam konsep ini timbul daripada analogi matematik semata-mata dengan putaran biasa zarah.

Adalah penting untuk diperhatikan sekali lagi bahawa vektor mekanik kuantum putaran isotop diperkenalkan bukan dalam keadaan biasa, tetapi dalam ruang konvensional, dipanggil isotop atau ruang cas. Yang terakhir, tidak seperti paksi konvensional, ditentukan oleh paksi bersyarat. Dalam ruang ini, zarah tidak boleh bergerak secara translasi, tetapi hanya berputar.

Oleh itu, putaran isotop harus dianggap sebagai ciri matematik yang membezakan proton daripada neutron; secara fizikal mereka dilemparkan dalam hubungan yang berbeza dengan medan elektromagnet.

Putaran isotop nukleon adalah sama dan mempunyai komponen dan berkenaan dengan paksi. Unjuran pada paksi ini dilambangkan. Secara konvensional diterima bahawa untuk proton dan untuk neutron, iaitu, proton berubah menjadi neutron apabila isotop putaran diputar sebanyak 180° dalam ruang isotop.

Apabila menggunakan teknik formal ini, pergantungan caj mengambil bentuk undang-undang pemuliharaan: semasa interaksi nukleon, jumlah putaran isotop dan unjurannya kekal tidak berubah, i.e.

Undang-undang pemuliharaan ini boleh dianggap secara rasmi sebagai akibat daripada kebebasan undang-undang fizik daripada putaran dalam ruang isotop. Walau bagaimanapun, undang-undang pemuliharaan ini adalah anggaran. Ia sah setakat daya elektromagnet boleh diabaikan dan mungkin sedikit dilanggar - setakat nisbah daya elektromagnet dan nuklear. Makna fizikalnya terletak pada fakta bahawa daya nuklear dalam sistem adalah sama.

Kami akan kembali kepada konsep putaran isotop dalam bab zarah asas, yang mana ia mengambil makna tambahan.

Daya nuklear bergantung kepada putaran. Pergantungan kuasa nuklear pada putaran berikutan daripada fakta berikut.

Nukleus yang sama dalam keadaan dengan putaran berbeza mempunyai tenaga pengikat yang berbeza. Sebagai contoh, tenaga pengikat deuteron, di mana putaran selari, adalah sama; dengan putaran antiselari, tidak ada keadaan stabil sama sekali.

Penyerakan neutron-proton adalah sensitif kepada orientasi putaran. Kebarangkalian interaksi antara neutron dan proton secara teorinya dikira di bawah andaian bahawa potensi interaksi tidak bergantung kepada putaran. Ternyata keputusan eksperimen berbeza daripada yang teori dengan faktor lima.

Percanggahan dihapuskan jika kita mengambil kira bahawa interaksi bergantung pada orientasi relatif putaran.

Kebergantungan daya nuklear pada orientasi putaran ditunjukkan dalam eksperimen pada penyerakan neutron pada molekul orto- dan para-hidrogen.

Hakikatnya ialah terdapat dua jenis molekul hidrogen: dalam molekul orto-hidrogen, putaran dua proton adalah selari antara satu sama lain, jumlah putaran ialah 1 dan boleh mempunyai tiga orientasi (keadaan triplet yang dipanggil); dalam molekul para-hidrogen, putaran adalah antiselari, jumlah putaran adalah sifar dan keadaan tunggal mungkin (kononnya keadaan singlet),

Nisbah antara bilangan molekul orto- dan para-hidrogen pada suhu bilik ialah Nisbah ini ditentukan oleh bilangan keadaan yang mungkin.

Tenaga keadaan para tanah adalah lebih rendah daripada tenaga keadaan org bumi. Pada suhu rendah, molekul orto-hidrogen berubah menjadi molekul para-hidrogen. Dengan kehadiran pemangkin, transformasi ini berjalan agak cepat dan adalah mungkin untuk mendapatkan hidrogen cecair dalam keadaan para-hidrogen tulen. Bila

penyerakan neutron pada orto-hidrogen, putaran neutron sama ada selari dengan putaran kedua-dua proton, atau antiselari dengan kedua-duanya; iaitu terdapat konfigurasi:

Apabila diserakkan oleh para-hidrogen, putaran neutron sentiasa selari dengan putaran satu proton dan antiselari dengan putaran proton yang lain; Tanpa mengira orientasi molekul para-hidrogen, konfigurasi mempunyai watak

nasi. 21 Penyerakan neutron pada molekul hidrogen

Mari kita pertimbangkan penyebaran sebagai proses gelombang. Jika penyerakan bergantung pada orientasi bersama putaran, maka kesan gangguan yang diperhatikan bagi gelombang neutron yang diserakan oleh kedua-dua proton akan berbeza dengan ketara untuk proses penyerakan pada molekul orto- dan para-hidrogen.

Apakah tenaga neutron yang mesti ada agar perbezaan dalam penyerakan dapat dilihat? Dalam molekul, proton terletak pada jarak berkali-kali lebih besar daripada jejari daya nuklear. cm Oleh itu, disebabkan oleh sifat gelombang neutron, proses serakan boleh berlaku serentak pada kedua-dua proton jika (Rajah 21). Gelombang de Broglie diperlukan untuk ini

untuk neutron yang jisimnya bersamaan dengan tenaga

Daya nuklear mempunyai sifat tepu. Seperti yang telah disebutkan dalam § 4, sifat ketepuan daya nuklear ditunjukkan dalam fakta bahawa tenaga pengikat nukleus adalah berkadar dengan bilangan nukleon dalam nukleus - A, dan bukan

Ciri daya nuklear ini juga mengikuti dari kestabilan nukleus ringan. Adalah mustahil, sebagai contoh, untuk menambah lebih banyak zarah baru kepada deuteron; hanya satu kombinasi sedemikian dengan neutron-tritium tambahan yang diketahui. Oleh itu, proton boleh membentuk keadaan terikat dengan tidak lebih daripada dua neutron.

Untuk menjelaskan ketepuan Heisenberg, adalah dicadangkan bahawa kuasa nuklear adalah bersifat pertukaran.

Tenaga nuklear bersifat pertukaran. Buat pertama kalinya, sifat pertukaran daya ikatan kimia telah ditubuhkan: ikatan terbentuk akibat pemindahan elektron dari satu atom ke atom yang lain. Daya elektromagnet juga boleh dikelaskan sebagai daya pertukaran: interaksi cas dijelaskan oleh fakta bahawa mereka menukar y-quanta. Walau bagaimanapun, dalam kes ini tiada ketepuan, kerana pertukaran y-quanta tidak mengubah sifat setiap zarah.

Harta pertukaran daya nuklear ditunjukkan dalam fakta bahawa semasa perlanggaran, nukleon boleh memindahkan satu sama lain ciri-ciri seperti cas, unjuran putaran, dan lain-lain.

Sifat pertukaran disahkan oleh pelbagai eksperimen, contohnya, oleh hasil pengukuran taburan sudut neutron tenaga tinggi apabila ia diserakkan oleh proton. Mari kita lihat ini dengan lebih terperinci.

Dalam fizik nuklear, tenaga dipanggil tinggi apabila gelombang de Broglie zarah memenuhi hubungan i.e.

Untuk nukleon, panjang gelombang de Broglie berkaitan dengan tenaga kinetik oleh persamaan

dan, oleh itu, tenaga kinetik nukleon boleh dipanggil tinggi jika ia lebih besar

Mekanik kuantum memungkinkan untuk mendapatkan pergantungan keratan rentas serakan yang berkesan pada tenaga neutron tuju dan sudut serakan jika potensi interaksi diketahui.

Pengiraan menunjukkan bahawa untuk potensi seperti telaga segi empat tepat, keratan rentas serakan harus berbeza-beza bergantung pada tenaga zarah, dan juga serakan itu sendiri harus berlaku dalam sudut yang kecil. Oleh itu, taburan sudut neutron bertaburan di tengah-tengah sistem inersia harus mempunyai maksimum dalam arah pergerakan mereka, dan taburan proton mundur harus mempunyai maksimum dalam arah yang bertentangan.

Secara eksperimen, bukan sahaja puncak dalam taburan sudut yang diarahkan ke hadapan, tetapi juga puncak kedua dalam arah belakang ditemui untuk neutron (Rajah 22).

nasi. 22. Kebergantungan keratan rentas pembezaan untuk serakan neutron pada proton pada sudut serakan

Keputusan eksperimen hanya boleh dijelaskan dengan mengandaikan bahawa daya pertukaran bertindak antara nukleon dan semasa proses penyerakan, neutron dan proton menukar cas mereka, iaitu, penyerakan berlaku dengan "pertukaran cas." Dalam kes ini, sebahagian daripada neutron bertukar menjadi proton, dan proton diperhatikan terbang ke arah neutron kejadian, yang dipanggil proton pertukaran caj. Pada masa yang sama, sebahagian daripada proton bertukar menjadi neutron dan direkodkan sebagai neutron yang bertaburan kembali ke dalam s.

Peranan relatif pertukaran dan daya biasa ditentukan oleh nisbah bilangan neutron yang terbang ke belakang kepada bilangan neutron yang terbang ke hadapan.

Berdasarkan mekanik kuantum, dapat dibuktikan bahawa kewujudan daya pertukaran sentiasa membawa kepada fenomena tepu, kerana zarah tidak boleh berinteraksi melalui pertukaran dengan banyak zarah secara serentak.

Walau bagaimanapun, kajian yang lebih terperinci tentang eksperimen mengenai penyerakan nukleon-nukleon menunjukkan bahawa walaupun daya interaksi sememangnya bersifat pertukaran, campuran potensi biasa dengan pertukaran adalah sedemikian rupa sehingga ia tidak dapat menjelaskan ketepuan sepenuhnya. Satu lagi sifat kuasa nuklear juga ditemui. Ternyata jika pada jarak yang jauh antara nukleon kebanyakannya daya tarikan bertindak, maka apabila nukleon rapat (pada jarak urutan cm), tolakan tajam berlaku. Ini boleh dijelaskan dengan kehadiran teras dalam nukleon yang menolak antara satu sama lain.

Pengiraan menunjukkan bahawa teras inilah yang bertanggungjawab terutamanya untuk kesan tepu. Dalam hal ini, interaksi nuklear, nampaknya, harus dicirikan oleh potensi tidak seragam seperti telaga segi empat tepat (Rajah fungsi kompleks dengan ciri pada jarak yang kecil (Rajah 18d).

1. Kuasa nuklear ialah daya tarikan jarak dekat . Ia hanya kelihatan pada jarak yang sangat kecil antara nukleon dalam nukleus dalam susunan 10–15 m. Jarak tertib (1.5 – 2.2)·10–15 m dipanggil jejari tindakan daya nuklear; dengan peningkatannya , kuasa nuklear cepat berkurangan. Pada jarak urutan (2-3) m, interaksi nuklear antara nukleon hampir tidak wujud.

Sifat kompleks kuasa nuklear tidak membenarkan pembangunan satu teori interaksi nuklear yang konsisten, walaupun banyak pendekatan yang berbeza telah dicadangkan. Menurut hipotesis ahli fizik Jepun H. Yukawa, yang dicadangkannya pada tahun 1935, daya nuklear disebabkan oleh pertukaran - meson, i.e. zarah asas yang jisimnya lebih kurang 7 kali lebih kecil daripada jisim nukleon. Menurut model ini, nukleon dalam masa m- jisim meson) mengeluarkan meson, yang, bergerak pada kelajuan yang hampir dengan kelajuan cahaya, meliputi jarak , selepas itu ia diserap oleh nukleon kedua. Sebaliknya, nukleon kedua juga mengeluarkan meson, yang diserap oleh nukleon pertama. Dalam model H. Yukawa, oleh itu, jarak di mana nukleon berinteraksi ditentukan oleh panjang laluan meson, yang sepadan dengan jarak kira-kira m dan mengikut urutan magnitud bertepatan dengan jejari tindakan daya nuklear.

Mari kita beralih kepada pertimbangan interaksi pertukaran antara nukleon. Terdapat meson positif, negatif dan neutral. Modulus cas - atau - meson secara berangka sama dengan cas asas e. Jisim meson bercas adalah sama dan sama dengan (140 MeV), jisim meson ialah 264 (135 MeV). Putaran kedua-dua meson bercas dan neutral ialah 0. Ketiga-tiga zarah tidak stabil. Hayat - dan - meson ialah 2.6 Dengan, - meson – 0.8·10 -16 Dengan. Interaksi antara nukleon dijalankan mengikut salah satu skema berikut:

(22.7)
1. Nukleon bertukar meson:

2. Pertukaran nukleon - meson:

3. Pertukaran nukleon - meson:

. (22.10)

Model kernel. Ketiadaan undang-undang matematik untuk kuasa nuklear tidak membenarkan penciptaan teori bersatu nukleus. Percubaan untuk mencipta teori sedemikian menghadapi kesukaran yang serius. Berikut adalah sebahagian daripada mereka:

1. Kurang pengetahuan tentang daya yang bertindak antara nukleon.

2. Kerumitan melampau masalah kuantum banyak badan (nukleus dengan nombor jisim A ialah satu sistem A tel).

Kesukaran ini memaksa kita untuk mengambil jalan mencipta model nuklear yang memungkinkan untuk menerangkan set sifat nuklear tertentu menggunakan cara matematik yang agak mudah. Tiada satu pun daripada model ini boleh memberikan penerangan yang tepat tentang nukleus. Oleh itu, anda perlu menggunakan beberapa model.

Di bawah model kernel dalam fizik nuklear mereka memahami satu set andaian fizikal dan matematik dengan bantuan yang mungkin untuk mengira ciri-ciri sistem nuklear yang terdiri daripada A nukleon. Banyak model dengan pelbagai tahap kerumitan telah dicadangkan dan dibangunkan. Kami akan mempertimbangkan hanya yang paling terkenal daripada mereka.

Model hidrodinamik (titisan) teras dibangunkan pada tahun 1939. N. Bohr dan saintis Soviet J. Frenkel. Ia berdasarkan andaian bahawa, disebabkan oleh ketumpatan tinggi nukleon dalam nukleus dan interaksi yang sangat kuat di antara mereka, pergerakan bebas nukleon individu adalah mustahil dan nukleus adalah setitik cecair bercas dengan ketumpatan . Seperti titisan cecair biasa, permukaan teras boleh berayun. Jika amplitud getaran menjadi cukup besar, proses pembelahan nuklear berlaku. Model titisan memungkinkan untuk mendapatkan formula untuk tenaga pengikat nukleon dalam nukleus dan menerangkan mekanisme beberapa tindak balas nuklear. Walau bagaimanapun, model ini tidak menerangkan kebanyakan spektrum pengujaan nukleus atom dan kestabilan khas beberapa daripadanya. Ini disebabkan oleh fakta bahawa model hidrodinamik sangat kira-kira mencerminkan intipati struktur dalaman teras.

Model cangkerang kernel dibangunkan pada tahun 1940-1950 oleh ahli fizik Amerika M. Geppert - Mayer dan ahli fizik Jerman H. Jensen. Ia mengandaikan bahawa setiap nukleon bergerak secara bebas daripada yang lain dalam beberapa medan potensi purata (potensi telaga yang dicipta oleh baki nukleon nukleus. Dalam rangka model shell, fungsi tidak dikira, tetapi dipilih supaya persetujuan terbaik dengan data eksperimen dapat dicapai.

Kedalaman telaga berpotensi biasanya ~ (40-50) MeV dan tidak bergantung kepada bilangan nukleon dalam nukleus. Menurut teori kuantum, nukleon dalam medan berada pada tahap tenaga diskret tertentu. Andaian utama pencipta model cangkang tentang pergerakan bebas nukleon dalam medan potensi purata adalah bercanggah dengan peruntukan asas pembangun model hidrodinamik. Oleh itu, ciri-ciri teras, yang diterangkan dengan baik oleh model hidrodinamik (contohnya, nilai tenaga pengikat), tidak boleh dijelaskan dalam rangka model cengkerang, dan sebaliknya.

Model kernel umum , dibangunkan pada 1950-1953, menggabungkan peruntukan utama pencipta model hidrodinamik dan shell. Dalam model umum, diandaikan bahawa nukleus terdiri daripada bahagian stabil dalaman - teras, yang dibentuk oleh nukleon cangkang terisi, dan nukleon luaran yang bergerak dalam medan yang dicipta oleh nukleon teras. Dalam hal ini, gerakan teras diterangkan oleh model hidrodinamik, dan gerakan nukleon luar oleh model cangkerang. Disebabkan interaksi dengan nukleon luaran, teras boleh berubah bentuk, dan teras boleh berputar mengelilingi paksi berserenjang dengan paksi ubah bentuk. Model umum memungkinkan untuk menerangkan ciri-ciri utama spektrum putaran dan getaran nukleus atom, serta nilai tinggi momen elektrik quadrupole sebahagian daripadanya.

Kami telah mempertimbangkan yang fenomenologi utama, i.e. deskriptif, model kernel. Walau bagaimanapun, untuk memahami sepenuhnya sifat interaksi nuklear yang menentukan sifat dan struktur nukleus, adalah perlu untuk mencipta teori di mana nukleus akan dianggap sebagai sistem nukleon berinteraksi.