Hva er kjernekrefter og hva er deres egenskaper. Kjernefysiske krefter og deres egenskaper

1.3.1 . Kjernen til ethvert atom har en kompleks struktur og består av partikler kalt nukleoner. Det er kjent to typer nukleoner - protoner og nøytroner .
Protoner - nukleoner med en masse på 1 amu. med en positiv ladning lik enhet, det vil si den elementære ladningen til elektronet.
Nøytroner -elektrisk nøytral nukleoner med en masse på 1 amu.
*) Strengt tatt er hvilemassene av protoner og nøytroner noe forskjellige: m p = 1,6726. 10 -24 G og mn = 1,67439. 10 -24 G. Denne forskjellen vil bli diskutert senere.

1.3.2. Siden massen til kjernen praktisk talt er lik A, ladningen til kjernen er z, og massene til protonet og nøytronet nesten lik Med slike ideer bør det tas for gitt det kjernen til et elektrisk nøytralt stabilt atom består av z protoner og ( EN - z ) nøytroner. Derfor er atomnummeret til et grunnstoff ikke mer enn protonladning av kjernen til et atom, uttrykt i elementære ladninger til et elektron. Med andre ord, z - dette er tallet protoner i kjernen til et atom.

1.3.3 . Tilstedeværelsen av protoner (partikler med en elektrisk ladning av samme tegn) i kjernen, på grunn av Coulomb-frastøtningskreftene mellom dem, bør føre til spredning av nukleoner. I virkeligheten skjer ikke dette. Eksistensen av mange stabile kjerner i naturen fører til konklusjonen at eksistensen mellom nukleoner av kjerner kraftigere enn Coulomb, kjernefysiske styrker tiltrekning, som overvinner Coulomb-frastøtingen av protoner, trekker nukleoner inn i en stabil struktur - kjernen.

1.3.4. Dimensjonene til atomkjerner, bestemt av formel (1.4), er i størrelsesorden 10 -13 cm. Derav den første egenskapen til kjernekrefter (i motsetning til Coulomb, gravitasjon og andre) - kort handling: kjernefysiske krefter virker bare på små avstander, sammenlignbare i størrelsesorden med størrelsen på selve nukleonene.
Selv uten å vite nøyaktig hva slags materialformasjon et proton eller nøytron er, kan man anslå dem effektive dimensjoner som diameteren til en kule, på overflaten hvis kjernefysiske tiltrekning av to naboprotoner balanseres av deres Coulomb-frastøting. Eksperimenter med akseleratorer på spredning av elektroner med kjerner gjorde det mulig å estimere den effektive nukleonradiusen Rн ≈ 1,21. 10 -13 cm.

1.3.5 . Fra den korte handlingen til kjernefysiske styrker følger deres andre egenskap, kort kalt metning . Det betyr at Ethvert nukleon i kjernen samhandler ikke med alle andre nukleoner, men bare med et begrenset antall nukleoner som er dens umiddelbare naboer.

1.3.6. Den tredje egenskapen til kjernefysiske styrker - deres jevndøgn. Siden det antas at interaksjonskreftene mellom nukleoner av begge typer er krefter av samme art, postuleres det således at ved like avstander i størrelsesorden 10 -13 cm to protoner, to nøytroner eller et proton med et nøytron samhandler det samme.

1.3.7. Gratis proton (det vil si utenfor atomkjerner ) stabil . Et nøytron kan ikke eksistere lenge i fri tilstand: det gjennomgår forfall til et proton, elektron og antinøytrino med en halveringstid T 1/2 = 11,2 min. i henhold til ordningen:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antineutrino (n) - elektrisk nøytral partikkel av materie med null hvilemasse.

1.3.8. Så enhver kjerne vurderes fullstendig individualisert, hvis de to hovedkarakteristikkene er kjent - antall protoner z og massenummer A, siden forskjellen (A - z) bestemmer antall nøytroner i kjernen. Individualiserte atomkjerner kalles generelt nuklider.
Blant de mange nuklidene (og mer enn 2000 av dem er for tiden kjent - naturlige og kunstige) er det de der en av de to nevnte egenskapene er den samme, og den andre er forskjellig i størrelse.
Nuklider med samme z (antall protoner) kalles isotoper. Siden atomnummeret bestemmer, i samsvar med den periodiske loven til DI Mendeleev, kun individualitet kjemisk egenskapene til et grunnstoffs atom, snakkes det alltid om isotoper med henvisning til det tilsvarende kjemiske elementet i det periodiske system.
For eksempel er 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U alle isotoper av uran, som har atomnummer z = 92 i det periodiske systemet for grunnstoffer.
Isotoper ethvert kjemisk element som vi ser , har like mange protoner, men ulikt antall nøytroner.

Nuklider med lik masse ( EN ), men med forskjellige ladninger kalles z isobarer . Isobarer, i motsetning til isotoper, er nuklider av forskjellige kjemiske elementer.
Eksempler. 11 B 5 og 11 C 4 - isobarer av bor og karbonnuklider; 7 Li 3 og 7 Be 4 - isobarer av litium- og berylliumnuklider; 135 J 53, 135 Xe 54 og 135 Cs 55 er også isobarer av henholdsvis jod, xenon og cesium.

1.3.9 . Fra formel (1.4) kan man estimere tettheten av nukleoner i kjerner og massetettheten til kjernestoff. Ser vi på at kjernen er en kule med radius R og med antall nukleoner i volumet lik A, finner vi antall nukleoner per volumenhet av kjernen som:
N n = A/V i = 3A/4pR3 = 3A/4p(1,21. 10-13 A 1/3) 3 = 1,348. 10 38 nucl/cm 3,
a, siden massen til ett nukleon er 1 amu. = 1,66056. 10 -24 G, så blir tettheten av kjernefysisk materie funnet som:
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
Prosedyren for beregningen ovenfor indikerer det Tettheten av kjernefysisk materie er den samme i kjernene til alle kjemiske elementer.
Volum. per 1 nukleon i kjernen, V i/A = 1/N = 1/1,348. 10 38 = 7,421. 10 -39 cm 3
- også det samme for alle kjerner, derfor vil den gjennomsnittlige avstanden mellom sentrene til nabonukleoner i en hvilken som helst kjerne (som konvensjonelt kan kalles gjennomsnittsdiameteren til et nukleon) være lik
Dn = (Vi) 1/3 = (7,421, 10-39) 1/3 = 1,951. 10 -13 cm .

1.3.10. Til nå er lite kjent om tettheten til protoner og nøytroner i kjernen til et atom. Siden protoner, i motsetning til nøytroner, er gjenstand for ikke bare kjernefysisk og gravitasjonsattraksjon, men også Coulomb-frastøting, kan det antas at protonladningen til kjernen er mer eller mindre jevnt fordelt over dens overflater.

På slutten av studiene står mange elever på videregående skole, deres foreldre og tusenvis av unge fagfolk overfor et vanskelig valg - å velge en høyere utdanningsinstitusjon (HEI). Det er ganske vanskelig å navigere og ikke bli forvirret i mangfoldet av universiteter, institutter og fakulteter. Les anmeldelser om universitetet etterlatt av studenter, lærere og nyutdannede før du mottar. Å velge riktig utdanningsinstitusjon er nøkkelen til suksess i din fremtidige karriere!

En atomkjerne, som består av et visst antall protoner og nøytroner, er en enkelt helhet på grunn av spesifikke krefter som virker mellom nukleonene i kjernen og kalles kjernefysisk. Det er eksperimentelt bevist at atomkrefter har veldig store verdier, mye større enn kreftene til elektrostatisk frastøting mellom protoner. Dette kommer til uttrykk i det faktum at den spesifikke bindingsenergien til nukleoner i kjernen er mye større enn arbeidet utført av Coulomb-frastøtningskreftene. La oss se på hovedsaken trekk ved kjernefysiske styrker.

1. Kjernefysiske krefter er attraktive krefter på kort rekkevidde . De vises kun ved svært små avstander mellom nukleoner i kjernen i størrelsesorden 10 –15 m. En avstand i størrelsesorden (1,5 – 2,2) 10 –15 m kalles rekke atomstyrker, med økningen avtar kjernefysiske krefter raskt. I en avstand av størrelsesorden (2-3) m er kjernefysisk interaksjon mellom nukleoner praktisk talt fraværende.

2. Kjernefysiske styrker har eiendommen metning, de. hvert nukleon samhandler bare med et visst antall nærmeste naboer. Denne typen kjernekrefter manifesteres i den omtrentlige konstantheten til den spesifikke bindingsenergien til nukleoner ved ladningsnummer EN>40. Faktisk, hvis det ikke var noen metning, ville den spesifikke bindingsenergien øke med antall nukleoner i kjernen.

3. Et trekk ved kjernefysiske krefter er også deres ladeuavhengighet , dvs. de er ikke avhengige av ladningen til nukleonene, så kjernefysiske interaksjoner mellom protoner og nøytroner er de samme. Ladningsuavhengigheten til kjernefysiske krefter er synlig fra en sammenligning av bindingsenergier speilkjerner . Dette er navnet gitt til kjerner der det totale antallet nukleoner er det samme, men antallet protoner i den ene er lik antall nøytroner i den andre. For eksempel er bindingsenergiene til helium og tungt hydrogen – tritiumkjerner henholdsvis 7,72 MeV og 8,49 MeV. Forskjellen i bindingsenergiene til disse kjernene, lik 0,77 MeV, tilsvarer energien til Coulomb-frastøtingen av to protoner i kjernen. Forutsatt at denne verdien er lik , kan vi finne at den gjennomsnittlige avstanden r mellom protoner i kjernen er 1,9·10 –15 m, som er i samsvar med virkningsradiusen til kjernekrefter.

4. Kjernefysiske styrker er ikke sentrale og avhenger av den gjensidige orienteringen til spinnene til samvirkende nukleoner. Dette bekreftes av den forskjellige naturen til nøytronspredning av orto- og parahydrogenmolekyler. I et ortohydrogenmolekyl er spinnene til begge protonene parallelle med hverandre, mens de i et parahydrogenmolekyl er antiparallelle. Eksperimenter har vist at nøytronspredning på parahydrogen er 30 ganger større enn spredning på ortohydrogen.

Den komplekse naturen til kjernefysiske styrker tillater ikke utviklingen av en enkelt, konsistent teori om kjernefysisk interaksjon, selv om mange forskjellige tilnærminger har blitt foreslått. I følge hypotesen til den japanske fysikeren H. Yukawa (1907-1981), som han foreslo i 1935, er kjernefysiske krefter forårsaket av utveksling - mesoner, dvs. elementærpartikler hvis masse er omtrent 7 ganger mindre enn massen av nukleoner. Ifølge denne modellen, en nukleon i tid m- mesonmasse) avgir en meson, som beveger seg med en hastighet nær lysets hastighet, dekker en avstand , hvoretter det absorberes av det andre nukleonet. På sin side avgir det andre nukleonet også en meson, som absorberes av den første. I H. Yukawas modell bestemmes derfor avstanden som nukleoner samhandler med av mesonbanelengden, som tilsvarer en avstand på ca. m og i størrelsesorden sammenfaller med virkningsradiusen til kjernefysiske krefter.

La oss gå til vurderingen av utvekslingsinteraksjonen mellom nukleoner. Det er positive, negative og nøytrale mesoner. Ladningsmodulen - eller - mesoner er numerisk lik den elementære ladningen e . Massen av ladede mesoner er den samme og lik (140 MeV), mesonmassen er 264 (135 MeV). Spinnet til både ladede og nøytrale mesoner er 0. Alle tre partiklene er ustabile. Levetiden til - og - mesoner er 2,6 Med, - meson – 0,8·10 -16 Med. Interaksjonen mellom nukleoner utføres i henhold til en av følgende skjemaer:

1. Nukleoner utveksler mesoner: . (22.8)

I dette tilfellet sender protonet ut en meson som blir til et nøytron. Mesonen absorberes av et nøytron, som følgelig blir til et proton, deretter skjer den samme prosessen i motsatt retning. Dermed tilbringer hver av de samvirkende nukleonene en del av tiden i en ladet tilstand og en del i en nøytral tilstand.

2. Nukleonutveksling - mesoner:

3. Nukleoner utveksler mesoner:

, (22.10)

Alle disse prosessene har blitt bevist eksperimentelt. Spesielt bekreftes den første prosessen når en nøytronstråle passerer gjennom hydrogen. Protoner i bevegelse vises i strålen, og et tilsvarende antall praktisk talt hvilende nøytroner detekteres i målet.

Kjernemodeller. Under kjernemodell i kjernefysikk forstår de et sett med fysiske og matematiske forutsetninger ved hjelp av hvilke det er mulig å beregne egenskapene til et kjernefysisk system som består av EN nukleoner.

Hydrodynamisk (drypp) modell av kjernen Den er basert på antagelsen om at på grunn av den høye tettheten av nukleoner i kjernen og den ekstremt sterke interaksjonen mellom dem, er uavhengig bevegelse av individuelle nukleoner umulig, og kjernen er en dråpe ladet væske med tettheten .

Skallmodell av kjernen Den antar at hvert nukleon beveger seg uavhengig av de andre i et eller annet gjennomsnittlig potensielt felt (potensiell brønn skapt av de gjenværende nukleonene i kjernen.

Generalisert kjernemodell, kombinerer hovedbestemmelsene til skaperne av hydrodynamiske og skallmodeller. I den generaliserte modellen antas det at kjernen består av en indre stabil del - kjernen, som er dannet av nukleonene til fylte skall, og eksterne nukleoner som beveger seg i feltet skapt av kjernens nukleoner. I denne forbindelse er bevegelsen til kjernen beskrevet av en hydrodynamisk modell, og bevegelsen til eksterne nukleoner av en skallmodell. På grunn av interaksjon med eksterne nukleoner kan kjernen deformeres, og kjernen kan rotere rundt en akse vinkelrett på deformasjonsaksen.

26. Reaksjoner av fisjon av atomkjerner. Kjernekraft.

Kjernefysiske reaksjoner kalles transformasjoner av atomkjerner forårsaket av deres interaksjon med hverandre eller med andre kjerner eller elementærpartikler. Den første meldingen om en kjernefysisk reaksjon tilhører E. Rutherford. I 1919 oppdaget han at når partikler passerer gjennom nitrogengass, absorberes noen av dem, og protoner slippes ut samtidig. Rutherford konkluderte med at nitrogenkjerner ble omdannet til oksygenkjerner som et resultat av en kjernereaksjon av formen:

, (22.11)

hvor - er en partikkel; − proton (hydrogen).

En viktig parameter for en kjernefysisk reaksjon er dens energiutbytte, som bestemmes av formelen:

(22.12)

Her og er summen av hvilemassene av partikler før og etter reaksjonen. Når kjernefysiske reaksjoner oppstår med absorpsjon av energi, er det derfor de kalles endotermisk, og når - med frigjøring av energi. I dette tilfellet kalles de eksotermisk.

I enhver kjernefysisk reaksjon er følgende alltid oppfylt: fredningslover :

− elektrisk ladning;

- antall nukleoner;

− energi;

- impuls.

De to første lovene tillater at kjernefysiske reaksjoner skrives riktig selv i tilfeller der en av partiklene som er involvert i reaksjonen eller et av produktene er ukjent. Ved å bruke lovene for bevaring av energi og momentum er det mulig å bestemme kinetiske energier til partikler som dannes under reaksjonsprosessen, samt retningene for deres påfølgende bevegelse.

For å karakterisere endoterme reaksjoner introduseres konseptet terskel kinetisk energi , eller terskel for kjernefysisk reaksjon , de. den laveste kinetiske energien til en innfallende partikkel (i referanserammen der målkjernen er i ro) der en kjernereaksjon blir mulig. Fra loven om bevaring av energi og momentum følger det at terskelenergien til en kjernefysisk reaksjon beregnes med formelen:

. (22.13)

Her er energien til kjernereaksjonen (7.12); -massen til den stasjonære kjernen – mål; er massen til partikkelen som faller inn på kjernen.

Fisjonsreaksjoner. I 1938 oppdaget tyske forskere O. Hahn og F. Strassmann at når uran bombarderes med nøytroner, dukker det noen ganger opp kjerner som er omtrent halvparten av størrelsen på den opprinnelige urankjernen. Dette fenomenet ble kalt atomfisjon.

Den representerer den første eksperimentelt observerte kjernefysiske transformasjonsreaksjonen. Et eksempel er en av de mulige fisjonsreaksjonene til uran-235-kjernen:

Prosessen med kjernefysisk fisjon går veldig raskt i en tid på ~10 -12 s. Energien som frigjøres under en reaksjon som (22.14) er omtrent 200 MeV per fisjonshendelse i uran-235-kjernen.

Generelt kan fisjonsreaksjonen til uran-235-kjernen skrives som:

+nøytroner . (22.15)

Mekanismen for fisjonsreaksjonen kan forklares innenfor rammen av den hydrodynamiske modellen av kjernen. I følge denne modellen, når et nøytron absorberes av en urankjerne, går det inn i en eksitert tilstand (fig. 22.2).

Den overskytende energien som kjernen mottar på grunn av absorpsjonen av et nøytron forårsaker mer intens bevegelse av nukleoner. Som et resultat deformeres kjernen, noe som fører til en svekkelse av den kortdistanse atominteraksjonen. Hvis eksitasjonsenergien til kjernen er større enn en viss energi kalt aktiveringsenergi , under påvirkning av den elektrostatiske frastøtningen av protoner deler kjernen seg i to deler, og sender ut fisjonsnøytroner . Hvis eksitasjonsenergien ved absorpsjon av et nøytron er mindre enn aktiveringsenergien, når ikke kjernen

kritisk fase av fisjon og, etter å ha sendt ut et kvante, går han tilbake til hoveddelen

I fysikk betegner begrepet "kraft" målet for interaksjon av materialformasjoner med hverandre, inkludert samspillet mellom deler av materie (makroskopiske legemer, elementærpartikler) med hverandre og med fysiske felt (elektromagnetiske, gravitasjons). Totalt er det kjent fire typer interaksjon i naturen: sterk, svak, elektromagnetisk og gravitasjon, og hver har sin egen type kraft. Den første av dem tilsvarer kjernekrefter som virker inne i atomkjerner.

Hva forener kjernene?

Det er allment kjent at kjernen til et atom er liten, dens størrelse fire til fem størrelsesordener mindre enn størrelsen på selve atomet. Dette reiser et åpenbart spørsmål: hvorfor er den så liten? Tross alt er atomer, laget av bittesmå partikler, fortsatt mye større enn partiklene de inneholder.

Derimot er ikke kjerner mye forskjellig i størrelse fra nukleonene (protoner og nøytroner) de er laget av. Er det en grunn til dette eller er det en tilfeldighet?

I mellomtiden er det kjent at det er elektriske krefter som holder negativt ladede elektroner nær atomkjerner. Hvilken kraft eller krefter holder partiklene i kjernen sammen? Denne oppgaven utføres av kjernefysiske styrker, som er et mål på sterke interaksjoner.

Sterk atomkraft

Hvis det i naturen bare fantes gravitasjons- og elektriske krefter, dvs. som vi møter i hverdagen, da ville atomkjerner, ofte bestående av mange positivt ladede protoner, være ustabile: de elektriske kreftene som skyver protonene bort fra hverandre ville være mange millioner ganger sterkere enn noen gravitasjonskrefter som trekker dem sammen til en venn . Kjernekrefter gir en tiltrekning som er enda sterkere enn elektrisk frastøtning, selv om bare en skygge av deres sanne størrelse vises i strukturen til kjernen. Når vi studerer strukturen til selve protoner og nøytroner, ser vi de sanne mulighetene for det som er kjent som den sterke kjernekraften. Kjernefysiske krefter er dens manifestasjon.

Figuren over viser at de to motstridende kreftene i kjernen er den elektriske frastøtingen mellom positivt ladede protoner og kjernekraften, som tiltrekker protoner (og nøytroner) sammen. Hvis antallet protoner og nøytroner ikke er for forskjellig, er de andre kreftene overlegne den første.

Protoner er analoger av atomer, og kjerner er analoger av molekyler?

Mellom hvilke partikler virker kjernefysiske krefter? Først av alt, mellom nukleoner (protoner og nøytroner) i kjernen. Til syvende og sist virker de også mellom partikler (kvarker, gluoner, antikvarker) inne i et proton eller nøytron. Dette er ikke overraskende når vi erkjenner at protoner og nøytroner er iboende komplekse.

I et atom er små kjerner og enda mindre elektroner relativt langt fra hverandre sammenlignet med størrelsen, og de elektriske kreftene som holder dem sammen i et atom er ganske enkle. Men i molekyler er avstanden mellom atomer sammenlignbar med størrelsen på atomene, så den indre kompleksiteten til sistnevnte spiller inn. Den varierte og komplekse situasjonen forårsaket av delvis kompensasjon av intraatomære elektriske krefter gir opphav til prosesser der elektroner faktisk kan bevege seg fra ett atom til et annet. Dette gjør fysikken til molekyler mye rikere og mer kompleks enn atomers. Likeledes er avstanden mellom protoner og nøytroner i en kjerne sammenlignbar med størrelsen deres – og akkurat som med molekyler er egenskapene til kjernekreftene som holder kjernene sammen mye mer komplekse enn den enkle tiltrekningen av protoner og nøytroner.

Det er ingen kjerne uten et nøytron, bortsett fra hydrogen

Det er kjent at kjernene til noen kjemiske elementer er stabile, mens de for andre forfaller kontinuerlig, og spekteret av hastigheter for dette forfallet er veldig bredt. Hvorfor slutter kreftene som holder nukleoner i kjerner å virke? La oss se hva vi kan lære av enkle betraktninger om egenskapene til kjernefysiske krefter.

Den ene er at alle kjerner, bortsett fra den vanligste isotopen hydrogen (som kun har ett proton), inneholder nøytroner; det vil si at det ikke finnes en kjerne med flere protoner som ikke inneholder nøytroner (se figur under). Så det er klart at nøytroner spiller en viktig rolle i å hjelpe protoner med å holde sammen.

I fig. Ovenfor er lysstabile eller nesten stabile kjerner vist sammen med et nøytron. Sistnevnte, som tritium, er vist med en stiplet linje, noe som indikerer at de til slutt forfaller. Andre kombinasjoner med et lite antall protoner og nøytroner danner ikke en kjerne i det hele tatt, eller danner ekstremt ustabile kjerner. Også vist i kursiv er de alternative navnene som ofte gis til noen av disse objektene; For eksempel kalles helium-4-kjernen ofte en α-partikkel, navnet som ble gitt til den da den opprinnelig ble oppdaget i tidlige studier av radioaktivitet på 1890-tallet.

Nøytroner som protongjetere

Tvert imot er det ingen kjerne laget av kun nøytroner uten protoner; de fleste lette kjerner, som oksygen og silisium, har omtrent like mange nøytroner og protoner (Figur 2). Store kjerner med store masser, som gull og radium, har litt flere nøytroner enn protoner.

Dette sier to ting:

1. Ikke bare trengs nøytroner for å holde protoner sammen, men protoner trengs også for å holde nøytroner sammen.

2. Hvis antallet protoner og nøytroner blir veldig stort, så må den elektriske frastøtningen av protonene kompenseres ved å legge til noen flere nøytroner.

Det siste utsagnet er illustrert i figuren under.

Figuren over viser stabile og nesten stabile atomkjerner som funksjon av P (antall protoner) og N (antall nøytroner). Linjen vist med svarte prikker indikerer stabile kjerner. Enhver forskyvning opp eller ned fra den svarte linjen betyr en reduksjon i kjernenes levetid - i nærheten av den er kjernenes levetid millioner av år eller mer, når du beveger deg lenger inn i de blå, brune eller gule områdene (ulike farger tilsvarer forskjellige mekanismer for kjernefysisk forfall), blir deres levetid kortere og kortere, ned til en brøkdel av et sekund.

Merk at stabile kjerner har P og N omtrent like for små P og N, men N blir gradvis større enn P med en faktor på mer enn halvannen. Merk også at gruppen av stabile og langlivede ustabile kjerner forblir i et ganske smalt bånd for alle verdier av P opp til 82. Ved større antall er de kjente kjernene i prinsippet ustabile (selv om de kan eksistere i millioner av år) ). Tilsynelatende er mekanismen nevnt ovenfor for å stabilisere protoner i kjerner ved å legge til nøytroner til dem i denne regionen ikke 100% effektiv.

Hvordan avhenger størrelsen på et atom av massen til elektronene?

Hvordan påvirker kreftene som vurderes strukturen til atomkjernen? Kjernefysiske krefter påvirker først og fremst størrelsen. Hvorfor er kjerner så små sammenlignet med atomer? For å finne ut, la oss starte med den enkleste kjernen, som har både et proton og et nøytron: det er den nest vanligste isotopen av hydrogen, et atom som inneholder ett elektron (som alle hydrogenisotoper) og en kjerne av ett proton og ett nøytron . Denne isotopen kalles ofte "deuterium", og dens kjerne (se figur 2) kalles noen ganger "deuteron". Hvordan kan vi forklare hva som holder 5. Mosebok sammen? Vel, du kan tenke deg at det ikke er så forskjellig fra et vanlig hydrogenatom, som også inneholder to partikler (et proton og et elektron).

I fig. Det er vist ovenfor at i et hydrogenatom er kjernen og elektronet veldig langt fra hverandre, i den forstand at atomet er mye større enn kjernen (og elektronet er enda mindre.) Men i et deuteron er avstanden mellom protonet og nøytronene er sammenlignbare med størrelsene deres. Dette forklarer delvis hvorfor kjernekrefter er mye mer komplekse enn kreftene i et atom.

Det er kjent at elektroner har en liten masse sammenlignet med protoner og nøytroner. Det følger at

massen til et atom er i hovedsak nær massen til kjernen,
størrelsen på et atom (i hovedsak størrelsen på elektronskyen) er omvendt proporsjonal med elektronenes masse og omvendt proporsjonal med den totale elektromagnetiske kraften; Kvantemekanikkens usikkerhetsprinsipp spiller en avgjørende rolle.

Hva om kjernekrefter ligner på elektromagnetiske?

Hva med deuteron? Det, som atomet, er laget av to objekter, men de har nesten samme masse (massene til nøytronet og protonet avviker bare med omtrent en del i 1500), så begge partiklene er like viktige for å bestemme massen til deuteronet og dens størrelse. Anta nå at kjernekraften trekker protonet mot nøytronet på samme måte som elektromagnetiske krefter (dette er ikke helt sant, men tenk deg et øyeblikk); og deretter, analogt med hydrogen, forventer vi at størrelsen på deuteronet er omvendt proporsjonal med massen til protonet eller nøytronet, og omvendt proporsjonal med størrelsen på kjernekraften. Hvis størrelsen var den samme (i en viss avstand) som den elektromagnetiske kraften, ville dette bety at siden et proton er omtrent 1850 ganger tyngre enn et elektron, så må deuteronet (og faktisk enhver kjerne) være minst tusen ganger mindre enn hydrogen.

Hva gir det å ta hensyn til den betydelige forskjellen mellom kjernefysiske og elektromagnetiske krefter?

Men vi har allerede gjettet at kjernekraften er mye større enn den elektromagnetiske kraften (på samme avstand), fordi hvis dette ikke var slik, ville den ikke kunne forhindre elektromagnetisk frastøtning mellom protoner før kjernen går i oppløsning. Så protonet og nøytronet under dets påvirkning kommer sammen enda tettere. Og derfor er det ikke overraskende at deuteronet og andre kjerner ikke bare er tusen, men hundre tusen ganger mindre enn atomer! Igjen, dette er bare fordi

protoner og nøytroner er nesten 2000 ganger tyngre enn elektroner,
ved disse avstandene er den store kjernekraften mellom protoner og nøytroner i kjernen mange ganger større enn de tilsvarende elektromagnetiske kreftene (inkludert elektromagnetisk frastøting mellom protoner i kjernen.)

Denne naive gjetningen gir omtrent det riktige svaret! Men dette gjenspeiler ikke fullt ut kompleksiteten i samspillet mellom proton og nøytron. Et åpenbart problem er at en kraft som ligner den elektromagnetiske kraften, men med større tiltreknings- eller frastøtende kraft, åpenbart skal manifestere seg i hverdagen, men vi observerer ikke noe slikt. Så noe med denne kraften må være forskjellig fra elektriske krefter.

Kort rekkevidde for kjernekraft

Det som gjør dem forskjellige er at kjernekreftene som hindrer atomkjernen fra å råtne er svært viktige og sterke for protoner og nøytroner som befinner seg i svært kort avstand fra hverandre, men på en viss avstand (det såkalte "rekkevidden" av kraft), faller de veldig raskt, mye raskere enn elektromagnetiske. Rekkevidden, viser det seg, kan også være på størrelse med en moderat stor kjerne, bare flere ganger større enn et proton. Hvis du plasserer et proton og et nøytron i en avstand som kan sammenlignes med dette området, vil de tiltrekke seg hverandre og danne et deuteron; hvis de er adskilt med en større avstand, vil de knapt føle noen tiltrekning i det hele tatt. Faktisk, hvis de er plassert for tett sammen til det punktet hvor de begynner å overlappe, vil de faktisk frastøte hverandre. Dette avslører kompleksiteten til et slikt konsept som kjernefysiske styrker. Fysikken fortsetter å utvikle seg i retning av å forklare mekanismen for deres handling.

Fysisk mekanisme for kjernefysisk interaksjon

Hver materiell prosess, inkludert interaksjonen mellom nukleoner, må ha materielle bærere. De er kjernefeltkvanter - pi-mesoner (pioner), på grunn av utvekslingen som tiltrekning mellom nukleoner oppstår.

I henhold til kvantemekanikkens prinsipper danner pi-mesoner, som stadig dukker opp og umiddelbart forsvinner, noe som en sky rundt en "naken" nukleon, kalt en mesonbelegg (husk elektronskyene i atomer). Når to nukleoner omgitt av slike belegg befinner seg i en avstand på omtrent 10 -15 m, skjer det en utveksling av pioner, lik utveksling av valenselektroner i atomer under dannelsen av molekyler, og tiltrekning oppstår mellom nukleonene.

Hvis avstandene mellom nukleoner blir mindre enn 0,7∙10 -15 m, så begynner de å utveksle nye partikler - de såkalte. ω og ρ-mesoner, som et resultat av hvilke ikke tiltrekning, men frastøtning skjer mellom nukleoner.

Kjernekrefter: strukturen til kjernen fra enkleste til største

Ved å oppsummere alt ovenfor kan vi merke oss:

den sterke kjernekraften er mye, mye svakere enn elektromagnetisme på avstander som er mye større enn størrelsen på en typisk kjerne, så vi møter den ikke i hverdagen; Men
på korte avstander som kan sammenlignes med kjernen, blir den mye sterkere - tiltrekningskraften (forutsatt at avstanden ikke er for kort) er i stand til å overvinne den elektriske frastøtningen mellom protoner.

Så denne kraften betyr bare på avstander som kan sammenlignes med størrelsen på kjernen. Figuren nedenfor viser dens avhengighet av avstanden mellom nukleoner.

Store kjerner holdes sammen av mer eller mindre den samme kraften som holder deuteronet sammen, men detaljene i prosessen er så komplekse at de ikke er enkle å beskrive. De er heller ikke fullt ut forstått. Selv om de grunnleggende konturene av kjernefysikk har vært godt forstått i flere tiår, er mange viktige detaljer fortsatt under aktiv etterforskning.

Atomkrefter gir tiltrekning- dette følger av selve det faktum at det finnes stabile kjerner som består av protoner og nøytroner.

Kjernefysiske krefter er store i absolutt omfang. Deres virkning på korte avstander overstiger betydelig virkningen av alle krefter som er kjent i naturen, inkludert elektromagnetiske.

Så langt kjenner vi fire typer interaksjon:

a) sterke (kjernefysiske) interaksjoner;

b) elektromagnetiske interaksjoner;

c) svake interaksjoner, spesielt tydelig observert i partikler som ikke viser sterke og elektromagnetiske interaksjoner (nøytrinoer);

d) gravitasjonsinteraksjoner.

En sammenligning av kreftene for disse typene interaksjoner kan oppnås ved å bruke et enhetssystem der de karakteristiske interaksjonskonstantene som tilsvarer disse kreftene (kvadratene til "ladningene") er dimensjonsløse.

For samspillet inne i en kjerne av to nukleoner som har alle disse kreftene, er interaksjonskonstantene av størrelsesorden:

Atomkrefter sikrer eksistensen av kjerner. Elektromagnetisk - atomer og molekyler. Den gjennomsnittlige bindingsenergien til et nukleon i kjernen er lik det vil si hvor er resten av nukleonet. Bindingsenergien til et elektron i et hydrogenatom er bare det vil si hvor er resten av elektronet. Derfor, på denne skalaen, er bindingsenergier relatert som karakteristiske konstanter:

Svake interaksjoner er ansvarlige for slike subtile effekter som gjensidige transformasjoner gjennom -forfall og -fangst (se § 19), for forskjellige henfall av elementærpartikler, så vel som for alle prosesser for interaksjon av nøytrinoer med materie.

Stabiliteten til kosmiske kropper og systemer er assosiert med gravitasjonsinteraksjoner.

Samhandlingskreftene til den andre og fjerde typen avtar med avstanden, det vil si ganske sakte og er derfor langdistanse. Interaksjoner av den første og tredje typen avtar med avstanden veldig raskt og er derfor kortdistanse.

Kjernefysiske krefter er kortdistanse. Dette følger: a) fra Rutherfords eksperimenter på spredning av -partikler med lette kjerner (for avstander over cm, de eksperimentelle resultatene

forklares av den rene Coulomb-interaksjonen av -partikler med kjernen, men ved mindre avstander oppstår avvik fra Coulombs lov på grunn av kjernekrefter. Det følger at atomstyrkenes virkeområde uansett er mindre

b) fra studiet av forfallet av tunge kjerner (se § 15);

c) fra eksperimenter på spredning av nøytroner med protoner og protoner med protoner.

La oss se på dem litt mer detaljert.

Ris. 17. Partikkel- og spredningsmål

Ved lave nøytronenergier er spredningen deres i sentrum av treghetssystemet isotropisk. Faktisk vil en klassisk partikkel med momentum "fange" på et spredningsmål med en virkningsradius av kjernekrefter hvis den flyr i avstander som er mindre, dvs. hvis komponenten av dens vinkelmomentum i retningen vinkelrett på baneplanet ikke overskrider fjell (fig. 17).

Men ifølge de Broglies forhold til en hendelsespartikkel, derfor,

Imidlertid kan den maksimale verdien av projeksjonen av banemomentet til en partikkel bare være lik Derfor

For en verdi av a, er bølgefunksjonen som beskriver tilstanden til systemet sfærisk symmetrisk i c. c. dvs. i dette systemet må spredningen være isotropisk.

Når spredningen ikke lenger vil være isotrop. Ved å redusere energien til innfallende nøytroner og derved øke den, kan man finne verdien ved hvilken spredningsisotropi oppnås. Dette gir et estimat av rekkevidden av kjernefysiske krefter.

Den maksimale nøytronenergien ved hvilken sfærisk symmetrisk spredning fortsatt ble observert var lik Dette gjorde det mulig å bestemme den øvre grensen for virkningsradiusen til kjernekrefter den viste seg å være lik cm.

Videre, når en protonfluks er spredt på et protonmål, kan man beregne den forventede verdien av det effektive tverrsnittet av prosessen hvis bare Coulomb-krefter virker. Men når partiklene kommer veldig tett sammen, begynner kjernefysiske krefter å dominere

over Coulomb-ene, og fordelingen av spredte protoner endres.

Fra slike eksperimenter ble det funnet at kjernekrefter avtar kraftig med økende avstand mellom protoner. Området for deres handling er ekstremt lite og også i størrelsesorden cm. Dessverre gir ikke resultatene av eksperimenter med spredning av lavenergi-nukleoner informasjon om loven om endring av kjernekrefter med avstand. Den detaljerte formen til den potensielle brønnen er fortsatt usikker.

Eksperimenter for å studere egenskapene til to bundne nukleoner i en deuteronkjerne lar oss heller ikke entydig etablere loven om endring i potensialet til kjernekraftfeltet med avstand. Årsaken ligger i den uvanlig lille aksjonsradiusen til kjernefysiske styrker og deres svært store størrelse innenfor aksjonsradiusen. Som en første tilnærming til potensialet som beskriver egenskapene til deuteron, kan vi ta et ganske bredt spekter av forskjellige funksjoner, som bør avta ganske raskt med avstanden.

De eksperimentelle dataene tilfredsstilles omtrentlig, for eksempel av følgende funksjoner.

Ris. 18. Mulige former for deuteronpotensialbrønnen: a - rektangulær brønn; eksponentiell brønn; c er formen til brønnen ved Yukawa-potensialet; -vel på et potensial med et solid frastøtende senter

1. Rektangulær potensiell brønn (fig. 18a):

hvor er virkningsradiusen til kjernekrefter, avstanden mellom sentrene til to samvirkende nukleoner.

2. Eksponentiell funksjon (fig. 18, b):

3. Yukawa mesonpotensial (fig. 18c):

4. Potensial med en solid frastøtende midtre (fig. 18d):

En detaljert studie av spredningsstrukturen og sammenligning med teoretiske beregninger taler for sistnevnte av disse formene. For tiden brukes mer komplekse skjemaer for beregninger, noe som gir bedre samsvar med eksperimentelle data.

I alle tilfeller er dybden av den potensielle brønnen av størrelsesorden flere tiere. Verdien i tilfellet av et potensial med et frastøtende senter er i størrelsesorden tiendedeler av en Fermi.

Kjernekrefter er ikke avhengig av de elektriske ladningene til samvirkende partikler. Samspillskreftene mellom eller er de samme. Denne egenskapen følger av følgende fakta.

I lette stabile kjerner, når elektromagnetisk frastøtning fortsatt kan neglisjeres, er antallet protoner lik antall nøytroner. Derfor er kreftene som virker mellom dem like, ellers ville det være et skifte i en eller annen retning (enten eller

Lysspeilkjerner (kjerner oppnådd ved å erstatte nøytroner med protoner og omvendt har for eksempel de samme energinivåene.

Eksperimenter på spredning av nøytroner med protoner og protoner med protoner viser at størrelsen på kjernefysisk tiltrekning til et proton med et proton og et nøytron med et proton er den samme.

Denne egenskapen til kjernekrefter er grunnleggende og indikerer den dype symmetrien som eksisterer mellom to partikler: protonet og nøytronet. Det ble kalt ladningsuavhengighet (eller symmetri) og gjorde det mulig å betrakte protonet og nøytronet som to tilstander av samme partikkel – nukleonet.

Dermed har nukleonet en ytterligere indre frihetsgrad - ladning - i forhold til hvilke to tilstander er mulige: proton og nøytron. Dette er analogt med spinnegenskapene til partikler: spinn er også, i tillegg til bevegelsen i rommet, partikkelens indre frihetsgrad, i forhold til hvilken elektronet (eller nukleonet) bare har to mulige tilstander. Sekvensiell kvantemekanisk

beskrivelsen av disse to frihetsgradene: ladning og spinn - er formelt sett den samme. Derfor er det vanlig å visuelt beskrive ladningsgraden av frihet ved å bruke et konvensjonelt tredimensjonalt rom, som kalles isotopisk, og tilstanden til en partikkel (nukleon) i dette rommet er preget av et isotopisk spinn, betegnet

La oss se på dette litt mer detaljert, og gå tilbake til konseptet med vanlig spinn.

La oss anta at det er to elektroner, som, som vi vet, er helt identiske. Begge har sitt eget vinkelmomentum - spinn. Rotasjonsretningen deres kan imidlertid ikke oppdages. La oss nå plassere dem i et eksternt magnetfelt. I følge kvantemekanikkens grunnleggende postulater kan "rotasjonsaksen" til hver partikkel bare innta strengt definerte posisjoner i forhold til dette ytre feltet. Spinnaksen til partikler med lik spinn kan orienteres enten langs eller mot feltets retning (fig. 19). En partikkel med momentum kan ha tilstander; et elektron som har 2 tilstander. Verdien av spinnprojeksjoner kan være Dette fører til at partikler i et magnetfelt nå kan ha forskjellige energier og det blir mulig å skille dem fra hverandre. Dette viser at tilstanden til elektronet, på grunn av dets magnetiske egenskaper, er en dublett.

Uten et eksternt magnetfelt er det ingen måte å skille de to mulige tilstandene til et elektron; stater sies å "degenerere" til usynlige tilstander.

En lignende situasjon oppstår i hydrogenatomet. For å karakterisere tilstandene til atomet introduseres et orbitalt kvantenummer, som karakteriserer atomenes orbitale vinkelmomentum. Et atom med en gitt I kan ha tilstander, siden det i et eksternt felt bare kan eksistere veldefinerte verdier av projeksjonene av I på retningen av feltet (fra - I til Mens det ikke er noe eksternt felt, er tilstanden formere seg.

Oppdagelsen av nøytronet førte til ideen om eksistensen av et fenomen som ligner på elektronets magnetiske degenerasjon.

Tross alt betyr ladningsuavhengigheten til kjernekrefter at i et sterkt samspill oppfører et proton og et nøytron seg som samme partikkel. De kan bare skilles fra hverandre hvis vi tar hensyn til den elektromagnetiske interaksjonen. Hvis vi forestiller oss at elektromagnetiske lysdioder på en eller annen måte kan "slå av" (fig. 20, a), vil protonet og nøytronet bli utskillelige partikler og til og med massene deres vil være like (for flere detaljer om masselikhet; se § 12 ). Derfor kan en syklon betraktes som en "ladningsdublett", der den ene tilstanden representerer et proton og den andre et nøytron. Hvis du inkluderer elektromagnetiske krefter, betinget

presentert i fig. 20b med en stiplet linje, vil elektriske krefter avhengig av ladningen bli lagt til de tidligere ladningsuavhengige kreftene.

Ris. 19. Orientering av elektronspinn i et magnetfelt

Ris. 20. Forskjellen mellom et proton og et nøytron på grunn av elektromagnetisk interaksjon

Energien til ladede partikler vil avvike fra energien til nøytrale partikler og protonet og nøytronet kan separeres. Følgelig vil ikke hvilemassene deres være like.

For å karakterisere tilstanden til et nukleon i en kjerne, introduserte Heisenberg et rent formelt konsept av isotopisk spinn som, analogt med kvantetall, skulle bestemme antall degenererte tilstander til et nukleon lik Ordet "isotop" uttrykker det faktum at protonet og nøytronet er nære i sine egenskaper (isotoper - atomer med identiske kjemiske egenskaper, forskjellig i antall nøytroner i kjernen).

Ordet "spinn" i dette konseptet oppsto fra en rent matematisk analogi med det vanlige spinnet til en partikkel.

Det er viktig å merke seg nok en gang at den kvantemekaniske vektoren til isotopisk spinn introduseres ikke i vanlig, men i konvensjonelt rom, kalt isotopisk eller ladningsrom. Sistnevnte, i motsetning til konvensjonelle akser, er spesifisert av betingede akser. I dette rommet kan ikke partikkelen bevege seg translasjonsmessig, men roterer bare.

Derfor bør isotopisk spinn betraktes som en matematisk egenskap som skiller et proton fra et nøytron; fysisk er de støpt i et annet forhold til det elektromagnetiske feltet.

Det isotopiske spinnet til et nukleon er likt og har komponenter og med hensyn til denne aksen er det konvensjonelt akseptert at et proton forvandles til et nøytron. spinn roteres 180° i isotoprom.

Ved bruk av denne formelle teknikken tar ladningsavhengigheten form av en bevaringslov: under samspillet mellom nukleoner forblir det totale isotopiske spinnet og dets projeksjon uendret, dvs.

Denne bevaringsloven kan formelt betraktes som en konsekvens av fysiske lovers uavhengighet fra rotasjon i isotoprom. Denne fredningsloven er imidlertid omtrentlig. Den er gyldig i den grad elektromagnetiske krefter kan neglisjeres og kan krenkes litt - i omfanget av forholdet mellom elektromagnetiske og kjernefysiske krefter. Dens fysiske betydning ligger i det faktum at atomkreftene i systemene er identiske.

Vi kommer tilbake til begrepet isotopspinn i kapittelet om elementærpartikler, som det får ytterligere betydning for.

Kjernekraft er avhengig av spinn. Atomkreftenes avhengighet av spinn følger av følgende fakta.

Den samme kjernen i tilstander med forskjellige spinn har forskjellige bindingsenergier. For eksempel er bindingsenergien til et deuteron, der spinnene er parallelle, lik med antiparallelle spinn, det er ingen stabil tilstand i det hele tatt.

Nøytron-protonspredning er følsom for spinnorientering. Sannsynligheten for interaksjon mellom nøytroner og protoner ble teoretisk beregnet under antagelsen om at interaksjonspotensialet ikke er avhengig av spinn. Det viste seg at de eksperimentelle resultatene skilte seg fra de teoretiske med en faktor fem.

Avviket elimineres hvis vi tar i betraktning at interaksjonen avhenger av den relative orienteringen til spinnene.

Kjernekrefters avhengighet av spinnorientering kommer til uttrykk i eksperimenter på nøytronspredning på orto- og parahydrogenmolekyler.

Faktum er at det er to typer hydrogenmolekyler: i et orto-hydrogenmolekyl er spinnene til to protoner parallelle med hverandre, det totale spinnet er 1 og kan ha tre orienteringer (den såkalte tripletttilstanden); i et para-hydrogen-molekyl er spinnene antiparallelle, det totale spinnet er null og en enkelt tilstand er mulig (den såkalte singlet-tilstanden),

Forholdet mellom antall orto- og parahydrogenmolekyler ved romtemperatur er Dette forholdet bestemmes av antall mulige tilstander.

Energien til grunnpara-tilstanden er lavere enn energien til grunn-orgo-tilstanden. Ved lave temperaturer forvandles ortohydrogenmolekyler til parahydrogenmolekyler. I nærvær av en katalysator forløper denne transformasjonen ganske raskt, og det er mulig å oppnå flytende hydrogen i ren tilstand av para-hydrogen. Når

spredning av nøytroner på orto-hydrogen, spinnet til nøytronet er enten parallelt med spinnene til begge protonene, eller antiparallelt til begge; dvs. det er konfigurasjoner:

Når det spres av para-hydrogen, er spinnet til nøytronet alltid parallelt med spinnet til ett proton og antiparallelt med spinnet til det andre protonet; Uavhengig av orienteringen til para-hydrogenmolekylet, har konfigurasjonen karakteren

Ris. 21 Nøytronspredning på hydrogenmolekyler

La oss vurdere spredning som en bølgeprosess. Hvis spredning avhenger av den gjensidige orienteringen til spinnene, vil den observerte interferenseffekten av nøytronbølger spredt av begge protoner være betydelig forskjellig for prosessene med spredning på orto- og para-hydrogenmolekyler.

Hva må være energien til nøytronene for at en forskjell i spredning skal være merkbar? I et molekyl er protoner plassert i en avstand som er mange ganger større enn radiusen til kjernekrefter. cm Derfor, på grunn av nøytronets bølgeegenskaper, kan spredningsprosessen skje samtidig på begge protonene hvis (fig. 21). De Broglie-bølgen som kreves for dette

for et nøytron hvis masse tilsvarer energi

Kjernefysiske krefter har egenskapen til metning. Som allerede nevnt i § 4, er egenskapen til metning av kjernekrefter manifestert i det faktum at bindingsenergien til en kjerne er proporsjonal med antall nukleoner i kjernen - A, og ikke

Denne egenskapen til kjernekrefter følger også av stabiliteten til lette kjerner. Det er for eksempel umulig å legge til flere og flere nye partikler til deuteron bare én slik kombinasjon med et ekstra nøytron-tritium er kjent. Et proton kan dermed danne bundne tilstander med ikke mer enn to nøytroner.

For å forklare Heisenberg-metningen ble det antydet at kjernefysiske krefter er av utvekslingskarakter.

Kjernefysiske krefter er av utvekslingskarakter. For første gang ble utvekslingsnaturen til kjemiske bindingskrefter etablert: en binding dannes som et resultat av overføring av elektroner fra ett atom til et annet. Elektromagnetiske krefter kan også klassifiseres som utvekslingskrefter: samspillet mellom ladninger forklares ved at de utveksler y-kvanter. Imidlertid er det ingen metning i dette tilfellet, siden utvekslingen av y-kvanter ikke endrer egenskapene til hver partikkel.

Utvekslingsegenskapen til kjernefysiske krefter manifesteres i det faktum at under en kollisjon kan nukleoner overføre til hverandre slike egenskaper som ladning, spinnprojeksjoner og andre.

Utvekslingsnaturen bekreftes av forskjellige eksperimenter, for eksempel av resultatene av målinger av vinkelfordelingen til høyenerginøytroner når de er spredt av protoner. La oss se på dette mer detaljert.

I kjernefysikk kalles energi høy når de Broglie-bølgen til partikkelen tilfredsstiller forholdet dvs.

For nukleoner er de Broglie-bølgelengden relatert til den kinetiske energien ved ligningen

og derfor kan den kinetiske energien til et nukleon kalles høy hvis den er betydelig større

Kvantemekanikk gjør det mulig å oppnå avhengigheten av det effektive spredningstverrsnittet av energien til innfallende nøytroner og spredningsvinkelen dersom interaksjonspotensialet er kjent.

Beregninger viser at for et potensial som en rektangulær brønn, bør spredningstverrsnittet variere avhengig av energien til partiklene, samt at spredningen i seg selv bør skje innenfor en liten vinkel. Derfor bør vinkelfordelingen av spredte nøytroner i midten av treghetssystemet bør ha et maksimum i retning av deres bevegelse, og fordelingen av rekylprotoner bør ha et maksimum i motsatt retning.

Eksperimentelt ble ikke bare en topp i vinkelfordelingen rettet fremover, men også en andre topp bakover oppdaget for nøytroner (fig. 22).

Ris. 22. Avhengighet av differensialtverrsnittet for nøytronspredning på protoner på spredningsvinkelen

De eksperimentelle resultatene kan bare forklares ved å anta at utvekslingskrefter virker mellom nukleoner og at nøytroner og protoner under spredningsprosessen utveksler ladningene, dvs. spredning skjer med "ladningsutveksling". I dette tilfellet blir en del av nøytronene til protoner, og protoner blir observert fly i retning av de innfallende nøytronene, de såkalte ladningsutvekslingsprotonene. Samtidig blir en del av protonene til nøytroner og registreres som nøytroner spredt tilbake i s.

Den relative rollen til utveksling og vanlige krefter bestemmes av forholdet mellom antall nøytroner som flyr bakover og antall nøytroner som flyr fremover.

Basert på kvantemekanikk kan det bevises at eksistensen av utvekslingskrefter alltid fører til fenomenet metning, siden en partikkel ikke kan samhandle gjennom utveksling med mange partikler samtidig.

En mer detaljert studie av eksperimenter på nukleon-nukleonspredning viser imidlertid at selv om interaksjonskreftene faktisk er av utvekslingskarakter, er blandingen av det ordinære potensialet med utvekslingen slik at den ikke kan forklare metningen fullt ut. En annen egenskap ved kjernefysiske styrker er også oppdaget. Det viser seg at hvis det ved store avstander mellom nukleoner overveiende virker tiltrekkende krefter, så oppstår en skarp frastøtning når nukleoner kommer tett sammen (i en avstand av størrelsesorden cm). Dette kan forklares med tilstedeværelsen av kjerner i nukleoner som frastøter hverandre.

Beregninger viser at det er disse kjernene som først og fremst er ansvarlige for metningseffekten. I denne forbindelse bør kjernefysisk interaksjon tilsynelatende være preget av et uensartet potensial som en rektangulær brønn (fig. en kompleks funksjon med en funksjon på små avstander (fig. 18d).

1. Kjernefysiske krefter er attraktive krefter på kort rekkevidde . De vises bare ved svært små avstander mellom nukleoner i størrelsesorden 10–15 m. En avstand i størrelsesorden (1,5 – 2,2)·10–15 m kalles virkningsradiusen til kjernekrefter , avtar kjernefysiske krefter raskt. I en avstand av størrelsesorden (2-3) m er kjernefysisk interaksjon mellom nukleoner praktisk talt fraværende.

Den komplekse naturen til kjernefysiske styrker tillater ikke utviklingen av en enkelt, konsistent teori om kjernefysisk interaksjon, selv om mange forskjellige tilnærminger har blitt foreslått. I følge hypotesen til den japanske fysikeren H. Yukawa, som han foreslo i 1935, er kjernefysiske krefter forårsaket av utveksling - mesoner, dvs. elementærpartikler hvis masse er omtrent 7 ganger mindre enn massen av nukleoner. Ifølge denne modellen, en nukleon i tid m- mesonmasse) avgir en meson, som beveger seg med en hastighet nær lysets hastighet, dekker en avstand , hvoretter det absorberes av det andre nukleonet. På sin side avgir det andre nukleonet også en meson, som absorberes av den første. I H. Yukawas modell bestemmes derfor avstanden som nukleoner samhandler med av mesonbanelengden, som tilsvarer en avstand på ca. m og i størrelsesorden sammenfaller med virkningsradiusen til kjernefysiske krefter.

La oss gå til vurderingen av utvekslingsinteraksjonen mellom nukleoner. Det er positive, negative og nøytrale mesoner. Ladningsmodulen - eller - mesoner er numerisk lik den elementære ladningen e. Massen av ladede mesoner er den samme og lik (140 MeV), mesonmassen er 264 (135 MeV). Spinnet til både ladede og nøytrale mesoner er 0. Alle tre partiklene er ustabile. Levetiden til - og - mesoner er 2,6 Med, - meson – 0,8·10 -16 Med. Interaksjonen mellom nukleoner utføres i henhold til en av følgende skjemaer:

(22.7)
1. Nukleoner utveksler mesoner:

2. Nukleonutveksling - mesoner:

3. Nukleoner utveksler mesoner:

. (22.10)

Kjernemodeller. Fraværet av en matematisk lov for kjernefysiske krefter tillater ikke opprettelsen av en enhetlig teori om kjernen. Forsøk på å lage en slik teori møter alvorlige vanskeligheter. Her er noen av dem:

1. Mangel på kunnskap om kreftene som virker mellom nukleoner.

2. Den ekstreme besværligheten ved kvantemangekroppsproblemet (en kjerne med et massetall EN er et system av EN tlf).

Disse vanskelighetene tvinger oss til å ta veien for å lage kjernefysiske modeller som gjør det mulig å beskrive et visst sett av kjernefysiske egenskaper ved hjelp av relativt enkle matematiske midler. Ingen av disse modellene kan gi en absolutt nøyaktig beskrivelse av kjernen. Derfor må du bruke flere modeller.

Under kjernemodell i kjernefysikk forstår de et sett med fysiske og matematiske forutsetninger ved hjelp av hvilke det er mulig å beregne egenskapene til et kjernefysisk system som består av EN nukleoner. Mange modeller av ulik grad av kompleksitet er foreslått og utviklet. Vi vil bare vurdere de mest kjente av dem.

Hydrodynamisk (drypp) modell av kjernen ble utviklet i 1939. N. Bohr og den sovjetiske vitenskapsmannen J. Frenkel. Det er basert på antagelsen om at på grunn av den høye tettheten av nukleoner i kjernen og den ekstremt sterke interaksjonen mellom dem, er uavhengig bevegelse av individuelle nukleoner umulig, og kjernen er en dråpe ladet væske med tetthet . Som med en vanlig væskedråpe, kan overflaten av kjernen svinge. Hvis amplituden til vibrasjonene blir stor nok, oppstår prosessen med kjernefysisk fisjon. Dråpemodellen gjorde det mulig å få en formel for bindingsenergien til nukleoner i kjernen og forklarte mekanismen til noen kjernereaksjoner. Denne modellen forklarer imidlertid ikke det meste av eksitasjonsspektra til atomkjerner og den spesielle stabiliteten til noen av dem. Dette skyldes det faktum at den hydrodynamiske modellen svært omtrentlig reflekterer essensen av den indre strukturen til kjernen.

Skallmodell av kjernen utviklet i 1940-1950 av den amerikanske fysikeren M. Geppert - Mayer og den tyske fysikeren H. Jensen. Den forutsetter at hvert nukleon beveger seg uavhengig av de andre i et eller annet gjennomsnittlig potensielt felt (potensiell brønn skapt av de gjenværende nukleonene i kjernen. Innenfor rammen av skallmodellen beregnes ikke funksjonen, men velges slik at den beste samsvar med eksperimentelle data kan oppnås.

Dybden til den potensielle brønnen er vanligvis ~ (40-50) MeV og er ikke avhengig av antall nukleoner i kjernen. I følge kvanteteorien er nukleoner i et felt på visse diskrete energinivåer. Hovedantakelsen til skaperne av skallmodellen om den uavhengige bevegelsen av nukleoner i et gjennomsnittlig potensielt felt er i konflikt med de grunnleggende bestemmelsene til utviklerne av den hydrodynamiske modellen. Derfor kan egenskapene til kjernen, som er godt beskrevet av den hydrodynamiske modellen (for eksempel verdien av bindingsenergien), ikke forklares innenfor rammen av skallmodellen, og omvendt.

Generalisert kjernemodell , utviklet i 1950-1953, kombinerer hovedbestemmelsene til skaperne av hydrodynamiske og skallmodeller. I den generaliserte modellen antas det at kjernen består av en indre stabil del - kjernen, som er dannet av nukleonene til fylte skall, og eksterne nukleoner som beveger seg i feltet skapt av kjernens nukleoner. I denne forbindelse er bevegelsen til kjernen beskrevet av en hydrodynamisk modell, og bevegelsen til eksterne nukleoner av en skallmodell. På grunn av interaksjon med eksterne nukleoner kan kjernen deformeres, og kjernen kan rotere rundt en akse vinkelrett på deformasjonsaksen. Den generaliserte modellen gjorde det mulig å forklare hovedtrekkene til rotasjons- og vibrasjonsspektrene til atomkjerner, så vel som de høye verdiene til det firepolske elektriske momentet til noen av dem.

Vi har tatt for oss de viktigste fenomenologiske, dvs. beskrivende kjernemodeller. For å fullt ut forstå arten av kjernefysiske interaksjoner som bestemmer egenskapene og strukturen til kjernen, er det imidlertid nødvendig å lage en teori der kjernen vil bli betraktet som et system av samvirkende nukleoner.