Nükleer kuvvetler nedir ve özellikleri nelerdir? Nükleer kuvvetler ve özellikleri

1.3.1 . Herhangi bir atomun çekirdeği karmaşık bir yapıya sahiptir adı verilen parçacıklardan oluşur. nükleonlar. Bilinen iki tür nükleon vardır: protonlar ve nötronlar .
Protonlar - kütlesi 1 amu olan nükleonlar. pozitif yüke eşit birim, yani elektronun temel yükü.
Nötronlar -elektriksel olarak nötr kütlesi 1 amu olan nükleonlar.
*) Açıkçası, proton ve nötronların geri kalan kütleleri biraz farklıdır: m p = 1,6726. 10 -24 G ve mn = 1,67439. 10 -24 G. Bu fark daha sonra tartışılacaktır.

1.3.2. Çekirdeğin kütlesinden beri pratik olarak A'ya eşittir, çekirdeğin yükü z'dir ve proton ile nötronun kütleleri neredeyse eşit Bu tür fikirlerle şunu kabul etmek gerekir ki elektriksel olarak nötr kararlı bir atomun çekirdeği aşağıdakilerden oluşur: z protonlar ve ( A - z ) nötronlar. Bu nedenle bir elementin atom numarası, Bir atomun çekirdeğinin, bir elektronun temel yükleriyle ifade edilen proton yükü. Başka bir deyişle, z - bu numara Bir atomun çekirdeğindeki protonlar.

1.3.3 . Aralarındaki Coulomb itme kuvvetleri nedeniyle çekirdekte protonların (aynı işaretli elektrik yüküne sahip parçacıklar) varlığı, nükleonların saçılmasına yol açmalıdır. Gerçekte bu gerçekleşmez. Doğada çok sayıda kararlı çekirdeğin varlığı şu sonuca yol açmaktadır: Coulomb'lardan daha güçlü çekirdeklerin nükleonları arasındaki varlığı, nükleer kuvvetler cazibe, Coulomb'un proton itme kuvvetinin üstesinden gelerek nükleonları kararlı bir yapıya, yani çekirdeğe çeker.

1.3.4. Formül (1.4) ile belirlenen atom çekirdeğinin boyutları 10-13 cm civarındadır. Dolayısıyla nükleer kuvvetlerin ilk özelliği (Coulomb, yerçekimi ve diğerlerinin aksine) - kısa eylem: Nükleer kuvvetler, büyüklük sırasına göre nükleonların boyutlarıyla karşılaştırılabilecek kadar küçük mesafelerde etki eder.
Proton veya nötronun ne tür bir maddesel oluşum olduğu tam olarak bilinmeden bile tahmin edilebilir. etkili Yüzeyinde iki komşu protonun nükleer çekiminin Coulomb itmesiyle dengelendiği bir kürenin çapı kadar boyutlar. Hızlandırıcılarda elektronların çekirdekler tarafından saçılması üzerine yapılan deneyler, R n ≈ 1.21 nükleonunun etkin yarıçapını tahmin etmeyi mümkün kıldı. 10-13cm.

1.3.5 . Nükleer kuvvetlerin kısa etkisinden, kısaca adı verilen ikinci özelliği gelir. doygunluk . Bu şu anlama geliyor Çekirdekteki herhangi bir nükleon diğer tüm nükleonlarla etkileşime girmez, yalnızca yakın komşuları olan sınırlı sayıda nükleonla etkileşime girer.

1.3.6. Nükleer kuvvetlerin üçüncü özelliği - onların ekinoks. Her iki türden nükleonlar arasındaki etkileşim kuvvetlerinin aynı doğadaki kuvvetler olduğu varsayıldığından, 10-13 cm civarında eşit mesafelerde olduğu varsayılır. iki proton, iki nötron veya bir nötronlu bir proton etkileşime girer aynısı.

1.3.7. Serbest proton (yani atom çekirdeğinin dışında ) stabil . Bir nötron serbest halde uzun süre var olamaz: bir protona, elektrona ve bozunmaya uğrar. antinötrino yarılanma ömrü T 1/2 = 11,2 dakikadır. şemaya göre:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antinötrino (n) - maddenin elektriksel olarak nötr parçacığı sıfır dinlenme kütlesi.

1.3.8. Yani herhangi bir çekirdek tamamen kabul edilir kişiselleştirilmiş, iki ana özelliği biliniyorsa - proton sayısı z ve kütle numarası A, çünkü fark (A - z) çekirdekteki nötron sayısını belirler. Bireyselleştirilmiş atom çekirdekleri genellikle denir çekirdekler.
Pek çok nüklid arasında (ve bunların 2000'den fazlası bilinmektedir - doğal ve yapay), bahsedilen iki özellikten birinin aynı, diğerinin ise boyut olarak farklı olduğu nüklidler vardır.
Aynı z'ye (proton sayısı) sahip nüklidlere denir izotoplar. Atom numarası, D.I. Mendeleev'in Periyodik Yasasına göre yalnızca bireyselliği belirlediğinden. kimyasal Bir elementin atomunun özellikleri dikkate alındığında, izotoplardan her zaman Periyodik Tablodaki karşılık gelen kimyasal elemente referansla bahsedilir.
Örneğin 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U, Periyodik Element Tablosunda atom numarası z = 92 olan uranyumun izotoplarıdır.
İzotoplar herhangi bir kimyasal element gördüğümüz gibi , Proton sayıları eşit fakat nötron sayıları farklı.

Eşit kütleli nüklidler ( A ), ancak farklı yüklere sahip z'ye izobar denir . İzobarlar, izotoplardan farklı olarak çeşitli kimyasal elementlerin nüklitleridir.
Örnekler. 11 B5 ve 11 C4 - bor ve karbon nüklidlerin izobarları; 7 Li 3 ve 7 Be 4 - lityum ve berilyum nüklidlerinin izobarları; 135 J 53, 135 Xe 54 ve 135 Cs 55 aynı zamanda sırasıyla iyot, ksenon ve sezyumun izobarlarıdır.

1.3.9 . Formül (1.4)'ten çekirdeklerdeki nükleonların yoğunluğu ve nükleer maddenin kütle yoğunluğu tahmin edilebilir. Çekirdeğin yarıçapı R olan ve hacmindeki nükleon sayısı A'ya eşit olan bir küre olduğunu düşünürsek, çekirdeğin birim hacmi başına düşen nükleon sayısını şu şekilde buluruz:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p(1.21.10 -13 A 1/3) 3 = 1.348. 10 38 çekirdek/cm3,
a, bir nükleonun kütlesi 1 amu olduğundan. = 1,66056. 10 -24 G ise nükleer maddenin yoğunluğu şu şekilde bulunur:
γrav = Nmn = 1,348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2,238. 10 14 gr/cm3.= 223 800 000 t/cm3
Yukarıdaki hesaplamanın prosedürü şunu göstermektedir: Nükleer maddenin yoğunluğu tüm kimyasal elementlerin çekirdeğinde aynıdır.
Hacim. çekirdekteki 1 nükleon başına V i/A = 1/N = 1/1,348. 10 38 = 7,421. 10 -39 cm3
- ayrıca tüm çekirdekler için aynı, bu nedenle, herhangi bir çekirdekteki komşu nükleonların merkezleri arasındaki ortalama mesafe (geleneksel olarak bir nükleonun ortalama çapı olarak adlandırılabilir) şuna eşit olacaktır:
D n = (V ben) 1/3 = (7.421.10 -39) 1/3 = 1.951. 10 -13 santimetre .

1.3.10. Şimdiye kadar atom çekirdeğindeki proton ve nötronların yoğunluğu hakkında çok az şey biliniyordu. Protonlar, nötronlardan farklı olarak, yalnızca nükleer ve yerçekimsel çekime değil, aynı zamanda Coulomb itmesine de maruz kaldıklarından, çekirdeğin proton yükünün, çekirdeğin üzerinde az çok düzgün bir şekilde dağıldığı varsayılabilir. yüzeyler.

Pek çok lise öğrencisi, ebeveynleri ve binlerce genç profesyonel, eğitimlerinin sonunda zor bir seçimle karşı karşıya kalıyor: bir yüksek öğretim kurumu (HEI) seçmek. Üniversitelerin, enstitülerin ve fakültelerin çeşitliliği içinde gezinmek ve kafanızın karışmaması oldukça zordur. Almadan önce öğrencilerin, öğretmenlerin ve mezunların üniversite hakkında bıraktığı yorumları okuyun. Doğru eğitim kurumunu seçmek gelecekteki kariyerinizde başarının anahtarıdır!

Belirli sayıda proton ve nötrondan oluşan atom çekirdeği, çekirdeğin nükleonları arasında etki eden belirli kuvvetler nedeniyle tek bir bütündür ve denir. nükleer. Nükleer kuvvetlerin, protonlar arasındaki elektrostatik itme kuvvetlerinden çok daha büyük, çok büyük değerlere sahip olduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bu, çekirdekteki nükleonların spesifik bağlanma enerjisinin, Coulomb itme kuvvetlerinin yaptığı işten çok daha büyük olmasıyla ortaya çıkar. Ana konuya bakalım nükleer kuvvetlerin özellikleri.

1. Nükleer kuvvetler kısa menzilli çekici kuvvetler . Çekirdekteki nükleonlar arasında yalnızca 10 –15 m mertebesinde çok küçük mesafelerde görünürler. (1,5 – 2,2) 10 –15 m mertebesinde bir mesafeye denir. nükleer kuvvet aralığı Artışıyla birlikte nükleer kuvvetler hızla azalır. (2-3) m mertebesinde bir mesafede, nükleonlar arasındaki nükleer etkileşim pratikte yoktur.

2. Nükleer kuvvetlerin özelliği vardır doygunluk, onlar. her nükleon yalnızca belirli sayıda en yakın komşuyla etkileşime girer. Nükleer kuvvetlerin bu doğası, nükleonların yük numarasındaki spesifik bağlanma enerjisinin yaklaşık sabitliğinde kendini gösterir. A>40. Aslında doygunluk olmasaydı spesifik bağlanma enerjisi çekirdekteki nükleon sayısı arttıkça artacaktı.

3. Nükleer kuvvetlerin bir özelliği de onların ücret bağımsızlığı yani nükleonların yüküne bağlı değildirler, dolayısıyla protonlar ve nötronlar arasındaki nükleer etkileşimler aynıdır. Nükleer kuvvetlerin yük bağımsızlığı, bağlanma enerjilerinin karşılaştırılmasında görülebilir. ayna çekirdekleri . Toplam nükleon sayısı aynı fakat birindeki proton sayısı diğerindeki nötron sayısına eşit olan çekirdeklere verilen addır. Örneğin helyum ve ağır hidrojen – trityum çekirdeklerinin bağlanma enerjileri sırasıyla 7,72’dir. MeV ve 8.49 MeV. Bu çekirdeklerin bağlanma enerjileri arasındaki 0,77 MeV'ye eşit fark, çekirdekteki iki protonun Coulomb itme enerjisine karşılık gelir. Bu değerin eşit olduğunu varsayarak ortalama mesafeyi bulabiliriz. RÇekirdekteki protonlar arası mesafe 1,9·10-15 m'dir ve bu, nükleer kuvvetlerin etki yarıçapıyla tutarlıdır.

4. Nükleer kuvvetler merkezi değil ve etkileşen nükleonların dönüşlerinin karşılıklı yönelimine bağlıdır. Bu, orto ve parahidrojen molekülleri tarafından nötron saçılımının farklı doğası ile doğrulanır. Bir ortohidrojen molekülünde her iki protonun spinleri birbirine paraleldir, parahidrojen molekülünde ise antiparaleldir. Deneyler, parahidrojen üzerindeki nötron saçılımının ortohidrojen saçılımından 30 kat daha fazla olduğunu göstermiştir.

Birçok farklı yaklaşım önerilmiş olmasına rağmen, nükleer kuvvetlerin karmaşık doğası, tek ve tutarlı bir nükleer etkileşim teorisinin geliştirilmesine izin vermemektedir. Japon fizikçi H. Yukawa'nın (1907-1981) 1935'te önerdiği hipoteze göre, nükleer kuvvetlere değişim - mezonlar neden olur, yani. Kütlesi nükleonların kütlesinden yaklaşık 7 kat daha az olan temel parçacıklar. Bu modele göre zaman içindeki bir nükleon M- mezon kütlesi), ışık hızına yakın bir hızda hareket ederek bir mesafe kat eden bir mezon yayar daha sonra ikinci nükleon tarafından absorbe edilir. Buna karşılık, ikinci nükleon da birincisi tarafından emilen bir mezon yayar. Bu nedenle, H. Yukawa'nın modelinde, nükleonların etkileşime girdiği mesafe, mezon yolunun uzunluğu tarafından belirlenir; bu, yaklaşık M ve büyüklük sırasına göre nükleer kuvvetlerin etki yarıçapına karşılık gelir.

Nükleonlar arasındaki değişim etkileşimini ele alalım. Pozitif, negatif ve nötr mezonlar vardır. Yük modülü - veya - mezonlar sayısal olarak temel yüke eşittir e . Yüklü mezonların kütlesi aynı ve eşittir (140 MeV), mezon kütlesi 264 (135) MeV). Hem yüklü hem de nötr mezonların spini 0'dır. Üç parçacığın tümü kararsızdır. - ve - mezonların ömrü 2,6 İle, - mezon – 0,8·10 -16 İle. Nükleonlar arasındaki etkileşim aşağıdaki şemalardan birine göre gerçekleştirilir:

1. Nükleonlar mezon alışverişinde bulunur: . (22.8)

Bu durumda proton bir mezon yayarak nötrona dönüşür. Mezon bir nötron tarafından emilir, nötron protona dönüşür ve aynı süreç ters yönde gerçekleşir. Böylece, etkileşime giren nükleonların her biri, zamanın bir kısmını yüklü durumda, bir kısmını da nötr durumda geçirir.

2. Nükleon değişimi - mezonlar:

3. Nükleon değişimi - mezonlar:

, (22.10)

Tüm bu süreçler deneysel olarak kanıtlanmıştır. Özellikle ilk işlem, bir nötron ışınının hidrojenden geçmesiyle doğrulanır. Hareket eden protonlar ışında belirir ve hedefte buna karşılık gelen sayıda pratik olarak duran nötron tespit edilir.

Çekirdek modelleri. Altında çekirdek modeli nükleer fizikte, aşağıdakilerden oluşan bir nükleer sistemin özelliklerini hesaplamanın mümkün olduğu bir dizi fiziksel ve matematiksel varsayımı anlarlar. A nükleonlar.

Çekirdeğin hidrodinamik (damlama) modeliÇekirdekteki nükleonların yüksek yoğunluğu ve aralarındaki son derece güçlü etkileşim nedeniyle, bireysel nükleonların bağımsız hareketinin imkansız olduğu ve çekirdeğin, yoğunluğa sahip yüklü bir sıvı damlası olduğu varsayımına dayanmaktadır. .

Çekirdeğin kabuk modeli Her nükleonun diğerlerinden bağımsız olarak ortalama bir potansiyel alanda (çekirdeğin geri kalan nükleonları tarafından yaratılan potansiyel kuyusu) hareket ettiğini varsayar.

Genelleştirilmiş çekirdek modeli, hidrodinamik ve kabuk modellerinin yaratıcılarının ana hükümlerini birleştirir. Genelleştirilmiş modelde, çekirdeğin, dolu kabukların nükleonlarından oluşan çekirdek ve çekirdeğin nükleonları tarafından oluşturulan alanda hareket eden dış nükleonlar olmak üzere dahili kararlı bir parçadan oluştuğu varsayılmaktadır. Bu bağlamda çekirdeğin hareketi hidrodinamik bir modelle, dış nükleonların hareketi ise bir kabuk modeliyle tanımlanmaktadır. Dış nükleonlarla etkileşime bağlı olarak çekirdek deforme olabilir ve çekirdek, deformasyon eksenine dik bir eksen etrafında dönebilir.

26. Atom çekirdeğinin fisyon reaksiyonları. Nükleer güç.

Nükleer reaksiyonlar atom çekirdeklerinin birbirleriyle veya diğer çekirdeklerle veya temel parçacıklarla etkileşimlerinden kaynaklanan dönüşümlere denir. Nükleer reaksiyonla ilgili ilk mesaj E. Rutherford'a aittir. 1919'da parçacıkların nitrojen gazından geçerken bir kısmının emildiğini ve aynı anda protonların yayıldığını keşfetti. Rutherford, nitrojen çekirdeklerinin aşağıdaki nükleer reaksiyon sonucunda oksijen çekirdeklerine dönüştüğü sonucuna vardı:

, (22.11)

burada - bir parçacıktır; − proton (hidrojen).

Bir nükleer reaksiyonun önemli bir parametresi, aşağıdaki formülle belirlenen enerji verimidir:

(22.12)

Burada ve reaksiyondan önce ve sonra parçacıkların geri kalan kütlelerinin toplamıdır. Enerjinin emilmesiyle nükleer reaksiyonlar meydana geldiğinde bunlara denir. endotermik, ve ne zaman - enerjinin serbest bırakılmasıyla. Bu durumda onlara denir ekzotermik.

Herhangi bir nükleer reaksiyonda aşağıdakiler her zaman yerine getirilir: koruma kanunları :

− elektrik yükü;

– nükleon sayısı;

- enerji;

- dürtü.

İlk iki yasa, reaksiyona dahil olan parçacıklardan birinin veya ürünlerinden birinin bilinmediği durumlarda bile nükleer reaksiyonların doğru yazılmasına izin verir. Enerjinin ve momentumun korunumu yasalarını kullanarak, reaksiyon süreci sırasında oluşan parçacıkların kinetik enerjilerini ve sonraki hareketlerinin yönlerini belirlemek mümkündür.

Endotermik reaksiyonları karakterize etmek için kavram tanıtıldı eşik kinetik enerjisi , veya nükleer reaksiyon eşiği , onlar. Bir nükleer reaksiyonun mümkün olduğu, gelen bir parçacığın (hedef çekirdeğin hareketsiz olduğu referans çerçevesinde) en düşük kinetik enerjisi. Enerjinin ve momentumun korunumu yasasından, bir nükleer reaksiyonun eşik enerjisinin aşağıdaki formülle hesaplandığı sonucu çıkar:

. (22.13)

İşte nükleer reaksiyonun enerjisi (7.12); -sabit çekirdeğin kütlesi – hedef; çekirdeğe gelen parçacığın kütlesidir.

Fisyon reaksiyonları. 1938'de Alman bilim adamları O. Hahn ve F. Strassmann, uranyumun nötronlarla bombardımanı sırasında bazen orijinal uranyum çekirdeğinin yaklaşık yarısı büyüklüğünde çekirdekler ortaya çıktığını keşfettiler. Bu fenomene çağrıldı nükleer fisyon.

Deneysel olarak gözlemlenen ilk nükleer dönüşüm reaksiyonunu temsil eder. Bir örnek, uranyum-235 çekirdeğinin olası fisyon reaksiyonlarından biridir:

Nükleer fisyon süreci ~10 -12 saniye gibi çok hızlı bir şekilde ilerler. (22.14) gibi bir reaksiyon sırasında açığa çıkan enerji, uranyum-235 çekirdeğinin fisyon olayı başına yaklaşık 200 MeV'dir.

Uranyum-235 çekirdeğinin fisyon reaksiyonu genel olarak şu şekilde yazılabilir:

+nötronlar . (22.15)

Fisyon reaksiyonunun mekanizması çekirdeğin hidrodinamik modeli çerçevesinde açıklanabilir. Bu modele göre, bir nötron uranyum çekirdeği tarafından emildiğinde uyarılmış duruma geçer (Şekil 22.2).

Bir nötronun emilmesi nedeniyle çekirdeğin aldığı fazla enerji, nükleonların daha yoğun hareket etmesine neden olur. Sonuç olarak çekirdek deforme olur ve bu da kısa menzilli nükleer etkileşimin zayıflamasına yol açar. Çekirdeğin uyarılma enerjisi belirli bir enerjiden büyükse aktivasyon enerjisi , daha sonra protonların elektrostatik itmesinin etkisi altında çekirdek iki parçaya bölünerek yayar fisyon nötronları . Bir nötronun soğurulması sırasındaki uyarılma enerjisi, aktivasyon enerjisinden daha azsa, o zaman çekirdek, nötrona ulaşamaz.

Fisyonun kritik aşaması ve bir kuantum yaydıktan sonra ana bölgeye geri döner.

Fizikte “kuvvet” kavramı, madde parçalarının (makroskobik cisimler, temel parçacıklar) birbirleriyle ve fiziksel alanlarla (elektromanyetik, yerçekimi) etkileşimi de dahil olmak üzere, maddi oluşumların birbirleriyle etkileşiminin ölçüsünü ifade eder. Toplamda, doğada dört tür etkileşim bilinmektedir: güçlü, zayıf, elektromanyetik ve yerçekimi ve her birinin kendi kuvvet türü vardır. Bunlardan ilki atom çekirdeğinin içine etki eden nükleer kuvvetlere karşılık gelir.

Çekirdekleri birleştiren nedir?

Bir atomun çekirdeğinin çok küçük olduğu ve boyutunun atomun boyutundan dört ila beş kat daha küçük olduğu yaygın bir bilgidir. Bu bariz bir soruyu gündeme getiriyor: neden bu kadar küçük? Sonuçta çok küçük parçacıklardan oluşan atomlar yine de içerdikleri parçacıklardan çok daha büyüktür.

Buna karşılık çekirdeklerin boyutları, kendilerini oluşturan nükleonlardan (protonlar ve nötronlar) çok da farklı değildir. Bunun bir nedeni var mı yoksa tesadüf mü?

Bu arada negatif yüklü elektronları atom çekirdeğinin yakınında tutan şeyin elektriksel kuvvetler olduğu biliniyor. Çekirdeğin parçacıklarını bir arada tutan kuvvet veya kuvvetler nelerdir? Bu görev, güçlü etkileşimlerin bir ölçüsü olan nükleer kuvvetler tarafından gerçekleştirilir.

Güçlü nükleer kuvvet

Eğer doğada sadece yer çekimi ve elektrik kuvvetleri olsaydı; Eğer günlük yaşamda karşılaştığımız bir durum olsaydı, çoğu zaman pozitif yüklü protonlardan oluşan atom çekirdeği kararsız olurdu: Protonları birbirlerinden uzaklaştıran elektriksel kuvvetler, onları bir dosta doğru bir araya getiren yerçekimi kuvvetlerinden milyonlarca kat daha güçlü olurdu. . Nükleer kuvvetler, elektriksel itmeden daha güçlü bir çekim sağlar, ancak çekirdeğin yapısında gerçek büyüklüklerinin yalnızca bir gölgesi ortaya çıkar. Proton ve nötronların yapılarını incelediğimizde güçlü nükleer etkileşim olarak bilinen şeyin gerçek olasılıklarını görürüz. Nükleer kuvvetler bunun tezahürüdür.

Yukarıdaki şekil, çekirdekteki iki karşıt kuvvetin, pozitif yüklü protonlar arasındaki elektriksel itme ile protonları (ve nötronları) birlikte çeken nükleer kuvvet olduğunu göstermektedir. Proton ve nötron sayıları çok farklı değilse ikinci kuvvet birinciden üstündür.

Protonlar atomların analogları ve çekirdekler moleküllerin analogları mı?

Nükleer kuvvetler hangi parçacıklar arasında etki eder? Öncelikle çekirdekteki nükleonlar (protonlar ve nötronlar) arasında. Sonuçta proton veya nötronun içindeki parçacıklar (kuarklar, gluonlar, antikuarklar) arasında da hareket ederler. Protonların ve nötronların doğası gereği karmaşık olduklarını kabul ettiğimizde bu şaşırtıcı değildir.

Bir atomda, küçücük çekirdekler ve hatta daha küçük elektronlar, büyüklüklerine göre birbirinden nispeten uzaktadır ve onları atomda bir arada tutan elektriksel kuvvetler oldukça basittir. Ancak moleküllerde atomlar arasındaki mesafe, atomların boyutuyla karşılaştırılabilir olduğundan, atomların iç karmaşıklığı devreye girer. Atom içi elektriksel kuvvetlerin kısmen telafi edilmesinin neden olduğu çeşitli ve karmaşık durum, elektronların fiilen bir atomdan diğerine hareket edebildiği süreçlerin ortaya çıkmasına neden olur. Bu, moleküllerin fiziğini atomlarınkinden çok daha zengin ve karmaşık hale getirir. Benzer şekilde, bir çekirdekteki protonlar ve nötronlar arasındaki mesafe, boyutlarıyla karşılaştırılabilir. Tıpkı moleküllerde olduğu gibi, çekirdeği bir arada tutan nükleer kuvvetlerin özellikleri, protonların ve nötronların basit çekimlerinden çok daha karmaşıktır.

Hidrojen dışında nötronsuz çekirdek yoktur

Bazı kimyasal elementlerin çekirdeklerinin kararlı olduğu, bazılarının ise sürekli bozunduğu ve bu bozunmanın hız aralığının çok geniş olduğu bilinmektedir. Nükleonları çekirdekte tutan kuvvetler neden çalışmayı bırakıyor? Nükleer kuvvetlerin özelliklerine ilişkin basit değerlendirmelerden neler öğrenebileceğimizi görelim.

Birincisi, en yaygın izotop olan hidrojen (sadece bir protona sahip olan) dışındaki tüm çekirdeklerin nötron içermesidir; yani nötron içermeyen birden fazla protona sahip bir çekirdek yoktur (aşağıdaki şekle bakın). Dolayısıyla nötronların protonların birbirine yapışmasında önemli bir rol oynadığı açıktır.

Şek. Yukarıda, ışığa kararlı veya kararlıya yakın çekirdekler bir nötronla birlikte gösterilmektedir. İkincisi, trityum gibi, sonunda bozunacaklarını gösteren noktalı bir çizgiyle gösterilmiştir. Az sayıda proton ve nötron içeren diğer kombinasyonlar hiçbir şekilde çekirdek oluşturmaz veya son derece kararsız çekirdekler oluşturur. Ayrıca bu nesnelerin bazılarına sıklıkla verilen alternatif isimler de italik olarak gösterilmiştir; Örneğin, helyum-4 çekirdeğine genellikle α parçacığı denir; ilk olarak 1890'larda radyoaktivite üzerine yapılan ilk çalışmalarda keşfedildiğinde ona verilen isim.

Proton çobanları olarak nötronlar

Tam tersine, protonsuz, yalnızca nötronlardan oluşan bir çekirdek yoktur; Oksijen ve silikon gibi hafif çekirdeklerin çoğu yaklaşık olarak aynı sayıda nötron ve protona sahiptir (Şekil 2). Altın ve radyum gibi büyük kütleli büyük çekirdeklerde protonlardan biraz daha fazla nötron bulunur.

Bu iki şeyi söylüyor:

1. Protonları bir arada tutmak için nötronlara ihtiyaç duyulduğu gibi, nötronları bir arada tutmak için de protonlara ihtiyaç vardır.

2. Proton ve nötronların sayısı çok artarsa, protonların elektriksel itmesinin birkaç ek nötron eklenerek telafi edilmesi gerekir.

Son ifade aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Yukarıdaki şekil, P (proton sayısı) ve N'nin (nötron sayısı) bir fonksiyonu olarak kararlı ve neredeyse kararlı atom çekirdeklerini göstermektedir. Siyah noktalarla gösterilen çizgi kararlı çekirdekleri gösterir. Siyah çizgiden yukarı veya aşağı doğru herhangi bir kayma, çekirdeklerin ömründe bir azalma anlamına gelir; mavi, kahverengi veya sarı alanlara doğru ilerledikçe (farklı renkler, farklı renklere karşılık gelir) yakınında, çekirdeklerin ömrü milyonlarca yıl veya daha fazladır. nükleer bozunma mekanizmaları), yaşam süreleri saniyenin çok küçük bir kısmına kadar giderek kısalır.

Kararlı çekirdeklerin P ve N'nin küçük P ve N için kabaca eşit olduğunu, ancak N'nin kademeli olarak P'den bir buçuk kat daha büyük hale geldiğini unutmayın. Ayrıca, kararlı ve uzun ömürlü kararsız çekirdek grubunun, P'nin 82'ye kadar olan tüm değerleri için oldukça dar bir bantta kaldığını unutmayın. Daha büyük sayılar için, bilinen çekirdekler prensipte kararsızdır (milyonlarca yıl boyunca var olabilmelerine rağmen) . Görünüşe göre, çekirdeklerdeki protonların bu bölgeye nötron eklenerek dengelenmesine yönelik yukarıda belirtilen mekanizma %100 etkili değildir.

Bir atomun büyüklüğü elektronlarının kütlesine nasıl bağlıdır?

Söz konusu kuvvetler atom çekirdeğinin yapısını nasıl etkiler? Nükleer kuvvetler öncelikle boyutunu etkiler. Çekirdekler atomlara kıyasla neden bu kadar küçük? Bunu öğrenmek için, hem proton hem de nötron içeren en basit çekirdekle başlayalım: hidrojenin ikinci en yaygın izotopudur, bir elektron içeren bir atomdur (tüm hidrojen izotopları gibi) ve bir proton ve bir nötrondan oluşan bir çekirdektir. . Bu izotop genellikle "döteryum" olarak adlandırılır ve çekirdeğine (bkz. Şekil 2) bazen "döteron" adı verilir. Döteronu bir arada tutan şeyin ne olduğunu nasıl açıklayabiliriz? Bunun, aynı zamanda iki parçacık (bir proton ve bir elektron) içeren sıradan bir hidrojen atomundan çok da farklı olmadığını hayal edebilirsiniz.

Şek. Yukarıda bir hidrojen atomunda çekirdek ve elektronun birbirinden çok uzakta olduğu, yani atomun çekirdekten çok daha büyük olduğu (ve elektronun daha da küçük olduğu) gösterilmiştir. Ancak bir döteronda proton arasındaki mesafe ve nötron boyutlarıyla karşılaştırılabilir. Bu kısmen nükleer kuvvetlerin neden atomdaki kuvvetlerden çok daha karmaşık olduğunu açıklıyor.

Elektronların proton ve nötronlara göre küçük bir kütleye sahip olduğu bilinmektedir. Şunu takip ediyor

Bir atomun kütlesi aslında çekirdeğinin kütlesine yakındır,
bir atomun boyutu (esasen elektron bulutunun boyutu), elektronların kütlesiyle ters orantılı ve toplam elektromanyetik kuvvetle ters orantılıdır; Kuantum mekaniğinin belirsizlik ilkesi belirleyici bir rol oynamaktadır.

Ya nükleer kuvvetler elektromanyetik kuvvetlere benzerse?

Peki ya döteron? Atom gibi iki nesneden yapılmıştır, ancak kütleleri hemen hemen aynıdır (nötron ve protonun kütleleri 1500'de yalnızca bir oranında farklılık gösterir), dolayısıyla döteronun kütlesinin belirlenmesinde her iki parçacık da eşit derecede önemlidir. ve boyutu. Şimdi nükleer kuvvetin, elektromanyetik kuvvetlerle aynı şekilde protonu nötrona doğru çektiğini varsayalım (bu tam olarak doğru değil ama bir an için hayal edin); ve sonra, hidrojene benzetme yaparak, döteronun boyutunun proton veya nötronun kütlesiyle ters orantılı, nükleer kuvvetin büyüklüğüyle de ters orantılı olmasını bekleriz. Büyüklüğü elektromanyetik kuvvetle (belirli bir mesafede) aynı olsaydı, bu, bir protonun bir elektrondan yaklaşık 1850 kat daha ağır olması nedeniyle döteronun (ve aslında herhangi bir çekirdeğin) en az bin kat daha ağır olması gerektiği anlamına gelirdi. hidrojenden daha küçüktür.

Nükleer ve elektromanyetik kuvvetler arasındaki önemli farkı hesaba katmak ne sağlar?

Ancak nükleer kuvvetin elektromanyetik kuvvetten (aynı mesafede) çok daha büyük olduğunu zaten tahmin etmiştik, çünkü eğer böyle olmasaydı, çekirdek parçalanıncaya kadar protonlar arasındaki elektromanyetik itmeyi engelleyemezdi. Böylece etkisi altındaki proton ve nötron daha da sıkı bir şekilde bir araya gelir. Bu nedenle döteronun ve diğer çekirdeklerin atomlardan sadece bin değil yüz bin kat daha küçük olması şaşırtıcı değil! Tekrar ediyorum, bunun tek nedeni

Protonlar ve nötronlar elektronlardan neredeyse 2000 kat daha ağırdır,
bu mesafelerde, çekirdekteki protonlar ve nötronlar arasındaki büyük nükleer kuvvet, karşılık gelen elektromanyetik kuvvetlerden (çekirdekteki protonlar arasındaki elektromanyetik itme dahil) birçok kez daha büyüktür.

Bu saf tahmin yaklaşık olarak doğru cevabı veriyor! Ancak bu, proton ve nötron arasındaki etkileşimin karmaşıklığını tam olarak yansıtmıyor. Açık sorunlardan biri, elektromanyetik kuvvete benzer, ancak daha büyük çekici veya itici güce sahip bir kuvvetin, günlük yaşamda açıkça kendini göstermesi gerektiğidir, ancak biz buna benzer bir şey gözlemlemiyoruz. Yani bu kuvvetle ilgili bir şeyler elektriksel kuvvetlerden farklı olmalıdır.

Kısa nükleer kuvvet aralığı

Onları farklı kılan, atom çekirdeğinin bozunmasını engelleyen nükleer kuvvetlerin, birbirlerine çok kısa mesafede fakat belirli bir mesafede (“menzil” olarak adlandırılan) bulunan proton ve nötronlar için çok önemli ve güçlü olmasıdır. kuvvet), çok hızlı düşerler, elektromanyetik olanlardan çok daha hızlı. Görünen o ki bu aralık, orta derecede büyük bir çekirdeğin boyutu da olabiliyor; protondan yalnızca birkaç kat daha büyük. Bir proton ile bir nötronu bu mesafeye yakın bir mesafeye koyarsanız birbirlerini çekecekler ve bir döteron oluşturacaklar; eğer birbirlerinden daha büyük bir mesafeyle ayrılırlarsa, neredeyse hiç çekim hissetmezler. Aslında, üst üste binmeye başlayacak kadar birbirlerine çok yakın yerleştirilirlerse aslında birbirlerini iteceklerdir. Bu, nükleer kuvvetler gibi bir kavramın karmaşıklığını ortaya koymaktadır. Fizik, bunların etki mekanizmasını açıklama yönünde sürekli gelişmeye devam ediyor.

Nükleer etkileşimin fiziksel mekanizması

Nükleonlar arasındaki etkileşim de dahil olmak üzere her maddi sürecin maddi taşıyıcıları olması gerekir. Bunlar, nükleonlar arasındaki çekimin ortaya çıktığı değişim nedeniyle nükleer alan kuantum - pi-mezonlarıdır (pionlar).

Kuantum mekaniğinin ilkelerine göre, sürekli olarak ortaya çıkan ve hemen kaybolan pi-mezonlar, mezon kaplama adı verilen "çıplak" bir nükleonun etrafında bulut gibi bir şey oluşturur (atomlardaki elektron bulutlarını hatırlayın). Bu tür kaplamalarla çevrelenmiş iki nükleon yaklaşık 10-15 m mesafede bulunduğunda, moleküllerin oluşumu sırasında atomlardaki değerlik elektronlarının değişimine benzer şekilde bir pion değişimi meydana gelir ve nükleonlar arasında çekim ortaya çıkar.

Nükleonlar arasındaki mesafeler 0,7∙10-15 m'den az olursa, o zaman sözde yeni parçacık alışverişi yapmaya başlarlar. ω ve ρ-mezonlar, bunun sonucunda nükleonlar arasında çekim değil, itme meydana gelir.

Nükleer kuvvetler: çekirdeğin yapısı en basitten en büyüğe

Yukarıdakilerin tümünü özetleyerek şunu söyleyebiliriz:

Güçlü nükleer kuvvet, tipik bir çekirdeğin boyutundan çok daha büyük mesafelerde elektromanyetizmadan çok ama çok daha zayıftır, dolayısıyla onunla günlük yaşamda karşılaşmıyoruz; Ancak
çekirdeğe kıyasla kısa mesafelerde çok daha güçlü hale gelir - çekici kuvvet (mesafenin çok kısa olmaması koşuluyla) protonlar arasındaki elektriksel itmenin üstesinden gelebilir.

Dolayısıyla bu kuvvet yalnızca çekirdeğin boyutuyla karşılaştırılabilecek mesafelerde etkilidir. Aşağıdaki şekil nükleonlar arasındaki mesafeye bağımlılığını göstermektedir.

Büyük çekirdekler, döteronu bir arada tutan kuvvetle hemen hemen aynı kuvvetle bir arada tutulur, ancak sürecin ayrıntıları o kadar karmaşıktır ki, bunları açıklamak kolay değildir. Bunlar da tam olarak anlaşılamamıştır. Nükleer fiziğin temel hatları onlarca yıldır iyi bir şekilde anlaşılmış olmasına rağmen, birçok önemli detay hala aktif olarak araştırılmaktadır.

Nükleer kuvvetler çekim sağlıyor- bu, protonlardan ve nötronlardan oluşan kararlı çekirdeklerin varlığı gerçeğinden kaynaklanmaktadır.

Nükleer kuvvetlerin mutlak büyüklüğü büyüktür. Kısa mesafelerdeki eylemleri, elektromanyetik olanlar da dahil olmak üzere doğada bilinen tüm kuvvetlerin eylemini önemli ölçüde aşıyor.

Şu ana kadar dört tür etkileşim biliyoruz:

a) güçlü (nükleer) etkileşimler;

b) elektromanyetik etkileşimler;

c) zayıf etkileşimler, özellikle güçlü ve elektromanyetik etkileşimler sergilemeyen parçacıklarda (nötrinolar) açıkça gözlemlenir;

d) yerçekimsel etkileşimler.

Bu tür etkileşimler için kuvvetlerin bir karşılaştırması, bu kuvvetlere karşılık gelen karakteristik etkileşim sabitlerinin ("yüklerin" kareleri) boyutsuz olduğu bir birimler sistemi kullanılarak elde edilebilir.

Dolayısıyla, tüm bu kuvvetlere sahip iki nükleonun çekirdeğindeki etkileşim için etkileşim sabitleri şu düzendedir:

Nükleer kuvvetler çekirdeğin varlığını sağlar. Elektromanyetik - atomlar ve moleküller. Çekirdekteki bir nükleonun ortalama bağlanma enerjisi, yani nükleonun dinlenme enerjisinin nerede olduğuna eşittir. Bir hidrojen atomundaki bir elektronun bağlanma enerjisi yalnızca elektronun dinlenme enerjisinin nerede olduğudur. Bu nedenle bu ölçekte bağlanma enerjileri karakteristik sabitler olarak ilişkilidir:

Zayıf etkileşimler, -bozunma ve -yakalama (bkz. § 19) yoluyla karşılıklı dönüşümler gibi ince etkilerden, temel parçacıkların çeşitli bozunmalarından ve ayrıca nötrinoların madde ile tüm etkileşim süreçlerinden sorumludur.

Kozmik cisimlerin ve sistemlerin kararlılığı yerçekimi etkileşimleriyle ilişkilidir.

İkinci ve dördüncü türdeki etkileşim kuvvetleri mesafeyle birlikte azalır, yani oldukça yavaştır ve bu nedenle uzun menzillidir. Birinci ve üçüncü türdeki etkileşimler mesafe arttıkça çok hızlı bir şekilde azalır ve bu nedenle kısa menzillidir.

Nükleer kuvvetler kısa menzillidir. Bu şu şekildedir: a) Rutherford'un -partiküllerin hafif çekirdekler tarafından saçılmasına ilişkin deneylerinden (cm'yi aşan mesafeler için deney sonuçları

-partiküllerin çekirdekle tamamen Coulomb etkileşimi ile açıklanır, ancak daha küçük mesafelerde nükleer kuvvetler nedeniyle Coulomb yasasından sapmalar meydana gelir. Bundan, nükleer kuvvetlerin etki alanının her halükarda daha az olduğu sonucu çıkmaktadır.

b) ağır çekirdeklerin bozunmasına ilişkin çalışmadan (bkz. § 15);

c) nötronların protonlar tarafından ve protonların protonlar tarafından saçılması üzerine yapılan deneylerden.

Onlara biraz daha detaylı bakalım.

Pirinç. 17. Parçacık ve saçılma hedefi

Düşük nötron enerjilerinde eylemsizlik sisteminin merkezindeki saçılmaları izotropiktir. Aslında, momentuma sahip klasik bir parçacık, eğer daha küçük mesafelerde uçarsa, yani açısal momentumunun yörünge düzlemine dik yöndeki bileşeni aşmazsa, nükleer kuvvetlerin etki yarıçapına sahip bir saçılma hedefini "yakalayacaktır". dağlar (Şek. 17).

Ancak de Broglie'nin gelen parçacık için ilişkisine göre, bu nedenle,

Bununla birlikte, bir parçacığın yörüngesel momentumunun projeksiyonunun maksimum değeri yalnızca şuna eşit olabilir: Bu nedenle

Dolayısıyla, a değeri için sistemin durumunu tanımlayan dalga fonksiyonu c'de küresel olarak simetriktir. C. yani bu sistemde saçılma izotropik olmalıdır.

Saçılma artık izotropik olmayacağı zaman. Gelen nötronların enerjisi azaltılarak ve dolayısıyla arttırılarak saçılma izotropisinin elde edildiği değer bulunabilir. Bu, nükleer kuvvetlerin aralığına ilişkin bir tahmin sağlar.

Küresel simetrik saçılmanın hala gözlemlendiği maksimum nötron enerjisi şuna eşitti: Bu, nükleer kuvvetlerin etki yarıçapının üst sınırını belirlemeyi mümkün kıldı; cm'ye eşit olduğu ortaya çıktı.

Ayrıca, bir proton akışı bir proton hedefine saçıldığında, yalnızca Coulomb kuvvetleri etki ediyorsa sürecin etkin kesitinin beklenen değeri hesaplanabilir. Ancak parçacıklar birbirine çok yaklaştığında nükleer kuvvetler hakim olmaya başlar.

Coulomb'ların üstünde ve dağınık protonların dağılımı değişir.

Bu tür deneylerden, protonlar arasındaki mesafe arttıkça nükleer kuvvetlerin keskin bir şekilde azaldığı bulundu. Etki alanı son derece küçüktür ve aynı zamanda cm büyüklüğündedir. Ne yazık ki, düşük enerjili nükleonların saçılması üzerine yapılan deneylerin sonuçları, nükleer kuvvetlerin mesafeye göre değişim yasası hakkında bilgi sağlamamaktadır. Potansiyel kuyunun ayrıntılı şekli belirsizliğini koruyor.

Bir döteron çekirdeğindeki iki bağlı nükleonun özelliklerini incelemeye yönelik deneyler, nükleer kuvvet alanının potansiyelinin mesafeyle değişim yasasını açık bir şekilde belirlememize de izin vermez. Bunun nedeni, nükleer kuvvetlerin alışılmadık derecede küçük etki yarıçapında ve etki yarıçapı içindeki çok büyük büyüklüklerinde yatmaktadır. Döteronun özelliklerini tanımlayan potansiyele ilk yaklaşım olarak, oldukça geniş bir yelpazedeki farklı fonksiyonları alabiliriz ve bunların mesafeyle oldukça hızlı bir şekilde azalması gerekir.

Deneysel veriler kabaca örneğin aşağıdaki işlevlerle karşılanır.

Pirinç. 18. Döteron potansiyeli kuyusunun olası şekilleri: a - dikdörtgen kuyu; üstel kuyu; c, Yukawa potansiyelindeki kuyunun şeklidir; -sağlam bir itici merkeze sahip bir potansiyelde

1. Dikdörtgen potansiyel kuyusu (Şekil 18a):

nükleer kuvvetlerin etki yarıçapı nerede, etkileşen iki nükleonun merkezleri arasındaki mesafe.

2. Üstel fonksiyon (Şekil 18, b):

3. Yukawa mezon potansiyeli (Şekil 18c):

4. Sağlam bir itici orta potansiyel (Şekil 18d):

Saçılma yapısının ayrıntılı bir çalışması ve teorik hesaplamalarla karşılaştırılması, bu formların ikincisinin lehine konuşur. Şu anda hesaplamalar için deneysel verilerle daha iyi uyum sağlayan daha karmaşık formlar kullanılıyor.

Her durumda, potansiyel kuyusunun derinliği birkaç on mertebesindedir. İtici merkezli bir potansiyel durumunda değer, Fermi'nin onda biri mertebesindedir.

Nükleer kuvvetler, etkileşen parçacıkların elektrik yüklerine bağlı değildir. Aralarındaki etkileşim kuvvetleri aynıdır. Bu özellik aşağıdaki gerçeklerden kaynaklanmaktadır.

Hafif kararlı çekirdeklerde, elektromanyetik itme hala ihmal edilebildiğinde, proton sayısı nötron sayısına eşittir. Bu nedenle, aralarında etki eden kuvvetler eşittir, aksi takdirde bir yönde (ya da ya da) bir kayma olur.

Işık aynası çekirdekleri (örneğin, nötronların protonlarla değiştirilmesiyle elde edilen çekirdekler ve bunun tersi) aynı enerji seviyelerine sahiptir.

Nötronların protonlar tarafından ve protonların protonlar tarafından saçılması üzerine yapılan deneyler, bir protonun bir proton ile ve bir nötronun bir proton ile nükleer çekim büyüklüğünün aynı olduğunu göstermektedir.

Nükleer kuvvetlerin bu özelliği temeldir ve iki parçacık arasında var olan derin simetriyi gösterir: proton ve nötron. Buna yük bağımsızlığı (veya simetri) adı verildi ve proton ve nötronun aynı parçacığın (nükleon) iki durumu olarak değerlendirilmesini mümkün kıldı.

Böylece, nükleonun iki durumun mümkün olduğu ek bir iç serbestlik derecesi (yük) vardır: proton ve nötron. Bu, parçacıkların spin özelliklerine benzemektedir: spin aynı zamanda uzaydaki harekete ek olarak parçacığın iç serbestlik derecesidir ve buna göre elektronun (veya nükleonun) yalnızca iki olası duruma sahip olmasıdır. Sıralı kuantum mekaniği

Bu iki serbestlik derecesinin tanımı: yük ve dönüş - biçimsel olarak aynıdır. Bu nedenle, buna göre, izotopik olarak adlandırılan geleneksel üç boyutlu bir alanı kullanarak yük serbestlik derecesini görsel olarak tanımlamak gelenekseldir ve bu uzaydaki bir parçacığın (nükleonun) durumu, izotopik bir dönüş ile karakterize edilir.

Sıradan spin kavramına dönerek buna biraz daha detaylı bakalım.

Bildiğimiz gibi tamamen özdeş iki elektron olduğunu varsayalım. Her ikisinin de kendi açısal momentumu var; spin. Ancak dönüş yönleri tespit edilemiyor. Şimdi onları harici bir manyetik alana yerleştirelim. Kuantum mekaniğinin temel varsayımlarına göre, her parçacığın “dönme ekseni” bu dış alana göre yalnızca kesin olarak tanımlanmış konumları işgal edebilir. Eşit dönüşe sahip parçacıkların dönüş ekseni, alanın yönü boyunca veya bu yöne doğru yönlendirilebilir (Şekil 19). Momentumlu bir parçacığın durumları olabilir; 2 durumu olan bir elektron. Spin projeksiyonlarının önemi şu şekilde olabilir: Bu, manyetik alandaki parçacıkların artık farklı enerjilere sahip olabilmesine ve onları birbirlerinden ayırt etmenin mümkün olmasına yol açmaktadır. Bu, manyetik özelliklerinden dolayı elektronun durumunun ikili olduğunu gösterir.

Harici bir manyetik alan olmadan, bir elektronun iki olası durumunu ayırmanın bir yolu yoktur; devletlerin ayırt edilemez hallere “yozlaştığı” söylenir.

Hidrojen atomunda da benzer bir durum meydana gelir. Atomun durumlarını karakterize etmek için, atomların yörüngesel açısal momentumunu karakterize eden bir yörüngesel kuantum sayısı tanıtılır. Belirli bir I'ye sahip bir atom durumlara sahip olabilir, çünkü bir dış alanda, I'in alanın yönüne olan projeksiyonlarının yalnızca iyi tanımlanmış değerleri mevcut olabilir (- I'den dış alan olmadığında, durum dejenere çarpın.

Nötronun keşfi, elektronun manyetik dejenerasyonuna benzer bir olgunun varlığı fikrinin ortaya çıkmasına neden oldu.

Sonuçta, nükleer kuvvetlerin yükten bağımsızlığı, güçlü bir etkileşimde bir proton ve bir nötronun aynı parçacık gibi davrandığı anlamına gelir. Yalnızca elektromanyetik etkileşimi hesaba katarsak ayırt edilebilirler. Elektromanyetik LED'lerin bir şekilde "kapatılabileceğini" (Şekil 20, a) hayal edersek, o zaman proton ve nötron birbirinden ayırt edilemez parçacıklar haline gelecek ve hatta kütleleri eşit olacaktır (kütlelerin eşitliği hakkında daha fazla ayrıntı için; bkz. § 12). ). Bu nedenle bir siklon, bir durumun bir protonu ve diğerinin bir nötronu temsil ettiği bir "yük ikilisi" olarak düşünülebilir. Elektromanyetik kuvvetleri dahil ederseniz, şartlı olarak

Şekil 2'de sunulmuştur. Şekil 20b'de noktalı çizgi varsa, yüke bağlı elektrik kuvvetleri önceki yükten bağımsız kuvvetlere eklenecektir.

Pirinç. 19. Manyetik alanda elektron spininin yönelimi

Pirinç. 20. Elektromanyetik etkileşim nedeniyle proton ve nötron arasındaki fark

Yüklü parçacıkların enerjisi nötr parçacıkların enerjisinden farklı olacaktır ve proton ile nötron ayrılabilir. Sonuç olarak dinlenme kütleleri eşit olmayacaktır.

Heisenberg, çekirdekteki bir nükleonun durumunu karakterize etmek için, kuantum sayılarına benzer şekilde, bir nükleonun dejenere durumlarının sayısını şuna eşit olarak belirlemesi gereken tamamen resmi bir izotopik spin kavramı ortaya koydu: "İzotop" kelimesi bu gerçeği ifade eder. proton ve nötronun özellikleri bakımından yakın olduğu (izotoplar - aynı kimyasal özelliklere sahip, çekirdekteki nötron sayısında farklılık gösteren atomlar).

Bu kavramdaki "spin" kelimesi, bir parçacığın sıradan spiniyle tamamen matematiksel bir benzetmeden doğmuştur.

İzotopik spinin kuantum mekanik vektörünün sıradan değil, izotopik veya yük alanı adı verilen geleneksel uzayda tanıtıldığını bir kez daha belirtmek önemlidir. İkincisi, geleneksel eksenlerden farklı olarak koşullu eksenlerle belirtilir. Bu uzayda parçacık öteleme yoluyla hareket edemez, yalnızca döner.

Dolayısıyla izotopik spin, protonu nötrondan ayıran matematiksel bir özellik olarak düşünülmelidir; fiziksel olarak elektromanyetik alanla farklı bir ilişki içinde dökülürler.

Bir nükleonun izotopik dönüşü eşittir ve eksene göre bileşenlere sahiptir. Bu eksene projeksiyon geleneksel olarak bir proton ve bir nötron için, yani bir protonun izotop olduğunda bir nötrona dönüştüğü kabul edildi. spin izotopik uzayda 180° döndürülür.

Bu resmi tekniği kullanırken yük bağımlılığı bir korunum yasası biçimini alır: nükleonların etkileşimi sırasında toplam izotopik spin ve bunun projeksiyonu değişmeden kalır;

Bu korunum yasası resmi olarak fiziksel yasaların izotop uzayındaki dönmeden bağımsızlığının bir sonucu olarak düşünülebilir. Ancak bu korunum yasası yaklaşıktır. Elektromanyetik kuvvetlerin ihmal edilebildiği ve hafifçe ihlal edilebildiği ölçüde - elektromanyetik ve nükleer kuvvetlerin oranı ölçüsünde - geçerlidir. Fiziksel anlamı, sistemlerdeki nükleer kuvvetlerin aynı olması gerçeğinde yatmaktadır.

Temel parçacıklarla ilgili bölümde ek anlam kazandığı izotopik spin kavramına geri döneceğiz.

Nükleer kuvvetler dönüşe bağlıdır. Nükleer kuvvetlerin dönüşe bağımlılığı aşağıdaki gerçeklerden kaynaklanmaktadır.

Farklı spinlere sahip durumlardaki aynı çekirdek, farklı bağlanma enerjilerine sahiptir. Örneğin, spinlerin paralel olduğu bir döteronun bağlanma enerjisi eşittir; antiparalel spinlerde ise hiçbir kararlı durum yoktur.

Nötron-proton saçılması spin yönüne duyarlıdır. Nötronlar ve protonlar arasındaki etkileşimin olasılığı, etkileşim potansiyelinin dönüşe bağlı olmadığı varsayımı altında teorik olarak hesaplandı. Deneysel sonuçların teorik olanlardan beş kat farklı olduğu ortaya çıktı.

Etkileşimin spinlerin göreceli yönüne bağlı olduğunu hesaba katarsak tutarsızlık ortadan kalkar.

Nükleer kuvvetlerin spin oryantasyonuna bağımlılığı, orto ve para hidrojen molekülleri üzerindeki nötron saçılımı üzerine yapılan deneylerde ortaya çıkar.

Gerçek şu ki, iki tür hidrojen molekülü vardır: bir orto-hidrojen molekülünde, iki protonun spinleri birbirine paraleldir, toplam spin 1'dir ve üç yönelime sahip olabilir (üçlü durum olarak adlandırılır); Bir para-hidrojen molekülünde spinler antiparaleldir, toplam spin sıfırdır ve tek bir durum mümkündür (tekli durum olarak adlandırılır),

Oda sıcaklığında orto ve para hidrojen moleküllerinin sayısı arasındaki oran, bu oran olası durumların sayısına göre belirlenir.

Temel para durumunun enerjisi, temel orgo durumunun enerjisinden daha düşüktür. Düşük sıcaklıklarda orto-hidrojen molekülleri para-hidrojen moleküllerine dönüşür. Bir katalizörün varlığında bu dönüşüm oldukça hızlı ilerler ve para-hidrojenin saf halinde sıvı hidrojen elde etmek mümkündür. Durumunda

nötronların orto-hidrojen üzerinde saçılması, nötronun dönüşü ya her iki protonun dönüşlerine paraleldir ya da her ikisine de antiparaleldir; yani konfigürasyonlar var:

Para-hidrojen tarafından saçıldığında, nötronun spini her zaman bir protonun spinine paralel ve diğer protonun spinine antiparaleldir; Para-hidrojen molekülünün yönelimi ne olursa olsun, konfigürasyon şu karaktere sahiptir:

Pirinç. 21 Hidrojen moleküllerinde nötron saçılması

Saçılmayı bir dalga süreci olarak ele alalım. Saçılma, spinlerin karşılıklı yönelimine bağlıysa, her iki proton tarafından saçılan nötron dalgalarının gözlemlenen girişim etkisi, orto ve para hidrojen molekülleri üzerindeki saçılma süreçleri için önemli ölçüde farklı olacaktır.

Saçılmadaki farkın fark edilebilmesi için nötronların enerjisi ne olmalıdır? Bir molekülde protonlar, nükleer kuvvetlerin yarıçapından birçok kat daha büyük bir mesafede bulunur. cm. Dolayısıyla nötronun dalga özelliklerinden dolayı saçılma işlemi her iki proton üzerinde aynı anda gerçekleşebilir (Şekil 21). Bunun için gerekli de Broglie dalgası

kütlesi enerjiye eşdeğer olan bir nötron için

Nükleer kuvvetler doyma özelliğine sahiptir. Daha önce § 4'te belirtildiği gibi, nükleer kuvvetlerin doygunluğu özelliği, bir çekirdeğin bağlanma enerjisinin, çekirdekteki nükleonların sayısı - A ile orantılı olması ve orantılı olması gerçeğiyle ortaya çıkar.

Nükleer kuvvetlerin bu özelliği aynı zamanda hafif çekirdeklerin kararlılığından da kaynaklanmaktadır. Örneğin, döterona giderek daha fazla yeni parçacık eklemek imkansızdır; ek bir nötron-trityum ile bu tür yalnızca bir kombinasyon bilinmektedir. Böylece bir proton ikiden fazla nötronla bağlı durumlar oluşturabilir.

Heisenberg doygunluğunu açıklamak için nükleer kuvvetlerin değişim niteliğinde olduğu öne sürüldü.

Nükleer kuvvetler değişim niteliğindedir.İlk defa, kimyasal bağ kuvvetlerinin değişim niteliği belirlendi: Elektronların bir atomdan diğerine aktarılması sonucunda bir bağ oluşur. Elektromanyetik kuvvetler aynı zamanda değişim kuvvetleri olarak da sınıflandırılabilir: yüklerin etkileşimi, y-kuanta alışverişinde bulunmaları gerçeğiyle açıklanır. Ancak bu durumda doyma söz konusu değildir çünkü y-kuanta değişimi her parçacığın özelliklerini değiştirmez.

Nükleer kuvvetlerin değişim özelliği, bir çarpışma sırasında nükleonların yük, dönüş projeksiyonları ve diğerleri gibi özellikleri birbirlerine aktarabilmesiyle ortaya çıkar.

Değişimin doğası çeşitli deneylerle, örneğin yüksek enerjili nötronların protonlar tarafından saçıldıklarında açısal dağılımının ölçüm sonuçlarıyla doğrulanır. Buna daha detaylı bakalım.

Nükleer fizikte, parçacığın de Broglie dalgası ilişkiyi karşıladığında enerjiye yüksek denir.

Nükleonlar için de Broglie dalga boyu denklemle kinetik enerjiyle ilişkilidir.

ve bu nedenle, bir nükleonun kinetik enerjisi, önemli ölçüde daha büyükse yüksek olarak adlandırılabilir.

Kuantum mekaniği, eğer etkileşim potansiyeli biliniyorsa, etkili saçılma kesitinin gelen nötronların enerjisine ve saçılma açısına bağımlılığını elde etmeyi mümkün kılar.

Hesaplamalar, dikdörtgen kuyu gibi bir potansiyel için saçılma kesitinin parçacıkların enerjisine bağlı olarak değişmesi gerektiğini ve ayrıca saçılmanın kendisinin küçük bir açı içinde gerçekleşmesi gerektiğini göstermektedir. Atalet sistemi hareket yönünde maksimuma sahip olmalı ve geri tepme protonlarının dağılımı ters yönde maksimum olmalıdır.

Deneysel olarak, nötronlar için yalnızca ileri yöndeki açısal dağılımda bir tepe noktası değil, aynı zamanda geri yönde ikinci bir tepe noktası da keşfedildi (Şekil 22).

Pirinç. 22. Saçılma açısındaki protonlara nötron saçılması için diferansiyel kesitin bağımlılığı

Deneysel sonuçlar ancak nükleonlar arasında değişim kuvvetlerinin etki ettiği ve saçılma işlemi sırasında nötronlar ve protonların yüklerini değiştirdikleri, yani saçılmanın "yük değişimi" ile gerçekleştiği varsayılarak açıklanabilir. Bu durumda nötronların bir kısmı protonlara dönüşür ve protonların, yük alışverişi protonları olarak adlandırılan nötronların yönünde uçtuğu gözlenir. Aynı zamanda protonların bir kısmı da nötronlara dönüşüyor ve nötronların tekrar s'ye saçılması olarak kaydediliyor.

Değişim kuvvetlerinin ve sıradan kuvvetlerin göreceli rolü, geriye doğru uçan nötron sayısının ileri uçan nötron sayısına oranıyla belirlenir.

Kuantum mekaniğine dayanarak, bir parçacığın aynı anda birçok parçacıkla değişim yoluyla etkileşime girmesi mümkün olmadığından, değişim kuvvetlerinin varlığının her zaman doygunluk olgusuna yol açtığı kanıtlanabilir.

Bununla birlikte, nükleon-nükleon saçılımı üzerine yapılan deneylerin daha ayrıntılı bir çalışması, etkileşim kuvvetlerinin gerçekten de değişim niteliğinde olmasına rağmen, sıradan potansiyel ile değişim potansiyelinin karışımının, doygunluğu tam olarak açıklayamayacak şekilde olduğunu göstermektedir. Nükleer kuvvetlerin başka bir özelliği de keşfedildi. Nükleonlar arasındaki büyük mesafelerde ağırlıklı olarak çekici kuvvetler etki ediyorsa, nükleonlar birbirine yaklaştığında (cm civarında bir mesafede) keskin bir itmenin meydana geldiği ortaya çıktı. Bu, nükleonlarda birbirini iten çekirdeklerin varlığıyla açıklanabilir.

Hesaplamalar, doygunluk etkisinden birincil olarak bu çekirdeklerin sorumlu olduğunu gösteriyor. Bu bağlamda, nükleer etkileşim, görünüşe göre, dikdörtgen bir kuyu gibi tek biçimli olmayan bir potansiyel ile karakterize edilmelidir (Şekil. Küçük mesafelerde özelliği olan karmaşık bir fonksiyon (Şekil 18d).

Belirli sayıda proton ve nötrondan oluşan atom çekirdeği, çekirdeğin nükleonları arasında etki eden belirli kuvvetler nedeniyle tek bir bütündür ve denir. nükleer. Nükleer kuvvetlerin, protonlar arasındaki elektrostatik itme kuvvetlerinden çok daha büyük, çok büyük değerlere sahip olduğu deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bu, çekirdekteki nükleonların spesifik bağlanma enerjisinin, Coulomb itme kuvvetlerinin yaptığı işten çok daha büyük olmasıyla ortaya çıkar. Nükleer kuvvetlerin temel özelliklerini ele alalım.

1. Nükleer kuvvetler kısa menzilli çekici kuvvetler . Çekirdekteki nükleonlar arasında yalnızca 10–15 m mertebesinde çok küçük mesafelerde görünürler. (1,5 – 2,2)·10–15 m mertebesindeki bir mesafeye nükleer kuvvetlerin artışıyla birlikte etki yarıçapı denir; nükleer kuvvetler hızla azalır. (2-3) m mertebesinde bir mesafede, nükleonlar arasındaki nükleer etkileşim pratikte yoktur.

Birçok farklı yaklaşım önerilmiş olmasına rağmen, nükleer kuvvetlerin karmaşık doğası, tek ve tutarlı bir nükleer etkileşim teorisinin geliştirilmesine izin vermemektedir. Japon fizikçi H. Yukawa'nın 1935'te önerdiği hipoteze göre, nükleer kuvvetlere değişim - mezonlar neden olur, yani. Kütlesi nükleonların kütlesinden yaklaşık 7 kat daha az olan temel parçacıklar. Bu modele göre zaman içindeki bir nükleon M- mezon kütlesi), ışık hızına yakın bir hızda hareket ederek bir mesafe kat eden bir mezon yayar daha sonra ikinci nükleon tarafından absorbe edilir. Buna karşılık, ikinci nükleon da birincisi tarafından emilen bir mezon yayar. Bu nedenle, H. Yukawa'nın modelinde, nükleonların etkileşime girdiği mesafe, mezon yolunun uzunluğu tarafından belirlenir; bu, yaklaşık M ve büyüklük sırasına göre nükleer kuvvetlerin etki yarıçapına karşılık gelir.

Nükleonlar arasındaki değişim etkileşimini ele alalım. Pozitif, negatif ve nötr mezonlar vardır. Yük modülü - veya - mezonlar sayısal olarak temel yüke eşittir e. Yüklü mezonların kütlesi aynı ve eşittir (140 MeV), mezon kütlesi 264 (135) MeV). Hem yüklü hem de nötr mezonların spini 0'dır. Üç parçacığın tümü kararsızdır. - ve - mezonların ömrü 2,6 İle, - mezon – 0,8·10 -16 İle. Nükleonlar arasındaki etkileşim aşağıdaki şemalardan birine göre gerçekleştirilir:

(22.7)
1. Nükleonlar mezon alışverişinde bulunur:

2. Nükleon değişimi - mezonlar:

3. Nükleon değişimi - mezonlar:

. (22.10)

Çekirdek modelleri. Nükleer kuvvetler için matematiksel bir yasanın bulunmaması, birleşik bir çekirdek teorisinin yaratılmasına izin vermez. Böyle bir teori yaratma çabaları ciddi zorluklarla karşılaşıyor. İşte bunlardan bazıları:

1. Nükleonlar arasında etki eden kuvvetler hakkında bilgi eksikliği.

2. Kuantum çoklu cisim probleminin aşırı hantallığı (kütle numarasına sahip bir çekirdek) A bir sistemdir A tel).

Bu zorluklar bizi, nispeten basit matematiksel araçlar kullanarak belirli bir dizi nükleer özelliği tanımlamayı mümkün kılan nükleer modeller yaratma yolunu seçmeye zorluyor. Bu modellerin hiçbiri çekirdeğin tam olarak doğru bir tanımını veremez. Bu nedenle birden fazla model kullanmanız gerekmektedir.

Altında çekirdek modeli nükleer fizikte, aşağıdakilerden oluşan bir nükleer sistemin özelliklerini hesaplamanın mümkün olduğu bir dizi fiziksel ve matematiksel varsayımı anlarlar. A nükleonlar. Değişen karmaşıklık derecelerine sahip birçok model önerilmiş ve geliştirilmiştir. Bunlardan sadece en ünlülerini ele alacağız.

Çekirdeğin hidrodinamik (damlama) modeli 1939'da geliştirildi. N. Bohr ve Sovyet bilim adamı J. Frenkel. Çekirdekteki nükleonların yüksek yoğunluğu ve aralarındaki son derece güçlü etkileşim nedeniyle, bireysel nükleonların bağımsız hareketinin imkansız olduğu ve çekirdeğin, yoğunluğa sahip yüklü bir sıvı damlası olduğu varsayımına dayanmaktadır. Normal bir sıvı damlasında olduğu gibi çekirdeğin yüzeyi salınım yapabilir. Titreşimlerin genliği yeterince büyük olursa nükleer fisyon süreci meydana gelir. Damlacık modeli, çekirdekteki nükleonların bağlanma enerjisine ilişkin bir formül elde edilmesini mümkün kıldı ve bazı nükleer reaksiyonların mekanizmasını açıkladı. Ancak bu model atom çekirdeklerinin uyarılma spektrumlarının çoğunu ve bazılarının özel kararlılığını açıklamamaktadır. Bunun nedeni, hidrodinamik modelin çekirdeğin iç yapısının özünü yaklaşık olarak yansıtmasıdır.

Çekirdeğin kabuk modeli 1940-1950'de Amerikalı fizikçi M. Geppert - Mayer ve Alman fizikçi H. Jensen tarafından geliştirildi. Her nükleonun diğerlerinden bağımsız olarak ortalama bir potansiyel alanda (çekirdeğin geri kalan nükleonları tarafından oluşturulan potansiyel kuyusu) hareket ettiğini varsayar. Kabuk modeli çerçevesinde, fonksiyon hesaplanmaz, ancak en iyi uyum sağlayacak şekilde seçilir. deneysel verilere ulaşılabilir.

Potansiyel kuyusunun derinliği genellikle ~ (40-50) MeV ve çekirdekteki nükleon sayısına bağlı değildir. Kuantum teorisine göre bir alandaki nükleonlar belirli ayrık enerji seviyelerindedir. Kabuk modelinin yaratıcılarının, nükleonların ortalama bir potansiyel alandaki bağımsız hareketi hakkındaki temel varsayımı, hidrodinamik modelin geliştiricilerinin temel hükümleriyle çelişmektedir. Bu nedenle hidrodinamik model tarafından iyi tanımlanan çekirdeğin özellikleri (örneğin bağlanma enerjisinin değeri) kabuk modeli çerçevesinde açıklanamaz ve bunun tersi de geçerlidir.

Genelleştirilmiş çekirdek modeli 1950-1953'te geliştirilen, hidrodinamik ve kabuk modellerinin yaratıcılarının ana hükümlerini birleştiriyor. Genelleştirilmiş modelde, çekirdeğin, dolu kabukların nükleonlarından oluşan çekirdek ve çekirdeğin nükleonları tarafından oluşturulan alanda hareket eden dış nükleonlar olmak üzere dahili kararlı bir parçadan oluştuğu varsayılmaktadır. Bu bağlamda çekirdeğin hareketi hidrodinamik bir modelle, dış nükleonların hareketi ise bir kabuk modeliyle tanımlanmaktadır. Dış nükleonlarla etkileşime bağlı olarak çekirdek deforme olabilir ve çekirdek, deformasyon eksenine dik bir eksen etrafında dönebilir. Genelleştirilmiş model, atom çekirdeklerinin dönme ve titreşim spektrumlarının ana özelliklerinin yanı sıra bazılarının dört kutuplu elektrik momentinin yüksek değerlerini açıklamayı mümkün kıldı.

Ana fenomenolojik olanları ele aldık, yani. tanımlayıcı, çekirdek modelleri. Ancak çekirdeğin özelliklerini ve yapısını belirleyen nükleer etkileşimlerin doğasını tam olarak anlamak için, çekirdeğin etkileşim halindeki nükleonlardan oluşan bir sistem olarak kabul edileceği bir teori oluşturmak gerekir.