Lực hạt nhân là gì và tính chất của chúng là gì. Lực hạt nhân và tính chất của chúng

1.3.1 . Hạt nhân của bất kỳ nguyên tử nào đều có cấu trúc phức tạp và bao gồm các hạt gọi là nucleon. Có hai loại nucleon được biết đến - proton và neutron .
proton - nucleon có khối lượng 1 amu. với điện tích dương bằng đơn vị, tức là điện tích cơ bản của electron.
neutron -trung hòa về điện nucleon có khối lượng 1 amu.
*) Nói đúng ra, khối lượng còn lại của proton và neutron có phần khác nhau: m p = 1,6726. 10 -24 G, và mn = 1,67439 . 10 -24 G. Sự khác biệt này sẽ được thảo luận sau.

1.3.2. Vì khối lượng của hạt nhân thực tế bằng A, điện tích của hạt nhân là z, khối lượng của proton và neutron gần như bằng nhau Với những ý tưởng như vậy, có thể coi đó là điều đương nhiên. Hạt nhân của nguyên tử trung hòa điện gồm z proton và ( MỘT - z ) neutron. Do đó, số hiệu nguyên tử của một nguyên tố không gì khác hơn Điện tích proton của hạt nhân nguyên tử, biểu thị bằng điện tích cơ bản của electron. Nói cách khác, z - đây là số proton trong hạt nhân nguyên tử.

1.3.3 . Sự hiện diện của proton (các hạt có điện tích cùng dấu) trong hạt nhân, do lực đẩy Coulomb giữa chúng, sẽ dẫn đến sự tán xạ của các nucleon. Trong thực tế điều này không xảy ra. Sự tồn tại của nhiều hạt nhân ổn định trong tự nhiên dẫn đến kết luận rằng sự tồn tại giữa các nucleon của hạt nhân mạnh hơn hạt nhân Coulomb, lực hạt nhân sự thu hút, vượt qua lực đẩy Coulomb của proton, kéo các nucleon vào cấu trúc ổn định - hạt nhân.

1.3.4. Kích thước của hạt nhân nguyên tử, được xác định theo công thức (1.4), vào khoảng 10 -13 cm. Do đó, tính chất đầu tiên của lực hạt nhân (ngược lại với Coulomb, lực hấp dẫn và các lực khác) - hành động ngắn: lực hạt nhân chỉ tác dụng ở những khoảng cách nhỏ, có thể so sánh về độ lớn với kích thước của chính các nucleon.
Ngay cả khi không biết chính xác loại vật chất nào hình thành nên proton hay neutron, người ta vẫn có thể ước tính chúng hiệu quả kích thước là đường kính của một quả cầu, trên bề mặt của lực hút hạt nhân của hai proton lân cận được cân bằng bởi lực đẩy Coulomb của chúng. Các thí nghiệm tại máy gia tốc về sự tán xạ electron bởi hạt nhân đã giúp ước tính bán kính hiệu dụng của nucleon R n ≈ 1,21. 10 -13cm.

1.3.5 . Từ tác dụng ngắn của lực hạt nhân dẫn đến tính chất thứ hai của chúng, được gọi ngắn gọn là bão hòa . Điều này có nghĩa là Bất kỳ nucleon nào trong hạt nhân không tương tác với tất cả các nucleon khác mà chỉ tương tác với một số lượng hữu hạn các nucleon lân cận của nó.

1.3.6. Tính chất thứ ba của lực hạt nhân - của họ phân. Vì người ta cho rằng lực tương tác giữa các nucleon thuộc cả hai loại là lực có cùng bản chất, do đó người ta giả định rằng ở những khoảng cách bằng nhau cỡ 10 -13 cm hai proton, hai neutron hoặc một proton có neutron tương tác giống nhau.

1.3.7. Proton tự do (nghĩa là bên ngoài hạt nhân nguyên tử ) ổn định . Neutron không thể tồn tại lâu ở trạng thái tự do: nó bị phân rã thành proton, electron và phản neutrino có chu kỳ bán rã T 1/2 = 11,2 phút. theo sơ đồ:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Phản neutrino (n) - hạt vật chất trung hòa điện với khối lượng nghỉ bằng không.

1.3.8. Vì vậy, bất kỳ lõi nào cũng được coi là hoàn toàn cá nhân hóa, nếu biết hai đặc điểm chính của nó - số proton z và số khối A, vì hiệu (A - z) xác định số lượng neutron trong hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử riêng lẻ thường được gọi là hạt nhân.
Trong số rất nhiều hạt nhân (và hơn 2000 hạt nhân trong số đó hiện đã được biết đến - tự nhiên và nhân tạo), có những hạt nhân trong đó một trong hai đặc điểm được đề cập là giống nhau, còn hạt nhân kia có kích thước khác nhau.
Các hạt nhân có cùng z (số proton) được gọi là đồng vị. Vì số nguyên tử xác định, theo Định luật tuần hoàn của D.I. Mendeleev, chỉ có tính cá nhân. hóa chất tính chất của nguyên tử của một nguyên tố, các đồng vị luôn được nói đến khi tham chiếu đến nguyên tố hóa học tương ứng trong Bảng tuần hoàn.
Ví dụ: 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U đều là đồng vị của uranium, có số nguyên tử z = 92 trong Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
đồng vị bất kỳ nguyên tố hóa học như chúng ta thấy , có số proton bằng nhau nhưng khác nhau về số nơtron.

Nuclit có khối lượng bằng nhau ( MỘT ), nhưng với các điện tích khác nhau z được gọi là isobar . Đồng vị, không giống như đồng vị, là hạt nhân của các nguyên tố hóa học khác nhau.
Ví dụ. 11 B 5 và 11 C 4 - đồng phân của boron và hạt nhân cacbon; 7 Li 3 và 7 Be 4 - đồng phân của các hạt nhân lithium và berili; 135 J 53, 135 Xe 54 và 135 Cs 55 cũng lần lượt là các đồng phân của iốt, xenon và Caesium.

1.3.9 . Từ công thức (1.4) người ta có thể ước tính mật độ nucleon trong hạt nhân và mật độ khối lượng của vật chất hạt nhân. Xét hạt nhân là một hình cầu có bán kính R và số nucleon trong thể tích của nó bằng A, ta tìm được số nucleon trên một đơn vị thể tích của hạt nhân là:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p(1,21,10 -13 A 1/3) 3 = 1,348. 10 38 hạt nhân/cm3,
a, vì khối lượng của 1 nucleon là 1 amu. = 1,66056. 10 -24 G, khi đó mật độ của vật chất hạt nhân được tìm thấy là:
γ rav = Nm n = 1,348. 10 38 .1.66056 . 10 -24 ≈ 2,238. 10 14 g/cm3.= 223 800 000 t/cm3
Quy trình tính toán trên chỉ ra rằng Mật độ của vật chất hạt nhân là như nhau trong hạt nhân của tất cả các nguyên tố hóa học.
Âm lượng. trên 1 nucleon trong hạt nhân, V i/A = 1/N = 1/1.348. 10 38 = 7,421. 10 -39 cm 3
- cũng giống nhau cho tất cả các lõi, do đó, khoảng cách trung bình giữa tâm của các nucleon lân cận trong bất kỳ hạt nhân nào (có thể gọi theo quy ước là đường kính trung bình của một nucleon) sẽ bằng
Dn = (V i) 1/3 = (7,421,10 -39) 1/3 = 1,951. 10 -13 cm .

1.3.10. Cho đến nay, người ta biết rất ít về mật độ proton và neutron trong hạt nhân nguyên tử. Vì proton, không giống như neutron, không chỉ chịu lực hút hạt nhân và hấp dẫn mà còn cả lực đẩy Coulomb, nên có thể giả định rằng điện tích proton của hạt nhân ít nhiều phân bố đều trên toàn bộ bề mặt của nó. các bề mặt.

Khi kết thúc quá trình học tập, nhiều học sinh trung học, phụ huynh và hàng nghìn chuyên gia trẻ phải đối mặt với một lựa chọn khó khăn - chọn cơ sở giáo dục đại học (HEI). Khá khó để di chuyển và không bị nhầm lẫn trong sự đa dạng của các trường đại học, viện và khoa. Đọc các nhận xét về trường đại học do sinh viên, giáo viên và sinh viên tốt nghiệp để lại trước khi tiếp nhận. Lựa chọn cơ sở giáo dục phù hợp chính là chìa khóa thành công trong sự nghiệp tương lai của bạn!

Hạt nhân nguyên tử, gồm một số proton và neutron nhất định, là một tổng thể duy nhất do các lực đặc trưng tác dụng giữa các nucleon của hạt nhân và được gọi là hạt nhân. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng lực hạt nhân có giá trị rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với lực đẩy tĩnh điện giữa các proton. Điều này được thể hiện ở chỗ năng lượng liên kết riêng của các nucleon trong hạt nhân lớn hơn nhiều so với công do lực đẩy Coulomb thực hiện. Chúng ta hãy nhìn vào chính đặc điểm của lực hạt nhân.

1. Lực hạt nhân là lực hấp dẫn tầm ngắn . Chúng chỉ xuất hiện ở những khoảng cách rất nhỏ giữa các nucleon trong hạt nhân cỡ 10–15 m. Khoảng cách cỡ (1,5 – 2,2) 10–15 m được gọi là. phạm vi của lực hạt nhân, với sự tăng lên của nó, lực hạt nhân nhanh chóng giảm đi. Ở khoảng cách cỡ (2-3) m, thực tế không có tương tác hạt nhân giữa các nucleon.

2. Lực hạt nhân có tính chất bão hòa, những thứ kia. mỗi nucleon chỉ tương tác với một số lượng nhất định các lân cận gần nhất. Bản chất này của lực hạt nhân được thể hiện ở sự gần như không đổi của năng lượng liên kết riêng của các nucleon ở số điện tích. MỘT>40. Thật vậy, nếu không có độ bão hòa thì năng lượng liên kết riêng sẽ tăng theo số lượng nucleon trong hạt nhân.

3. Một đặc điểm của lực hạt nhân là lực tính phí độc lập , tức là chúng không phụ thuộc vào điện tích của các nucleon nên tương tác hạt nhân giữa proton và neutron là như nhau. Sự độc lập điện tích của lực hạt nhân có thể thấy rõ khi so sánh năng lượng liên kết lõi gương . Đây là tên đặt cho các hạt nhân trong đó tổng số nucleon bằng nhau nhưng số proton ở hạt này bằng số neutron ở hạt kia. Ví dụ, năng lượng liên kết của hạt nhân helium và hạt nhân hydro – tritium nặng lần lượt là 7,72 MeV và 8,49 MeV. Sự chênh lệch năng lượng liên kết của các hạt nhân này, bằng 0,77 MeV, tương ứng với năng lượng lực đẩy Coulomb của hai proton trong hạt nhân. Giả sử giá trị này bằng , chúng ta có thể thấy rằng khoảng cách trung bình r giữa các proton trong hạt nhân là 1,9·10–15 m, phù hợp với bán kính tác dụng của lực hạt nhân.

4. Lực hạt nhân không phải là trung tâm và phụ thuộc vào sự định hướng lẫn nhau của các spin của các nucleon tương tác. Điều này được xác nhận bởi bản chất khác nhau của sự tán xạ neutron bởi các phân tử ortho- và parahydrogen. Trong phân tử orthohydrogen, spin của cả hai proton song song với nhau, trong khi ở phân tử parahydrogen, chúng phản song song. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng tán xạ neutron trên parahydrogen lớn hơn 30 lần so với tán xạ trên orthohydrogen.

Bản chất phức tạp của lực hạt nhân không cho phép phát triển một lý thuyết thống nhất và duy nhất về tương tác hạt nhân, mặc dù nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được đề xuất. Theo giả thuyết của nhà vật lý Nhật Bản H. Yukawa (1907-1981) mà ông đề xuất vào năm 1935, lực hạt nhân là do sự trao đổi - meson, tức là. các hạt cơ bản có khối lượng nhỏ hơn khối lượng nucleon khoảng 7 lần. Theo mô hình này, một nucleon trong thời gian tôi- khối lượng meson) phát ra một meson, di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, bao phủ một khoảng cách , sau đó nó được hấp thụ bởi nucleon thứ hai. Ngược lại, nucleon thứ hai cũng phát ra meson, hạt này được hạt thứ nhất hấp thụ. Do đó, trong mô hình của H. Yukawa, khoảng cách tại đó các nucleon tương tác được xác định bởi độ dài đường truyền meson, tương ứng với khoảng cách khoảng tôi và độ lớn trùng với bán kính tác dụng của lực hạt nhân.

Chúng ta hãy chuyển sang xem xét tương tác trao đổi giữa các nucleon. Có các meson dương, âm và trung tính. Môđun điện tích - hoặc - meson bằng số lượng điện tích cơ bản e . Khối lượng của các meson tích điện bằng nhau và bằng (140 MeV), khối lượng meson là 264 (135 MeV). Spin của cả meson tích điện và trung tính đều bằng 0. Cả ba hạt đều không ổn định. Thời gian sống của - và - meson là 2,6 Với, - meson – 0,8·10 -16 Với. Sự tương tác giữa các nucleon được thực hiện theo một trong các sơ đồ sau:

1. Meson trao đổi nucleon: . (22.8)

Trong trường hợp này, proton phát ra meson, biến thành neutron. Meson bị hấp thụ bởi neutron, do đó neutron biến thành proton, sau đó quá trình tương tự xảy ra theo hướng ngược lại. Do đó, mỗi nucleon tương tác dành một phần thời gian ở trạng thái tích điện và một phần ở trạng thái trung tính.

2. Meson trao đổi nucleon:

3. Meson trao đổi nucleon:

, (22.10)

Tất cả các quá trình này đã được chứng minh bằng thực nghiệm. Đặc biệt, quá trình đầu tiên được xác nhận khi chùm neutron đi qua hydro. Các proton chuyển động xuất hiện trong chùm tia và một số neutron đứng yên tương ứng được phát hiện trong mục tiêu.

Các mô hình hạt nhân Dưới mô hình hạt nhân trong vật lý hạt nhân, họ hiểu một tập hợp các giả định vật lý và toán học mà nhờ đó có thể tính toán các đặc tính của hệ thống hạt nhân bao gồm MỘT nucleon.

Mô hình thủy động lực (nhỏ giọt) của lõi Nó dựa trên giả định rằng, do mật độ nucleon trong hạt nhân cao và sự tương tác cực kỳ mạnh giữa chúng, nên sự chuyển động độc lập của từng nucleon là không thể và hạt nhân là một giọt chất lỏng tích điện có mật độ .

Mô hình vỏ của hạt nhân Nó giả định rằng mỗi nucleon chuyển động độc lập với các nucleon khác trong một trường thế trung bình nào đó (giếng thế được tạo ra bởi các nucleon còn lại của hạt nhân.

Mô hình hạt nhân tổng quát, kết hợp các quy định chính của người tạo ra mô hình thủy động lực và mô hình vỏ. Trong mô hình tổng quát, người ta cho rằng hạt nhân bao gồm một phần ổn định bên trong - lõi, được hình thành bởi các nucleon của lớp vỏ chứa đầy và các nucleon bên ngoài chuyển động trong trường do các nucleon của lõi tạo ra. Về vấn đề này, chuyển động của lõi được mô tả bằng mô hình thủy động lực và chuyển động của các nucleon bên ngoài bằng mô hình vỏ. Do tương tác với các nucleon bên ngoài, lõi có thể bị biến dạng và lõi có thể quay quanh một trục vuông góc với trục biến dạng.

26. Phản ứng phân hạch của hạt nhân nguyên tử. Năng lượng hạt nhân.

Phản ứng hạt nhânđược gọi là sự biến đổi của hạt nhân nguyên tử do sự tương tác của chúng với nhau hoặc với hạt nhân hoặc hạt cơ bản khác. Thông điệp đầu tiên về phản ứng hạt nhân thuộc về E. Rutherford. Năm 1919, ông phát hiện ra rằng khi các hạt đi qua khí nitơ, một số trong chúng bị hấp thụ và các proton đồng thời được phát ra. Rutherford đi đến kết luận rằng hạt nhân nitơ được chuyển đổi thành hạt nhân oxy do phản ứng hạt nhân có dạng:

, (22.11)

trong đó − là một hạt; − proton (hydro).

Một thông số quan trọng của phản ứng hạt nhân là hiệu suất năng lượng của nó, được xác định theo công thức:

(22.12)

Đây là tổng khối lượng còn lại của các hạt trước và sau phản ứng. Khi phản ứng hạt nhân xảy ra có sự hấp thụ năng lượng, đó là lý do tại sao chúng được gọi là thu nhiệt, và khi nào - với việc giải phóng năng lượng. Trong trường hợp này chúng được gọi tỏa nhiệt.

Trong bất kỳ phản ứng hạt nhân nào, điều sau đây luôn được đáp ứng: định luật bảo toàn :

− điện tích;

– số nucleon;

− năng lượng;

- xung lực.

Hai định luật đầu tiên cho phép viết chính xác các phản ứng hạt nhân ngay cả trong trường hợp chưa biết một trong các hạt tham gia phản ứng hoặc một trong các sản phẩm của nó. Sử dụng các định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, người ta có thể xác định được động năng của các hạt được hình thành trong quá trình phản ứng, cũng như hướng chuyển động tiếp theo của chúng.

Để mô tả các phản ứng thu nhiệt, khái niệm này được đưa ra ngưỡng động năng , hoặc ngưỡng phản ứng hạt nhân , những thứ kia. động năng thấp nhất của một hạt tới (trong hệ quy chiếu nơi hạt nhân đích đứng yên) tại đó phản ứng hạt nhân có thể xảy ra. Từ định luật bảo toàn năng lượng và động lượng, năng lượng ngưỡng của phản ứng hạt nhân được tính theo công thức:

. (22.13)

Đây là năng lượng của phản ứng hạt nhân (7.12); -khối lượng của lõi tĩnh – mục tiêu; là khối lượng của hạt tới hạt nhân.

Phản ứng phân hạch. Năm 1938, các nhà khoa học Đức O. Hahn và F. Strassmann phát hiện ra rằng khi uranium bị bắn phá bằng neutron, hạt nhân đôi khi xuất hiện có kích thước xấp xỉ một nửa kích thước hạt nhân uranium ban đầu. Hiện tượng này được gọi là phân hạch hạt nhân.

Nó đại diện cho phản ứng biến đổi hạt nhân được quan sát thực nghiệm đầu tiên. Một ví dụ là một trong những phản ứng phân hạch có thể xảy ra của hạt nhân uranium-235:

Quá trình phân hạch hạt nhân diễn ra rất nhanh trong khoảng thời gian ~10 -12 s. Năng lượng được giải phóng trong phản ứng như (22.14) là khoảng 200 MeV cho mỗi lần phân hạch của hạt nhân urani-235.

Nói chung, phản ứng phân hạch của hạt nhân uranium-235 có thể được viết là:

+neutron . (22.15)

Cơ chế của phản ứng phân hạch có thể được giải thích trong khuôn khổ mô hình thủy động lực học của hạt nhân. Theo mô hình này, khi neutron bị hạt nhân uranium hấp thụ, nó sẽ chuyển sang trạng thái kích thích (Hình 22.2).

Năng lượng dư thừa mà hạt nhân nhận được do sự hấp thụ neutron gây ra chuyển động mạnh hơn của các nucleon. Kết quả là hạt nhân bị biến dạng, dẫn đến tương tác hạt nhân tầm ngắn bị suy yếu. Nếu năng lượng kích thích của hạt nhân lớn hơn một mức năng lượng nhất định gọi là năng lượng kích hoạt , khi đó dưới tác dụng của lực đẩy tĩnh điện của proton, hạt nhân tách thành hai phần, phát ra neutron phân hạch . Nếu năng lượng kích thích khi hấp thụ neutron nhỏ hơn năng lượng kích hoạt thì hạt nhân không đạt tới

giai đoạn phân hạch quan trọng và sau khi phát ra lượng tử, nó quay trở lại trạng thái phân hạch chính

Trong vật lý, khái niệm “lực” biểu thị thước đo sự tương tác của các dạng vật chất với nhau, bao gồm sự tương tác của các bộ phận vật chất (vĩ mô, hạt cơ bản) với nhau và với các trường vật lý (điện từ, hấp dẫn). Tổng cộng, có bốn loại tương tác trong tự nhiên: mạnh, yếu, điện từ và hấp dẫn, và mỗi loại có loại lực riêng. Lực đầu tiên trong số chúng tương ứng với lực hạt nhân tác dụng bên trong hạt nhân nguyên tử.

Điều gì hợp nhất các hạt nhân?

Người ta thường biết rằng hạt nhân của một nguyên tử rất nhỏ, kích thước của nó nhỏ hơn bốn đến năm bậc thập phân so với kích thước của chính nguyên tử. Điều này đặt ra một câu hỏi rõ ràng: tại sao nó lại nhỏ như vậy? Suy cho cùng, các nguyên tử, được tạo thành từ những hạt cực nhỏ, vẫn lớn hơn nhiều so với những hạt mà chúng chứa đựng.

Ngược lại, hạt nhân không khác biệt nhiều về kích thước so với các nucleon (proton và neutron) mà chúng được tạo ra. Có lý do nào cho việc này hay chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên?

Trong khi đó, người ta biết rằng chính lực điện đã giữ các electron tích điện âm ở gần hạt nhân nguyên tử. Lực nào giữ các hạt của hạt nhân lại với nhau? Nhiệm vụ này được thực hiện bởi lực hạt nhân, là thước đo tương tác mạnh.

Lực hạt nhân mạnh

Nếu trong thiên nhiên chỉ có lực hấp dẫn và lực điện, tức là mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày thì hạt nhân nguyên tử, thường gồm nhiều proton tích điện dương, sẽ không ổn định: lực điện đẩy các proton ra xa nhau sẽ mạnh gấp hàng triệu lần lực hấp dẫn kéo chúng lại gần nhau. . Lực hạt nhân tạo ra lực hút thậm chí còn mạnh hơn lực đẩy điện, mặc dù chỉ có một phần nhỏ độ lớn thực sự của chúng được biểu hiện trong cấu trúc của hạt nhân. Khi nghiên cứu cấu trúc của proton và neutron, chúng ta thấy được khả năng thực sự của cái gọi là lực hạt nhân mạnh. Lực lượng hạt nhân là biểu hiện của nó.

Hình trên cho thấy hai lực đối nhau trong hạt nhân là lực đẩy điện giữa các proton tích điện dương và lực hạt nhân, lực này hút các proton (và neutron) lại với nhau. Nếu số proton và neutron không chênh lệch quá nhiều thì lực thứ hai mạnh hơn lực thứ nhất.

Proton là chất tương tự của nguyên tử và hạt nhân là chất tương tự của phân tử?

Lực hạt nhân tác dụng giữa những hạt nào? Trước hết là giữa các nucleon (proton và neutron) trong hạt nhân. Cuối cùng, chúng cũng tác dụng giữa các hạt (quark, gluon, phản quark) bên trong proton hoặc neutron. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên khi chúng ta nhận ra rằng proton và neutron về bản chất là phức tạp.

Trong một nguyên tử, các hạt nhân nhỏ và thậm chí các electron nhỏ hơn tương đối xa nhau so với kích thước của chúng và lực điện giữ chúng lại với nhau trong nguyên tử khá đơn giản. Nhưng trong các phân tử, khoảng cách giữa các nguyên tử tương đương với kích thước của các nguyên tử, do đó độ phức tạp bên trong của nguyên tử phát huy tác dụng. Tình huống đa dạng và phức tạp gây ra bởi sự bù trừ một phần của lực điện trong nguyên tử dẫn đến các quá trình trong đó các electron thực sự có thể di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Điều này làm cho tính chất vật lý của phân tử phong phú và phức tạp hơn nhiều so với nguyên tử. Tương tự như vậy, khoảng cách giữa các proton và neutron trong hạt nhân có thể so sánh với kích thước của chúng - và cũng giống như với các phân tử, đặc tính của lực hạt nhân giữ các hạt nhân lại với nhau phức tạp hơn nhiều so với lực hút đơn giản của proton và neutron.

Không có hạt nhân nào không có neutron, ngoại trừ hydro

Người ta biết rằng hạt nhân của một số nguyên tố hóa học ổn định, trong khi đối với những nguyên tố khác, chúng liên tục phân rã và phạm vi tốc độ phân rã này rất rộng. Tại sao lực giữ nucleon trong hạt nhân ngừng hoạt động? Hãy xem chúng ta có thể học được gì từ những xem xét đơn giản về tính chất của lực hạt nhân.

Một là tất cả các hạt nhân, ngoại trừ đồng vị phổ biến nhất là hydro (chỉ có một proton), đều chứa neutron; nghĩa là không có hạt nhân nào có nhiều proton mà không chứa neutron (xem hình bên dưới). Như vậy rõ ràng neutron đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các proton dính vào nhau.

Trong hình. Ở trên, các hạt nhân ổn định ánh sáng hoặc gần ổn định được hiển thị cùng với neutron. Loại thứ hai, giống như tritium, được hiển thị bằng một đường chấm, biểu thị rằng cuối cùng chúng sẽ phân rã. Những sự kết hợp khác với số lượng nhỏ proton và neutron hoàn toàn không tạo thành hạt nhân hoặc tạo thành hạt nhân cực kỳ không ổn định. Phần in nghiêng cũng là những tên thay thế thường được đặt cho một số đồ vật này; Ví dụ, hạt nhân helium-4 thường được gọi là hạt α, tên được đặt cho nó khi nó lần đầu tiên được phát hiện trong các nghiên cứu ban đầu về tính phóng xạ vào những năm 1890.

Neutron là người chăn dắt proton

Ngược lại, không có hạt nhân nào chỉ gồm neutron mà không có proton; hầu hết các hạt nhân nhẹ, chẳng hạn như oxy và silicon, có số neutron và proton xấp xỉ nhau (Hình 2). Những hạt nhân lớn có khối lượng lớn, như vàng và radium, có nhiều neutron hơn proton một chút.

Điều này nói lên hai điều:

1. Không chỉ cần neutron để giữ các proton lại với nhau mà còn cần proton để giữ các neutron lại với nhau.

2. Nếu số lượng proton và neutron trở nên rất lớn thì lực đẩy điện của proton phải được bù bằng cách thêm một vài neutron bổ sung.

Tuyên bố cuối cùng được minh họa trong hình dưới đây.

Hình trên cho thấy hạt nhân nguyên tử ổn định và gần ổn định là hàm số của P (số proton) và N (số neutron). Đường hiển thị có chấm đen biểu thị hạt nhân ổn định. Bất kỳ sự dịch chuyển lên hoặc xuống nào từ đường màu đen đều có nghĩa là tuổi thọ của hạt nhân giảm - gần đó tuổi thọ của hạt nhân là hàng triệu năm trở lên, khi bạn di chuyển xa hơn vào các vùng màu xanh lam, nâu hoặc vàng (các màu khác nhau tương ứng với các cơ chế khác nhau phân rã hạt nhân), thời gian sống của chúng ngày càng ngắn hơn, chỉ còn một phần của giây.

Lưu ý rằng các hạt nhân ổn định có P và N gần bằng nhau đối với P và N nhỏ, nhưng N dần dần trở nên lớn hơn P với hệ số lớn hơn một rưỡi. Cũng lưu ý rằng nhóm hạt nhân không ổn định ổn định và tồn tại lâu dài vẫn nằm trong một dải khá hẹp đối với tất cả các giá trị của P cho đến 82. Đối với số lượng lớn hơn, các hạt nhân đã biết về nguyên tắc là không ổn định (mặc dù chúng có thể tồn tại hàng triệu năm) . Rõ ràng, cơ chế ổn định proton trong hạt nhân bằng cách thêm neutron vào chúng ở vùng này không hiệu quả 100%.

Kích thước của nguyên tử phụ thuộc vào khối lượng electron của nó như thế nào?

Các lực đang xét ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc của hạt nhân nguyên tử? Lực hạt nhân chủ yếu ảnh hưởng đến kích thước của nó. Tại sao hạt nhân rất nhỏ so với nguyên tử? Để tìm hiểu, chúng ta hãy bắt đầu với hạt nhân đơn giản nhất, có cả proton và neutron: nó là đồng vị phổ biến thứ hai của hydro, một nguyên tử chứa một electron (giống như tất cả các đồng vị hydro) và hạt nhân gồm một proton và một neutron . Đồng vị này thường được gọi là “deuterium” và hạt nhân của nó (xem Hình 2) đôi khi được gọi là “deuteron”. Làm thế nào chúng ta có thể giải thích cái gì giữ deuteron lại với nhau? Chà, bạn có thể tưởng tượng rằng nó không quá khác biệt so với một nguyên tử hydro thông thường, cũng chứa hai hạt (một proton và một electron).

Trong hình. Ở trên đã chỉ ra rằng trong nguyên tử hydro, hạt nhân và electron cách nhau rất xa, theo nghĩa là nguyên tử lớn hơn nhiều so với hạt nhân (và electron thậm chí còn nhỏ hơn). Nhưng trong deuteron, khoảng cách giữa proton và neutron có thể so sánh được với kích thước của chúng. Điều này phần nào giải thích tại sao lực hạt nhân phức tạp hơn nhiều so với lực trong nguyên tử.

Được biết, electron có khối lượng nhỏ so với proton và neutron. Nó theo sau đó

khối lượng của nguyên tử về cơ bản gần bằng khối lượng hạt nhân của nó,
kích thước của một nguyên tử (về cơ bản là kích thước của đám mây điện tử) tỷ lệ nghịch với khối lượng của các electron và tỷ lệ nghịch với tổng lực điện từ; Nguyên lý bất định của cơ học lượng tử đóng vai trò quyết định.

Điều gì sẽ xảy ra nếu lực hạt nhân giống với lực điện từ?

Còn deuteron thì sao? Nó, giống như nguyên tử, được tạo thành từ hai vật thể, nhưng chúng gần như có cùng khối lượng (khối lượng của neutron và proton chỉ khác nhau khoảng một phần trong 1500), vì vậy cả hai hạt đều quan trọng như nhau trong việc xác định khối lượng của deuteron. và kích thước của nó. Bây giờ giả sử rằng lực hạt nhân kéo proton về phía neutron giống như lực điện từ (điều này không hoàn toàn đúng, nhưng hãy tưởng tượng một chút); và sau đó, bằng cách tương tự với hydro, chúng ta mong đợi kích thước của deuteron tỷ lệ nghịch với khối lượng của proton hoặc neutron, và tỷ lệ nghịch với độ lớn của lực hạt nhân. Nếu cường độ của nó bằng (ở một khoảng cách nhất định) với lực điện từ, thì điều này có nghĩa là vì proton nặng hơn electron khoảng 1850 lần, nên deuteron (và thực ra là bất kỳ hạt nhân nào) phải nặng ít nhất một nghìn lần. nhỏ hơn hydro.

Khi tính đến sự khác biệt đáng kể giữa lực hạt nhân và lực điện từ, điều gì mang lại?

Nhưng chúng ta đã đoán rằng lực hạt nhân lớn hơn nhiều so với lực điện từ (ở cùng khoảng cách), bởi vì nếu không như vậy thì nó sẽ không thể ngăn cản lực đẩy điện từ giữa các proton cho đến khi hạt nhân tan rã. Vì vậy, proton và neutron dưới tác động của nó càng kết hợp với nhau chặt chẽ hơn. Và do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi deuteron và các hạt nhân khác không chỉ nhỏ hơn một nghìn mà còn nhỏ hơn nguyên tử một trăm nghìn lần! Một lần nữa, điều này chỉ là do

proton và neutron nặng hơn gần 2000 lần so với electron,
ở những khoảng cách này, lực hạt nhân lớn giữa proton và neutron trong hạt nhân lớn hơn nhiều lần so với lực điện từ tương ứng (bao gồm cả lực đẩy điện từ giữa các proton trong hạt nhân).

Dự đoán ngây thơ này đưa ra câu trả lời gần đúng! Nhưng điều này không phản ánh đầy đủ tính phức tạp của tương tác giữa proton và neutron. Một vấn đề hiển nhiên là một lực tương tự như lực điện từ, nhưng có lực hút hoặc lực đẩy lớn hơn, hiển nhiên sẽ biểu hiện trong cuộc sống hàng ngày, nhưng chúng ta không quan sát được điều gì như thế này. Vì vậy, có điều gì đó về lực này phải khác với lực điện.

Phạm vi lực hạt nhân ngắn

Điều làm cho chúng khác biệt là các lực hạt nhân giữ cho hạt nhân nguyên tử không bị phân hủy rất quan trọng và mạnh đối với các proton và neutron ở khoảng cách rất ngắn với nhau, nhưng ở một khoảng cách nhất định (cái gọi là "phạm vi" của lực), chúng rơi rất nhanh, nhanh hơn nhiều so với lực điện từ. Hóa ra, phạm vi cũng có thể có kích thước bằng một hạt nhân lớn vừa phải, chỉ lớn hơn proton vài lần. Nếu bạn đặt một proton và một neutron ở khoảng cách tương đương với phạm vi này, chúng sẽ hút nhau và tạo thành deuteron; nếu cách nhau một khoảng cách lớn hơn, họ sẽ khó cảm thấy có sức hút nào cả. Trên thực tế, nếu chúng được đặt quá gần nhau đến mức bắt đầu chồng lên nhau, chúng sẽ thực sự đẩy nhau. Điều này cho thấy sự phức tạp của một khái niệm như lực hạt nhân. Vật lý tiếp tục phát triển không ngừng theo hướng giải thích cơ chế tác dụng của chúng.

Cơ chế vật lý của tương tác hạt nhân

Mọi quá trình vật chất, bao gồm cả tương tác giữa các nucleon, đều phải có chất mang vật chất. Chúng là những lượng tử trường hạt nhân - pi-meson (pion), do sự trao đổi mà phát sinh lực hút giữa các nucleon.

Theo các nguyên lý của cơ học lượng tử, các meson pi, liên tục xuất hiện và biến mất ngay lập tức, hình thành xung quanh một nucleon “trần trụi” giống như một đám mây gọi là lớp phủ meson (hãy nhớ đến các đám mây electron trong nguyên tử). Khi hai nucleon được bao quanh bởi những lớp phủ như vậy ở khoảng cách khoảng 10 -15 m, sự trao đổi pion xảy ra, tương tự như sự trao đổi electron hóa trị trong nguyên tử trong quá trình hình thành phân tử, và lực hút xuất hiện giữa các nucleon.

Nếu khoảng cách giữa các nucleon nhỏ hơn 0,7∙10 -15 m, thì chúng bắt đầu trao đổi các hạt mới - cái gọi là. ω và ρ-meson, kết quả của chúng không phải là lực hút mà là lực đẩy giữa các nucleon.

Lực hạt nhân: cấu trúc của hạt nhân từ đơn giản nhất đến lớn nhất

Tóm tắt tất cả những điều trên, chúng ta có thể lưu ý:

lực hạt nhân mạnh yếu hơn rất nhiều so với lực điện từ ở khoảng cách lớn hơn nhiều so với kích thước của hạt nhân thông thường, vì vậy chúng ta không gặp phải nó trong cuộc sống hàng ngày; Nhưng
ở khoảng cách ngắn tương đương với hạt nhân, nó trở nên mạnh hơn nhiều - lực hút (với điều kiện khoảng cách không quá ngắn) có thể thắng được lực đẩy điện giữa các proton.

Vì vậy, lực này chỉ quan trọng ở khoảng cách tương đương với kích thước của hạt nhân. Hình dưới đây cho thấy sự phụ thuộc của nó vào khoảng cách giữa các nucleon.

Các hạt nhân lớn được giữ với nhau bởi ít nhiều cùng một lực giữ các deuteron lại với nhau, nhưng các chi tiết của quá trình này phức tạp đến mức không dễ mô tả. Họ cũng không được hiểu đầy đủ. Mặc dù những nét phác thảo cơ bản của vật lý hạt nhân đã được hiểu rõ trong nhiều thập kỷ, nhưng nhiều chi tiết quan trọng vẫn đang được nghiên cứu tích cực.

Lực hạt nhân tạo ra lực hấp dẫn- điều này xuất phát từ thực tế về sự tồn tại của các hạt nhân ổn định bao gồm các proton và neutron.

Lực hạt nhân có độ lớn tuyệt đối. Tác dụng của chúng ở khoảng cách ngắn vượt xa đáng kể tác dụng của tất cả các lực được biết đến trong tự nhiên, bao gồm cả lực điện từ.

Cho đến nay chúng ta biết bốn loại tương tác:

a) tương tác mạnh (hạt nhân);

b) tương tác điện từ;

c) tương tác yếu, đặc biệt được quan sát rõ ràng ở các hạt không biểu hiện tương tác mạnh và tương tác điện từ (neutrino);

d) tương tác hấp dẫn.

Có thể thu được sự so sánh các lực của các loại tương tác này bằng cách sử dụng một hệ đơn vị trong đó các hằng số tương tác đặc trưng tương ứng với các lực này (bình phương của “điện tích”) là không thứ nguyên.

Do đó, đối với tương tác bên trong hạt nhân gồm hai nucleon sở hữu tất cả các lực này, các hằng số tương tác có thứ tự:

Lực hạt nhân đảm bảo cho sự tồn tại của hạt nhân. Điện từ - nguyên tử và phân tử. Năng lượng liên kết trung bình của một nucleon trong hạt nhân bằng đâu là năng lượng nghỉ của nucleon. Năng lượng liên kết của một electron trong nguyên tử hydro chỉ tức là năng lượng nghỉ của electron ở đâu. Do đó, ở thang đo này, năng lượng liên kết có liên quan dưới dạng hằng số đặc trưng:

Tương tác yếu chịu trách nhiệm cho những hiệu ứng tinh vi như sự biến đổi lẫn nhau thông qua sự phân rã và bắt giữ (xem § 19), đối với các phân rã khác nhau của các hạt cơ bản, cũng như đối với mọi quá trình tương tác của neutrino với vật chất.

Sự ổn định của các thiên thể và hệ thống vũ trụ có liên quan đến tương tác hấp dẫn.

Lực tương tác của loại thứ hai và thứ tư giảm theo khoảng cách, tức là khá chậm và do đó có tầm xa. Tương tác của loại thứ nhất và thứ ba giảm rất nhanh theo khoảng cách và do đó có phạm vi ngắn.

Lực hạt nhân có tầm ngắn. Suy ra sau: a) từ thí nghiệm của Rutherford về sự tán xạ của hạt - bởi hạt nhân nhẹ (đối với khoảng cách vượt quá cm, kết quả thí nghiệm

được giải thích bằng tương tác Coulomb thuần túy của hạt - với hạt nhân, nhưng ở khoảng cách nhỏ hơn, sự sai lệch so với định luật Coulomb xảy ra do lực hạt nhân. Theo đó, phạm vi hoạt động của lực hạt nhân trong mọi trường hợp đều nhỏ hơn

b) từ việc nghiên cứu sự phân rã của hạt nhân nặng (xem § 15);

c) từ các thí nghiệm về sự tán xạ neutron bởi proton và proton bởi proton.

Chúng ta hãy xem xét chúng chi tiết hơn một chút.

Cơm. 17. Mục tiêu hạt và tán xạ

Ở năng lượng neutron thấp, sự tán xạ của chúng ở tâm hệ quán tính là đẳng hướng. Thật vậy, một hạt cổ điển có động lượng sẽ “bắt” được một mục tiêu tán xạ có bán kính tác dụng của lực hạt nhân nếu nó bay ở những khoảng cách nhỏ hơn, tức là nếu thành phần xung lượng góc của nó theo hướng vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo không vượt quá núi (Hình 17).

Nhưng theo hệ thức de Broglie đối với một hạt tới, do đó,

Tuy nhiên, giá trị cực đại của hình chiếu động lượng quỹ đạo của hạt chỉ có thể bằng Do đó

Do đó, với giá trị của a, hàm sóng mô tả trạng thái của hệ là đối xứng cầu trong c. c. tức là trong hệ thống này sự tán xạ phải đẳng hướng.

Khi đó sự tán xạ sẽ không còn đẳng hướng nữa. Bằng cách giảm năng lượng của neutron tới và do đó tăng nó lên, người ta có thể tìm thấy giá trị của nó tại đó đạt được đẳng hướng tán xạ. Điều này cung cấp một ước tính về phạm vi của lực hạt nhân.

Năng lượng neutron cực đại mà tại đó người ta vẫn quan sát thấy sự tán xạ đối xứng hình cầu bằng. Điều này giúp xác định giới hạn trên của bán kính tác dụng của lực hạt nhân hóa ra là bằng cm;

Hơn nữa, khi dòng proton bị phân tán trên bia proton, người ta có thể tính được giá trị kỳ vọng của tiết diện hiệu dụng của quá trình nếu chỉ có lực Coulomb tác dụng. Tuy nhiên, khi các hạt đến rất gần nhau, lực hạt nhân bắt đầu chiếm ưu thế.

phía trên Coulomb, và sự phân bố của các proton phân tán thay đổi.

Từ những thí nghiệm như vậy người ta thấy rằng lực hạt nhân giảm mạnh khi khoảng cách giữa các proton tăng lên. Diện tích tác dụng của chúng cực kỳ nhỏ và cũng có độ lớn cỡ cm. Thật không may, kết quả thí nghiệm về sự tán xạ của các nucleon năng lượng thấp không cung cấp thông tin về định luật biến thiên của lực hạt nhân theo khoảng cách. Hình dạng chi tiết của giếng tiềm năng vẫn chưa chắc chắn.

Các thí nghiệm nghiên cứu tính chất của hai nucleon liên kết trong hạt nhân deuteron cũng không cho phép chúng ta thiết lập một cách rõ ràng định luật biến đổi thế năng của trường lực hạt nhân theo khoảng cách. Nguyên nhân nằm ở bán kính tác dụng nhỏ bất thường của lực hạt nhân và độ lớn của chúng trong bán kính tác dụng rất lớn. Là phép tính gần đúng đầu tiên cho thế mô tả các tính chất của deuteron, chúng ta có thể lấy một phạm vi khá rộng các hàm khác nhau, các hàm này sẽ giảm khá nhanh theo khoảng cách.

Ví dụ, dữ liệu thử nghiệm gần như được thỏa mãn bởi các hàm sau.

Cơm. 18. Các hình dạng có thể có của giếng thế deuteron: a - giếng hình chữ nhật; giếng hàm mũ; c là hình dạng giếng ở thế Yukawa; - ở một điện thế có trung tâm lực đẩy vững chắc

1. Giếng thế hình chữ nhật (Hình 18a):

bán kính tác dụng của lực hạt nhân ở đâu, khoảng cách giữa tâm của hai nucleon tương tác.

2. Hàm số mũ (Hình 18,b):

3. Thế meson Yukawa (Hình 18c):

4. Tiềm năng với một lực đẩy vững chắc ở giữa (Hình 18d):

Một nghiên cứu chi tiết về cấu trúc tán xạ và so sánh với các tính toán lý thuyết ủng hộ dạng sau của các dạng này. Hiện nay, các dạng phức tạp hơn được sử dụng để tính toán, mang lại sự phù hợp tốt hơn với dữ liệu thực nghiệm.

Trong mọi trường hợp, độ sâu của giếng thế vào cỡ vài chục. Giá trị trong trường hợp thế có tâm đẩy là cỡ một phần mười Fermi.

Lực hạt nhân không phụ thuộc vào điện tích của các hạt tương tác. Các lực tương tác giữa hoặc là như nhau. Tính chất này suy ra từ các sự kiện sau đây.

Trong các hạt nhân ổn định nhẹ, khi lực đẩy điện từ vẫn có thể bị bỏ qua, số proton bằng số neutron. Do đó, lực tác dụng giữa chúng bằng nhau, nếu không sẽ có sự dịch chuyển theo một hướng nào đó (hoặc hoặc).

Hạt nhân gương ánh sáng (hạt nhân thu được bằng cách thay thế neutron bằng proton và ngược lại chẳng hạn, có cùng mức năng lượng.

Các thí nghiệm về sự tán xạ neutron bởi proton và proton bởi proton cho thấy độ lớn lực hút hạt nhân của proton với proton và neutron với proton là như nhau.

Tính chất này của lực hạt nhân là cơ bản và cho thấy tính đối xứng sâu sắc tồn tại giữa hai hạt: proton và neutron. Nó được gọi là tính độc lập điện tích (hoặc tính đối xứng) và có thể coi proton và neutron là hai trạng thái của cùng một hạt - nucleon.

Do đó, nucleon có thêm một số mức độ tự do bên trong - điện tích - liên quan đến khả năng tồn tại hai trạng thái: proton và neutron. Điều này tương tự với tính chất spin của các hạt: ngoài chuyển động trong không gian, spin còn là mức độ tự do bên trong của hạt, trong đó electron (hoặc nucleon) chỉ có hai trạng thái khả dĩ. Cơ học lượng tử tuần tự

mô tả về hai bậc tự do này: điện tích và spin - về mặt hình thức là giống nhau. Do đó, theo đó, người ta thường mô tả trực quan mức độ tự do của điện tích bằng cách sử dụng không gian ba chiều thông thường, được gọi là đồng vị và trạng thái của hạt (nucleon) trong không gian này được đặc trưng bởi spin đồng vị, ký hiệu là

Chúng ta hãy xem xét điều này chi tiết hơn một chút, quay trở lại khái niệm spin thông thường.

Giả sử có hai electron, như chúng ta biết, hoàn toàn giống nhau. Cả hai đều có xung lượng góc riêng - spin. Tuy nhiên, hướng quay của chúng không thể được phát hiện. Bây giờ chúng ta hãy đặt chúng trong một từ trường bên ngoài. Theo các định đề cơ bản của cơ học lượng tử, “trục quay” của mỗi hạt chỉ có thể chiếm những vị trí được xác định chặt chẽ so với trường bên ngoài này. Trục quay của các hạt có spin bằng nhau có thể được định hướng dọc theo hoặc hướng về phía của trường (Hình 19). Một hạt có động lượng có thể có các trạng thái; electron có 2 trạng thái Ý nghĩa của phép chiếu spin có thể là. Điều này dẫn đến thực tế là các hạt trong từ trường giờ đây có thể có năng lượng khác nhau và có thể phân biệt chúng với nhau. Điều này cho thấy trạng thái của electron, do đặc tính từ tính của nó, là trạng thái kép.

Nếu không có từ trường bên ngoài thì không có cách nào phân tách hai trạng thái có thể có của một electron; các trạng thái được cho là “thoái hóa” thành các trạng thái không thể phân biệt được.

Tình trạng tương tự cũng xảy ra ở nguyên tử hydro. Để mô tả các trạng thái của nguyên tử, người ta đưa ra một số lượng tử quỹ đạo, số này đặc trưng cho động lượng góc quỹ đạo của các nguyên tử. Một nguyên tử với I nhất định có thể có các trạng thái, vì trong trường bên ngoài chỉ có thể tồn tại các giá trị được xác định rõ ràng của các hình chiếu của I lên hướng của trường (từ - I đến Trong khi không có trường bên ngoài, trạng thái là nhân lên thoái hóa.

Việc phát hiện ra neutron dẫn tới ý tưởng về sự tồn tại của một hiện tượng tương tự như sự thoái hóa từ của electron.

Xét cho cùng, sự độc lập điện tích của lực hạt nhân có nghĩa là trong một tương tác mạnh, proton và neutron hành xử giống như một hạt. Chúng chỉ có thể được phân biệt nếu chúng ta tính đến tương tác điện từ. Nếu chúng ta tưởng tượng rằng bằng cách nào đó đèn LED điện từ có thể bị “tắt” (Hình 20, a), thì proton và neutron sẽ trở thành những hạt không thể phân biệt được và thậm chí khối lượng của chúng sẽ bằng nhau (để biết thêm chi tiết về sự bằng nhau của khối lượng; xem § 12 ). Do đó, lốc xoáy có thể được coi là một "cặp điện tích", trong đó một trạng thái đại diện cho proton và trạng thái còn lại là neutron. Nếu bạn bao gồm các lực điện từ, có điều kiện

được trình bày trong hình. 20b bằng đường chấm chấm thì lực điện phụ thuộc vào điện tích sẽ được cộng vào các lực không phụ thuộc điện tích trước đó.

Cơm. 19. Hướng spin của electron trong từ trường

Cơm. 20. Sự khác biệt giữa proton và neutron do tương tác điện từ

Năng lượng của các hạt tích điện sẽ khác với năng lượng của các hạt trung tính và proton và neutron có thể tách rời nhau. Do đó, khối lượng nghỉ của chúng sẽ không bằng nhau.

Để mô tả trạng thái của một nucleon trong hạt nhân, Heisenberg đã đưa ra một khái niệm hình thức thuần túy về spin đồng vị, bằng cách tương tự với các số lượng tử, sẽ xác định số trạng thái suy biến của một nucleon bằng. Từ “đồng vị” thể hiện thực tế rằng proton và neutron gần nhau về tính chất (đồng vị - nguyên tử có tính chất hóa học giống hệt nhau, khác nhau về số lượng neutron trong hạt nhân).

Từ “spin” trong khái niệm này xuất phát từ sự tương tự toán học thuần túy với spin thông thường của một hạt.

Điều quan trọng cần lưu ý một lần nữa là vectơ cơ lượng tử của spin đồng vị được đưa vào không phải trong không gian thông thường mà trong không gian quy ước, được gọi là không gian đồng vị hoặc không gian điện tích. Cái sau, không giống như các trục thông thường, được chỉ định bởi các trục có điều kiện. Trong không gian này, hạt không thể chuyển động tịnh tiến mà chỉ quay.

Do đó, spin đồng vị nên được coi là một đặc tính toán học giúp phân biệt proton với neutron; về mặt vật lý, chúng có mối quan hệ khác với trường điện từ.

Spin đồng vị của một nucleon bằng nhau và có các thành phần và đối với trục này được ký hiệu là hình chiếu lên trục này. Người ta thường chấp nhận rằng đối với một proton và đối với một neutron, tức là một proton biến đổi thành một neutron khi đồng vị. spin được quay 180° trong không gian đồng vị.

Khi sử dụng kỹ thuật chính thức này, sự phụ thuộc điện tích có dạng định luật bảo toàn: trong quá trình tương tác của các nucleon, tổng spin đồng vị và hình chiếu của nó không thay đổi, tức là.

Định luật bảo toàn này có thể được chính thức coi là hệ quả của sự độc lập của các định luật vật lý với chuyển động quay trong không gian đồng vị. Tuy nhiên, định luật bảo toàn này là gần đúng. Nó có giá trị trong phạm vi lực điện từ có thể bị bỏ qua và có thể bị vi phạm một chút - trong phạm vi tỷ số giữa lực điện từ và lực hạt nhân. Ý nghĩa vật lý của nó là các lực hạt nhân trong các hệ là giống hệt nhau.

Chúng ta sẽ quay lại khái niệm spin đồng vị trong chương về các hạt cơ bản, vì nó mang thêm ý nghĩa.

Lực hạt nhân phụ thuộc vào spin. Sự phụ thuộc của lực hạt nhân vào spin suy ra từ các sự kiện sau.

Cùng một hạt nhân ở các trạng thái có spin khác nhau có năng lượng liên kết khác nhau. Ví dụ, năng lượng liên kết của một deuteron, trong đó các spin song song, bằng nhau; với các spin phản song song, không có trạng thái ổn định nào cả.

Sự tán xạ neutron-proton rất nhạy cảm với hướng quay. Xác suất tương tác giữa neutron và proton được tính toán trên lý thuyết với giả định rằng thế năng tương tác không phụ thuộc vào spin. Hóa ra kết quả thực nghiệm khác với kết quả lý thuyết tới năm lần.

Sự khác biệt sẽ được loại bỏ nếu chúng ta tính đến việc tương tác phụ thuộc vào hướng tương đối của các spin.

Sự phụ thuộc của lực hạt nhân vào hướng spin được thể hiện trong các thí nghiệm về tán xạ neutron trên các phân tử ortho và para-hydro.

Thực tế là có hai loại phân tử hydro: trong phân tử ortho-hydro, spin của hai proton song song với nhau, tổng spin bằng 1 và có thể có ba hướng (gọi là trạng thái bộ ba); trong phân tử para-hydro, các spin phản song song, tổng spin bằng 0 và có thể tồn tại một trạng thái duy nhất (còn gọi là trạng thái singlet),

Tỷ lệ giữa số lượng phân tử ortho- và para-hydro ở nhiệt độ phòng là Tỷ lệ này được xác định bởi số lượng trạng thái có thể có.

Năng lượng của trạng thái para mặt đất thấp hơn năng lượng của trạng thái orgo mặt đất. Ở nhiệt độ thấp, các phân tử ortho-hydro biến đổi thành phân tử para-hydro. Khi có chất xúc tác, quá trình biến đổi này diễn ra khá nhanh và có thể thu được hydro lỏng ở trạng thái tinh khiết của para-hydro. Trong trường hợp

sự tán xạ neutron trên ortho-hydrogen, spin của neutron hoặc song song với spin của cả hai proton, hoặc phản song song với cả hai; tức là có cấu hình:

Khi bị tán xạ bởi para-hydrogen, spin của neutron luôn song song với spin của một proton và phản song song với spin của proton kia; Bất kể hướng của phân tử para-hydro, cấu hình có đặc điểm

Cơm. 21 Sự tán xạ neutron trên phân tử hydro

Chúng ta hãy coi sự tán xạ như một quá trình sóng. Nếu sự tán xạ phụ thuộc vào sự định hướng lẫn nhau của các spin thì hiệu ứng giao thoa quan sát được của sóng neutron bị tán xạ bởi cả hai proton sẽ khác nhau đáng kể đối với các quá trình tán xạ trên các phân tử ortho và para-hydro.

Năng lượng của neutron phải là bao nhiêu để có thể nhận thấy được sự khác biệt về tán xạ? Trong phân tử, proton nằm ở khoảng cách lớn hơn nhiều lần bán kính tác dụng của lực hạt nhân. cm Do đó, do tính chất sóng của neutron nên quá trình tán xạ có thể xảy ra đồng thời trên cả hai proton nếu (Hình 21). Sóng de Broglie cần thiết cho việc này

đối với neutron có khối lượng tương đương với năng lượng

Lực hạt nhân có tính chất bão hòa. Như đã đề cập ở § 4, tính chất bão hòa của lực hạt nhân được biểu hiện ở chỗ năng lượng liên kết của hạt nhân tỷ lệ thuận với số lượng nucleon trong hạt nhân - A, chứ không phải

Đặc điểm này của lực hạt nhân cũng xuất phát từ tính ổn định của hạt nhân nhẹ. Chẳng hạn, không thể thêm ngày càng nhiều hạt mới vào deuteron; chỉ có một sự kết hợp như vậy với một neutron-tritium bổ sung được biết đến. Do đó, một proton có thể hình thành các trạng thái liên kết với không quá hai neutron.

Để giải thích độ bão hòa Heisenberg, người ta cho rằng lực hạt nhân có bản chất trao đổi.

Lực hạt nhân có tính chất trao đổi. Lần đầu tiên, bản chất trao đổi của lực liên kết hóa học được thiết lập: liên kết được hình thành do sự chuyển electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Lực điện từ cũng có thể được phân loại là lực trao đổi: sự tương tác của các điện tích được giải thích là do chúng trao đổi lượng tử y. Tuy nhiên, trong trường hợp này không có sự bão hòa, vì sự trao đổi lượng tử y không làm thay đổi tính chất của từng hạt.

Tính chất trao đổi của lực hạt nhân được thể hiện ở chỗ trong quá trình va chạm, các nucleon có thể truyền cho nhau các đặc tính như điện tích, hình chiếu spin và các đặc tính khác.

Bản chất trao đổi được xác nhận bằng nhiều thí nghiệm khác nhau, ví dụ, bằng kết quả đo sự phân bố góc của neutron năng lượng cao khi chúng bị phân tán bởi proton. Hãy xem xét điều này chi tiết hơn.

Trong vật lý hạt nhân, năng lượng được gọi là cao khi sóng de Broglie của hạt thỏa mãn hệ thức tức là

Đối với nucleon, bước sóng de Broglie liên hệ với động năng theo phương trình

và do đó, động năng của một nucleon có thể được gọi là cao nếu nó lớn hơn đáng kể

Cơ học lượng tử cho phép thu được sự phụ thuộc của tiết diện tán xạ hiệu dụng vào năng lượng của neutron tới và góc tán xạ nếu biết thế năng tương tác.

Các tính toán cho thấy đối với một điện thế như giếng hình chữ nhật, mặt cắt tán xạ sẽ thay đổi tùy thuộc vào năng lượng của các hạt, cũng như bản thân sự tán xạ sẽ xảy ra trong một góc nhỏ. Do đó, sự phân bố góc của neutron tán xạ ở tâm của giếng. hệ quán tính phải có cực đại theo hướng chuyển động của chúng và sự phân bố của proton giật lùi phải có cực đại theo hướng ngược lại.

Về mặt thực nghiệm, không chỉ một đỉnh trong phân bố góc hướng về phía trước mà cả một đỉnh thứ hai theo hướng ngược lại cũng được phát hiện đối với neutron (Hình 22).

Cơm. 22. Sự phụ thuộc của tiết diện vi phân tán xạ neutron vào proton vào góc tán xạ

Các kết quả thí nghiệm chỉ có thể được giải thích bằng cách giả sử rằng lực trao đổi tác dụng giữa các nucleon và trong quá trình tán xạ, neutron và proton trao đổi điện tích của chúng, tức là sự tán xạ xảy ra với “trao đổi điện tích”. Trong trường hợp này, một phần neutron biến thành proton và người ta quan sát thấy proton bay theo hướng của neutron tới, gọi là proton trao đổi điện tích. Đồng thời, một phần proton biến thành neutron và được ghi nhận là neutron phân tán trở lại s.

Vai trò tương đối của lực trao đổi và lực thông thường được xác định bằng tỉ số giữa số neutron bay lùi và số neutron bay về phía trước.

Dựa trên cơ học lượng tử, có thể chứng minh rằng sự tồn tại của lực trao đổi luôn dẫn đến hiện tượng bão hòa, vì một hạt không thể tương tác thông qua trao đổi với nhiều hạt cùng một lúc.

Tuy nhiên, một nghiên cứu chi tiết hơn về các thí nghiệm về tán xạ nucleon-nucleon cho thấy rằng mặc dù lực tương tác thực sự có bản chất trao đổi, nhưng sự kết hợp giữa thế năng thông thường với thế năng trao đổi đến mức nó không thể giải thích đầy đủ sự bão hòa. Một tính chất khác của lực hạt nhân cũng được phát hiện. Hóa ra là nếu ở những khoảng cách lớn giữa các nucleon lực hút chủ yếu tác dụng, thì khi các nucleon đến gần nhau (ở khoảng cách cỡ cm), sẽ xảy ra lực đẩy mạnh. Điều này có thể được giải thích là do sự có mặt của các lõi trong các nucleon đẩy nhau.

Các tính toán cho thấy chính những lõi này là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng bão hòa. Về vấn đề này, rõ ràng, tương tác hạt nhân phải được đặc trưng bởi một điện thế không đồng nhất giống như một giếng hình chữ nhật (Hình. một hàm phức tạp có đặc điểm ở khoảng cách nhỏ (Hình 18d).

Hạt nhân nguyên tử, gồm một số proton và neutron nhất định, là một tổng thể duy nhất do các lực đặc trưng tác dụng giữa các nucleon của hạt nhân và được gọi là hạt nhân. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng lực hạt nhân có giá trị rất lớn, lớn hơn rất nhiều so với lực đẩy tĩnh điện giữa các proton. Điều này được thể hiện ở chỗ năng lượng liên kết riêng của các nucleon trong hạt nhân lớn hơn nhiều so với công do lực đẩy Coulomb thực hiện. Chúng ta hãy xem xét các tính năng chính của lực hạt nhân.

1. Lực hạt nhân là lực hấp dẫn tầm ngắn . Chúng chỉ xuất hiện ở những khoảng cách rất nhỏ giữa các nucleon trong hạt nhân cỡ 10–15 m. Khoảng cách cỡ (1,5 – 2,2)·10–15 m được gọi là bán kính tác dụng của lực hạt nhân với độ tăng của nó; , lực hạt nhân giảm nhanh. Ở khoảng cách cỡ (2-3) m, thực tế không có tương tác hạt nhân giữa các nucleon.

Bản chất phức tạp của lực hạt nhân không cho phép phát triển một lý thuyết thống nhất và duy nhất về tương tác hạt nhân, mặc dù nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được đề xuất. Theo giả thuyết của nhà vật lý Nhật Bản H. Yukawa mà ông đề xuất vào năm 1935, lực hạt nhân là do sự trao đổi - meson, tức là. các hạt cơ bản có khối lượng nhỏ hơn khối lượng nucleon khoảng 7 lần. Theo mô hình này, một nucleon trong thời gian tôi- khối lượng meson) phát ra một meson, di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, bao phủ một khoảng cách , sau đó nó được hấp thụ bởi nucleon thứ hai. Ngược lại, nucleon thứ hai cũng phát ra meson, hạt này được hạt thứ nhất hấp thụ. Do đó, trong mô hình của H. Yukawa, khoảng cách tại đó các nucleon tương tác được xác định bởi độ dài đường truyền meson, tương ứng với khoảng cách khoảng tôi và độ lớn trùng với bán kính tác dụng của lực hạt nhân.

Chúng ta hãy chuyển sang xem xét tương tác trao đổi giữa các nucleon. Có các meson dương, âm và trung tính. Môđun điện tích - hoặc - meson bằng số lượng điện tích cơ bản e. Khối lượng của các meson tích điện bằng nhau và bằng (140 MeV), khối lượng meson là 264 (135 MeV). Spin của cả meson tích điện và trung tính đều bằng 0. Cả ba hạt đều không ổn định. Thời gian sống của - và - meson là 2,6 Với, - meson – 0,8·10 -16 Với. Sự tương tác giữa các nucleon được thực hiện theo một trong các sơ đồ sau:

(22.7)
1. Meson trao đổi nucleon:

2. Meson trao đổi nucleon:

3. Meson trao đổi nucleon:

. (22.10)

Các mô hình hạt nhân Việc thiếu định luật toán học về lực hạt nhân không cho phép tạo ra một lý thuyết thống nhất về hạt nhân. Những nỗ lực tạo ra một lý thuyết như vậy gặp phải những khó khăn nghiêm trọng. Dưới đây là một số trong số họ:

1. Thiếu hiểu biết về lực tác dụng giữa các nucleon.

2. Tính cực kỳ phức tạp của bài toán lượng tử nhiều vật (hạt nhân có số khối MỘT là một hệ thống MỘTđiện thoại).

Những khó khăn này buộc chúng ta phải đi theo con đường tạo ra các mô hình hạt nhân có thể mô tả một tập hợp các tính chất hạt nhân nhất định bằng các phương tiện toán học tương đối đơn giản. Không có mô hình nào trong số này có thể đưa ra mô tả chính xác tuyệt đối về hạt nhân. Vì vậy, bạn phải sử dụng một số mô hình.

Dưới mô hình hạt nhân trong vật lý hạt nhân, họ hiểu một tập hợp các giả định vật lý và toán học mà nhờ đó có thể tính toán các đặc tính của hệ thống hạt nhân bao gồm MỘT nucleon. Nhiều mô hình có mức độ phức tạp khác nhau đã được đề xuất và phát triển. Chúng tôi sẽ chỉ xem xét nổi tiếng nhất trong số họ.

Mô hình thủy động lực (nhỏ giọt) của lõiđược phát triển vào năm 1939. N. Bohr và nhà khoa học Liên Xô J. Frenkel. Nó dựa trên giả định rằng, do mật độ nucleon trong hạt nhân cao và sự tương tác cực kỳ mạnh giữa chúng, nên chuyển động độc lập của từng nucleon là không thể và hạt nhân là một giọt chất lỏng tích điện có mật độ . Giống như một giọt chất lỏng thông thường, bề mặt của lõi có thể dao động. Nếu biên độ dao động đủ lớn thì quá trình phân hạch hạt nhân sẽ xảy ra. Mô hình giọt nước giúp có thể thu được công thức tính năng lượng liên kết của các nucleon trong hạt nhân và giải thích cơ chế của một số phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, mô hình này không giải thích được hầu hết phổ kích thích của hạt nhân nguyên tử và tính ổn định đặc biệt của một số chúng. Điều này là do mô hình thủy động lực phản ánh rất gần đúng bản chất của cấu trúc bên trong lõi.

Mô hình vỏ của hạt nhân được phát triển vào những năm 1940-1950 bởi nhà vật lý người Mỹ M. Geppert - Mayer và nhà vật lý người Đức H. Jensen. Nó giả định rằng mỗi nucleon chuyển động độc lập với các nucleon khác trong một trường thế trung bình nào đó (giếng thế được tạo ra bởi các nucleon còn lại của hạt nhân. Trong khuôn khổ mô hình vỏ, hàm số không được tính toán mà được chọn sao cho phù hợp nhất với dữ liệu thực nghiệm có thể đạt được.

Độ sâu của giếng tiềm năng thường là ~ (40-50) MeV và không phụ thuộc vào số lượng nucleon trong hạt nhân. Theo lý thuyết lượng tử, các nucleon trong một trường có những mức năng lượng riêng biệt nhất định. Giả định chính của những người tạo ra mô hình vỏ về chuyển động độc lập của các nucleon trong một trường thế năng trung bình mâu thuẫn với các quy định cơ bản của các nhà phát triển mô hình thủy động lực học. Do đó, các đặc tính của lõi được mô tả tốt bằng mô hình thủy động lực học (ví dụ giá trị năng lượng liên kết) không thể giải thích được trong khuôn khổ mô hình vỏ và ngược lại.

Mô hình hạt nhân tổng quát , được phát triển vào năm 1950-1953, kết hợp các quy định chính của những người tạo ra mô hình thủy động lực và mô hình vỏ. Trong mô hình tổng quát, người ta cho rằng hạt nhân bao gồm một phần ổn định bên trong - lõi, được hình thành bởi các nucleon của lớp vỏ chứa đầy và các nucleon bên ngoài chuyển động trong trường do các nucleon của lõi tạo ra. Về vấn đề này, chuyển động của lõi được mô tả bằng mô hình thủy động lực và chuyển động của các nucleon bên ngoài bằng mô hình vỏ. Do tương tác với các nucleon bên ngoài, lõi có thể bị biến dạng và lõi có thể quay quanh một trục vuông góc với trục biến dạng. Mô hình tổng quát giúp giải thích các đặc điểm chính của quang phổ quay và dao động của hạt nhân nguyên tử, cũng như các giá trị cao của mômen điện tứ cực của một số hạt nhân nguyên tử.

Chúng tôi đã xem xét những hiện tượng học chính, tức là. mô hình hạt nhân, mô tả. Tuy nhiên, để hiểu đầy đủ bản chất của các tương tác hạt nhân quyết định tính chất và cấu trúc của hạt nhân, cần phải xây dựng một lý thuyết trong đó hạt nhân có thể được coi là một hệ thống các nucleon tương tác.