به چه ویژگی نیروهای هسته ای استقلال شارژ می گویند. خواص نیروهای هسته ای

در فیزیک ، مفهوم "نیرو" نشان دهنده میزان تعامل سازندهای مادی با یکدیگر ، از جمله تعامل قسمتهای ماده (اجسام ماکروسکوپی ، ذرات بنیادی) با یکدیگر و با میدانهای فیزیکی (الکترومغناطیسی ، گرانشی) است. در مجموع ، چهار نوع فعل و انفعال در طبیعت شناخته شده است: قوی ، ضعیف ، الکترومغناطیسی و گرانشی ، و هر کدام نوع نیروهای خود را دارند. اولین آنها مربوط به نیروهای هسته ای است که در داخل هسته های اتمی عمل می کنند.

چه چیزی هسته ها را متحد می کند؟

به طور کلی مشخص است که هسته یک اتم کوچک است ، چهار تا پنج مرتبه اعشاری از اندازه کوچکتر از اندازه خود اتم است. در این زمینه ، یک سوال واضح مطرح می شود: چرا اینقدر کوچک است؟ به هر حال ، اتم های متشکل از ذرات ریز ، هنوز بسیار بزرگتر از ذراتی هستند که در خود دارند.

در مقابل ، اندازه هسته ها تفاوت چندانی با نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) که از آنها ساخته شده اند ، ندارند. آیا دلیلی برای این امر وجود دارد یا تصادفی است؟

در همین حال ، شناخته شده است که این نیروهای الکتریکی هستند که الکترونهای با بار منفی را در نزدیک هسته های اتمی نگه می دارند. نیرو یا نیروهایی که ذرات هسته را در کنار هم نگه می دارند چیست؟ این وظیفه توسط نیروهای هسته ای انجام می شود ، که اندازه گیری فعل و انفعالات قوی است.

نیروی هسته ای قوی

اگر فقط نیروی گرانشی و الکتریکی در طبیعت وجود داشت ، به عنوان مثال آنهایی که در زندگی روزمره با آنها روبرو می شویم ، سپس هسته های اتمی ، که اغلب از پروتون های دارای بار مثبت مثبت تشکیل شده اند ، ناپایدار خواهند بود: نیروهای الکتریکی که پروتون ها را از هم دور می کنند ، میلیون ها بار قوی تر از هر نیروی گرانشی است که آنها را به سمت یکدیگر جذب می کند. نیروهای هسته ای جاذبه ای حتی قوی تر از دافعه الکتریکی ایجاد می کنند ، اگرچه فقط سایه ای از بزرگی واقعی آنها در ساختار هسته ظاهر می شود. وقتی ساختار خود پروتون ها و نوترون ها را مطالعه می کنیم ، امکانات واقعی پدیده ای را می بینیم که به عنوان برهمکنش قوی هسته ای شناخته می شود. نیروهای هسته ای مظهر آن هستند.

شکل بالا نشان می دهد که دو نیروی متضاد در هسته ، دافعه الکتریکی بین پروتون های دارای بار مثبت و نیروی هسته ای است که پروتون ها (و نوترون ها) را به هم می کشاند. اگر تعداد پروتون ها و نوترون ها زیاد متفاوت نباشد ، نیروهای دوم نسبت به اول برتری دارند.

آیا پروتون ها آنالوگ اتم ها و هسته آنالوگ مولکول ها هستند؟

نیروهای هسته ای بین کدام ذرات عمل می کنند؟ اول از همه ، بین نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) در هسته. در نهایت ، آنها همچنین بین ذرات (کوارک ، گلئون ، آنتی کوارک) در داخل پروتون یا نوترون عمل می کنند. وقتی تشخیص دهیم که پروتون ها و نوترون ها بطور ذاتی پیچیده هستند ، این تعجب آور نیست.

در یک اتم ، هسته های کوچک و حتی الکترون های کوچکتر نسبت به اندازه آنها نسبتاً از هم فاصله دارند و نیروهای الکتریکی که آنها را در اتم نگه می دارد بسیار ساده است. اما در مولکولها ، فاصله بین اتمها با اندازه اتمها قابل مقایسه است ، بنابراین پیچیدگی ذاتی مورد دوم مطرح می شود. وضعیت متنوع و پیچیده ناشی از جبران جزئی نیروهای الکتریکی درون اتمی باعث ایجاد فرایندهایی می شود که در آنها الکترونها در واقع می توانند از اتمی به اتم دیگر حرکت کنند. این امر فیزیک مولکول ها را بسیار غنی تر و پیچیده تر از اتم ها می کند. به همین ترتیب ، فاصله پروتونها و نوترونها در یک هسته با اندازه آنها قابل مقایسه است - و درست مانند مولکولها ، خواص نیروهای هسته ای که هسته ها را در کنار هم نگه می دارند بسیار پیچیده تر از جذب پروتون و نوترون است.

به جز هیدروژن هیچ هسته ای بدون نوترون وجود ندارد

مشخص است که هسته برخی از عناصر شیمیایی پایدار است ، در حالی که در برخی دیگر به طور مداوم پوسیده می شوند و دامنه سرعت این پوسیدگی بسیار گسترده است. چرا نیروهایی که نوکلئون ها را در هسته ها نگه می دارند از کار می افتند؟ بیایید ببینیم از ملاحظات ساده در مورد خواص نیروهای هسته ای چه می توانیم یاد بگیریم.

یکی این است که همه هسته ها ، به استثنای فراوان ترین ایزوتوپ هیدروژن (که فقط یک پروتون دارد) ، حاوی نوترون هستند. یعنی هیچ هسته ای با چندین پروتون که نوترون نداشته باشند وجود ندارد (شکل زیر را ببینید). بنابراین واضح است که نوترون ها نقش مهمی در کمک به چسبیدن پروتون ها دارند.

در شکل موارد فوق هسته های پایدار در نور یا تقریبا پایدار را به همراه نوترون نشان می دهد. دومی ، مانند تریتیوم ، با یک خط نقطه نشان داده شده است ، که نشان می دهد آنها در نهایت پوسیده می شوند. ترکیبات دیگر با تعداد کمی پروتون و نوترون اصلاً هسته تشکیل نمی دهند یا هسته های بسیار ناپایدار را تشکیل می دهند. علاوه بر این ، نامهای جایگزین اغلب برای برخی از این اشیاء به صورت کج نشان داده می شود. به عنوان مثال ، هسته هلیوم -4 اغلب به عنوان ذره آلفا نامیده می شود ، نامی که در ابتدا در اولین مطالعات رادیواکتیویته در دهه 1890 کشف شد.

نوترونها به عنوان چوپانهای پروتون

برعکس ، هیچ هسته ای فقط از نوترونهای بدون پروتون ساخته نشده است. بیشتر هسته های سبک مانند اکسیژن و سیلیکون تقریباً تعداد نوترون و پروتون یکسانی دارند (شکل 2). هسته های بزرگ با جرمهای بزرگ ، مانند طلا و رادیوم ، نوترون کمی بیشتر از پروتون دارند.

این دو چیز می گوید:

1. نه تنها برای نگهداری پروتون ها به نوترون ها نیاز است ، بلکه برای نگه داشتن نوترون ها در کنار هم به پروتون ها نیز نیاز است.

2- اگر تعداد پروتونها و نوترونها بسیار زیاد شد ، پس دافع الکتریکی پروتونها باید با افزودن چند نوترون اضافی جبران شود.

آخرین جمله در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل بالا هسته های اتمی پایدار و تقریبا پایدار را به صورت تابعی از P (تعداد پروتون ها) و N (تعداد نوترون ها) نشان می دهد. خط نشان داده شده با نقاط سیاه نشان دهنده هسته های پایدار است. هرگونه تغییر از خط سیاه به بالا یا پایین به معنی کاهش عمر هسته ها است - در نزدیکی آن ، عمر هسته ها میلیون ها سال یا بیشتر است ، زیرا آنها به سمت داخل مناطق آبی ، قهوه ای یا زرد حرکت می کنند (رنگهای مختلف مربوط به مکانیسم های مختلف فروپاشی هسته ای) ، عمر آنها کوتاهتر می شود ، تا کسری از ثانیه.

توجه داشته باشید که هسته های پایدار دارای P و N تقریباً برای P و N کوچک هستند ، اما N به تدریج بیش از 1.5 برابر P بزرگتر می شود. ما همچنین توجه داریم که گروه هسته های ناپایدار پایدار و طولانی مدت برای همه مقادیر P تا 82 در یک باند باریک باقی می ماند. با تعداد زیادی از آنها ، هسته های شناخته شده در اصل ناپایدار هستند (اگرچه می توانند برای میلیون ها سال) ظاهراً سازوکار فوق الذکر تثبیت پروتون ها در هسته ها به دلیل افزودن نوترون به آنها در این ناحیه ، کارایی صد درصدی ندارد.

اندازه اتم به جرم الکترون های آن بستگی دارد

نیروهای در نظر گرفته شده چگونه بر ساختار هسته اتمی تأثیر می گذارند؟ نیروهای هسته ای در درجه اول بر اندازه آن تأثیر می گذارند. چرا هسته ها در مقایسه با اتم ها بسیار کوچک هستند؟ برای فهمیدن این موضوع ، بیایید از ساده ترین هسته شروع کنیم که دارای پروتون و نوترون است: این دومین ایزوتوپ رایج هیدروژن است که اتم آن شامل یک الکترون (مانند همه ایزوتوپهای هیدروژن) و هسته ای از یک پروتون و یک نوترون است. به این ایزوتوپ اغلب "دوتریوم" و هسته آن (شکل 2 را ببینید) گاهی "دوترون" نامیده می شود. چگونه می توانیم آنچه دوترون را در کنار هم نگه داشته است توضیح دهیم؟ خوب ، می توانید تصور کنید که تفاوت چندانی با یک اتم هیدروژن معمولی ندارد ، که شامل دو ذره (یک پروتون و یک الکترون) است.

در شکل در بالا نشان داده شد که در اتم هیدروژن هسته و الکترون بسیار از یکدیگر فاصله دارند ، به این معنا که اتم بسیار بزرگتر از هسته است (و الکترون حتی کوچکتر است.) اما در دیترون فاصله بین پروتون و نوترون با اندازه آنها قابل مقایسه است. این تا حدی توضیح می دهد که چرا نیروهای هسته ای بسیار پیچیده تر از نیروهای موجود در اتم هستند.

مشخص است که الکترونها در مقایسه با پروتونها و نوترونها جرم کمی دارند. از این رو نتیجه می گیرد که

جرم یک اتم اساساً نزدیک به جرم هسته آن است ،
اندازه یک اتم (اساساً اندازه یک ابر الکترون) با جرم الکترون ها نسبت عکس دارد و با کل نیروی الکترومغناطیسی نسبت عکس دارد. اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم نقش تعیین کننده ای دارد.

و اگر نیروهای هسته ای مشابه الکترومغناطیس باشند

دوترون چطور؟ مانند یک اتم ، از دو جسم ساخته شده است ، اما جرم آنها تقریباً یکسان است (جرم نوترون و پروتون فقط در حدود یک قسمت 1500 ام متفاوت است) ، بنابراین هر دو ذره در تعیین جرم جرم به یک اندازه مهم هستند. دوترون و اندازه آن ... حال فرض کنید نیروی هسته ای پروتون را به همان شکل نیروهای الکترومغناطیسی به سمت نوترون می کشد (این کاملا درست نیست ، اما تصور کنید ، برای لحظه ای). و سپس ، به قیاس با هیدروژن ، انتظار داریم اندازه دوترون با عکس جرم پروتون یا نوترون ، عکس معکوس و با اندازه نیروی هسته ای معکوس باشد. اگر قدر آن (در فاصله معینی) نیروی الکترومغناطیسی بود ، این بدان معناست که چون پروتون حدود 1850 بار از الکترون سنگین تر است ، دوترون (و در واقع هر هسته ای) باید حداقل هزار بار باشد. کوچکتر از هیدروژن

آنچه با در نظر گرفتن تفاوت قابل توجه بین نیروهای هسته ای و الکترومغناطیسی به دست می آید

اما ما قبلاً حدس زده بودیم که نیروی هسته ای بسیار بیشتر از نیروی الکترومغناطیسی (در همان فاصله) است ، زیرا اگر اینطور نباشد ، نمی تواند مانع از دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون ها شود تا زمانی که هسته پوسیده شود. بنابراین پروتون و نوترون تحت تأثیر آن با چگالی بیشتری به هم نزدیک می شوند. و بنابراین تعجب آور نیست که دوترون و سایر هسته ها فقط یک هزار نفر نیستند ، بلکه صد هزار برابر کمتر از اتم ها هستند! باز هم ، این فقط به این دلیل است

پروتون ها و نوترون ها تقریباً 2000 برابر سنگین تر از الکترون ها هستند ،
در این فواصل ، نیروی هسته ای بزرگ بین پروتون ها و نوترون ها در هسته چندین برابر بیشتر از نیروهای الکترومغناطیسی مربوطه است (از جمله دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون ها در هسته.)

این حدس ساده لوحانه تقریباً صحیح جواب می دهد! اما این به طور کامل پیچیدگی تعامل بین پروتون و نوترون را نشان نمی دهد. یکی از مشکلات آشکار این است که نیرویی شبیه به الکترومغناطیس ، اما با قابلیت جذابیت یا دافعه بیشتر ، باید به وضوح در زندگی روزمره خود را نشان دهد ، اما ما چنین چیزی نمی بینیم. بنابراین چیزی در این نیرو باید با نیروهای الکتریکی متفاوت باشد.

برد کوتاه انرژی هسته ای

آنچه آنها را متمایز می کند این است که نیروهای هسته ای که هسته اتمی را از پوسیدگی باز می دارند برای پروتون ها و نوترون هایی که در فاصله بسیار کمی از یکدیگر اما در فاصله معینی قرار دارند (و به اصطلاح "برد" نیرو) بسیار مهم و بزرگ هستند. ) ، آنها بسیار سریع سقوط می کنند ، بسیار سریعتر از الکترومغناطیس. به نظر می رسد این محدوده همچنین می تواند به اندازه یک هسته نسبتاً بزرگ باشد که فقط چندین برابر بزرگتر از یک پروتون است. اگر پروتون و نوترون را در مساوی قابل مقایسه با این برد قرار دهید ، آنها جذب یکدیگر می شوند و یک دیتون را تشکیل می دهند. اگر آنها در فاصله بیشتری پخش شوند ، به سختی می توانند جاذبه ای را احساس کنند. در واقع ، اگر آنها را خیلی نزدیک به هم قرار دهید ، به طوری که شروع به همپوشانی کنند ، در واقع یکدیگر را دفع خواهند کرد. اینجاست که پیچیدگی چنین مفهومی به عنوان نیروهای هسته ای خود را نشان می دهد. فیزیک به طور مستمر در جهت توضیح مکانیسم عمل خود توسعه می یابد.

مکانیسم فیزیکی برهمکنش هسته ای

هر فرآیند مادی ، از جمله برهم کنش بین نوکلئون ها ، باید دارای حامل های مواد باشد. آنها کوانتومهای میدان هسته ای - پی مزون (پیون) هستند ، که به دلیل تبادل آنها بین نوکلئونها جاذبه ایجاد می شود.

بر اساس اصول مکانیک کوانتومی ، پی مزون ها ، که گاه و بیگاه ظاهر می شوند و بلافاصله ناپدید می شوند ، در اطراف نوکلئون "برهنه" چیزی شبیه ابری به نام پوشش مزون ایجاد می کنند (ابرهای الکترونی در اتم ها را به خاطر بسپارید). هنگامی که دو نوکلئون که توسط چنین پوشش هایی احاطه شده اند ، در فاصله ای بین 10 تا 15 متر قرار می گیرند ، تبادل پیون ها اتفاق می افتد ، مشابه تبادل الکترون های ظرفیت در اتم ها در حین تشکیل مولکول ها و جاذبه ای بین نوکلئون ها ایجاد می شود.

اگر فاصله بین نوکلئونها کمتر از 0.7 ∙ 10 -15 متر شود ، آنها شروع به تبادل ذرات جدید می کنند -به اصطلاح. ω و ρ-مزون ها ، در نتیجه دافعه وجود دارد تا جاذبه بین نوکلئون ها.

نیروهای هسته ای: ساختار هسته از ساده ترین تا بزرگترین

با جمع بندی همه موارد فوق می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نیروی هسته ای قوی بسیار ضعیف تر از الکترومغناطیس در فواصل بسیار بزرگتر از اندازه یک هسته معمولی است ، بنابراین ما در زندگی روزمره با آن برخورد نمی کنیم. ولی
در فواصل کوتاه ، قابل مقایسه با هسته ، بسیار قوی تر می شود - نیروی جاذبه (به شرط آنکه فاصله خیلی کوتاه نباشد) قادر است بر دافعه الکتریکی بین پروتون ها غلبه کند.

بنابراین ، این نیرو فقط در فواصل قابل مقایسه با اندازه هسته اهمیت دارد. شکل زیر شکل وابستگی آن به فاصله بین نوکلئون ها را نشان می دهد.

هسته های بزرگ تقریباً با همان نیرویی که دوترون را در کنار هم نگه می دارد ، در کنار هم نگه داشته می شوند ، اما جزئیات این فرآیند پیچیده تر و توصیف آن دشوار می شود. آنها نیز کاملاً درک نشده اند. اگرچه طرح کلی فیزیک هسته ای برای چندین دهه به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است ، اما بسیاری از جزئیات مهم هنوز به طور فعال در حال بررسی هستند.

هسته اتمی ، متشکل از تعداد معینی پروتون و نوترون ، به دلیل نیروهای خاصی که بین نوکلئونهای هسته عمل می کنند و به آنها نامیده می شود ، یک کل واحد است. هسته ای.به طور آزمایشی ثابت شده است که نیروهای هسته ای دارای ارزش های بسیار بزرگی هستند که بسیار فراتر از نیروهای دافعه الکترواستاتیک بین پروتون ها است. این امر در این واقعیت آشکار می شود که انرژی اتصال ویژه نوکلئونها در هسته بسیار بیشتر از کار نیروهای دافعه کولن است. اصلی را در نظر بگیرید ویژگی های نیروهای هسته ای.

1. نیروهای هسته ای هستند نیروهای جاذبه کوتاه برد ... آنها فقط در فاصله های بسیار کوچک بین نوکلئونها در هسته مرتبه 10-15 متر خود را نشان می دهند. فاصله مرتبه (1.5-2.2) · 10 -15 متر نامیده می شود محدوده نیروهای هسته ایبا افزایش آن ، نیروهای هسته ای به سرعت کاهش می یابد. در فاصله نظم (2-3) متر ، فعل و انفعال هسته ای بین نوکلئونها عملاً وجود ندارد.

2. نیروهای هسته ای دارای ویژگی هستند اشباع, آن ها هر نوکلئون فقط با تعداد معینی از نزدیکترین همسایه ها در تعامل است. این ویژگی نیروهای هسته ای در ثبات تقریبی انرژی اتصال ویژه نوکلئونها در یک عدد بار آشکار می شود آ> 40 در واقع ، اگر اشباع وجود نداشت ، انرژی اتصال ویژه با افزایش تعداد نوکلئونها در هسته افزایش می یافت.

3. ویژگی نیروهای هسته ای نیز آنها است استقلال را متهم کنید ، یعنی آنها به بار نوکلئونها وابسته نیستند ، بنابراین فعل و انفعالات هسته ای بین پروتونها و نوترونها یکسان است. استقلال اتهامی نیروهای هسته ای از مقایسه انرژی های اتصال دهنده دیده می شود هسته های آینه ... این نام هسته هایی است که تعداد کل نوکلئون ها در آنها یکسان است ، اما تعداد پروتون ها در یکی برابر تعداد نوترون های دیگر است. به عنوان مثال ، انرژی های اتصال هسته های هلیوم و هیدروژن سنگین - تریتیوم ، به ترتیب 7.72 است. MeVو 8.49 MeV... تفاوت بین انرژی های اتصال این هسته ها ، برابر با 0.77 MeV ، مربوط به انرژی دافعه کولن دو پروتون در هسته است. با فرض مساوی بودن این مقدار ، می توانیم فاصله متوسط را بیابیم rبین پروتون ها در هسته 1.9 · 10 -15 متر است که با بزرگی شعاع عمل نیروهای هسته ای مطابقت دارد.

4. نیروهای هسته ای مرکزی نیستند و به جهت متقابل چرخش نوکلئونهای متقابل بستگی دارد. این امر با ویژگی متفاوت پراکندگی نوترون توسط مولکولهای ارتو و پاراهیدروژن تأیید می شود. در مولکول ارتوهیدروژن ، چرخش هر دو پروتون موازی یکدیگر و در مولکول پاراهیدروژن ضد موازی هستند. آزمایشات نشان داده است که پراکندگی نوترونها بر روی پاراهیدروژن 30 برابر پراکندگی بر روی اورتوهیدروژن است.

ماهیت پیچیده نیروهای هسته ای امکان توسعه نظریه متحد و یکپارچه در زمینه تعامل هسته ای را نمی دهد ، اگرچه رویکردهای متفاوتی ارائه شده است. طبق فرضیه فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa (1907-1981) ، که او در 1935 پیشنهاد کرد ، نیروهای هسته ای به دلیل تبادل - مزون ها ، یعنی. ذرات بنیادی که جرم آنها تقریباً 7 برابر جرم نوکلئونها است. بر اساس این مدل ، یک نوکلئون در زمان مترجرم مزون است) یک مزون ساطع می کند ، که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند ، مسافت را طی می کند ، پس از آن توسط نوکلئون دوم جذب می شود. به نوبه خود ، نوکلئون دوم نیز یک مزون ساطع می کند ، که توسط اولین جذب می شود. بنابراین ، در مدل H. Yukawa ، فاصله برهم کنش نوکلئونها توسط مسیر آزاد مزون تعیین می شود که با فاصله ای در حدود مترو به ترتیب بزرگی با شعاع عمل نیروهای هسته ای منطبق است.

اجازه دهید به بررسی تعامل تبادل بین نوکلئون ها بپردازیم. مزونهای مثبت ، منفی و خنثی وجود دارد. مدول بار - یا - مزونها از نظر عددی برابر با بار اولیه است ه ... جرم بارهای مزون یکسان و برابر (140) است MeV) ، جرم مزون 264 است (135 MeV) چرخش مزونهای باردار و خنثی برابر 0 است. هر سه ذره ناپایدار هستند. طول عمر مزون ها 2.6 است با، - مزون - 0.8 10 -16 با... تعامل بین نوکلئون ها بر اساس یکی از طرح های زیر انجام می شود:

1. نوکلئون ها مزون ها را مبادله می کنند :. (22.8)

در این حالت ، پروتون با انتشار یک مزون ، تبدیل به نوترون می شود. مزون توسط یک نوترون جذب می شود ، که در نتیجه به پروتون تبدیل می شود ، سپس همان روند در جهت مخالف پیش می رود. بنابراین ، هر یک از نوکلئون های متقابل بخشی از زمان را در حالت باردار و بخشی را در حالت خنثی می گذرانند.

2. تبادل هسته - مزون ها:

3. تبادل هسته - مزون ها:

, (22.10)

همه این فرایندها به صورت تجربی ثابت شده اند. به ویژه ، اولین فرایند هنگامی که یک پرتو نوترونی از هیدروژن عبور می کند ، تأیید می شود. پروتون های متحرک در پرتو ظاهر می شوند و تعداد مربوطه نوترون های عملاً در حال استراحت در هدف یافت می شود.

مدلهای هستهزیر مدل هسته در فیزیک هسته ای ، مجموعه ای از مفروضات فیزیکی و ریاضی درک می شود که با کمک آنها می توان ویژگی های یک سیستم هسته ای متشکل از آنوکلئونها

مدل هسته ای هیدرودینامیکی (قطره ای)بر اساس این فرض است که به دلیل چگالی بالای نوکلئونها در هسته و برهم کنش بسیار قوی بین آنها ، حرکت مستقل نوکلئونهای جداگانه غیرممکن است و هسته قطره ای از مایع باردار با چگالی است. .

مدل هسته شلفرض بر این است که هر نوکلئون مستقل از سایرین در برخی از میدانهای بالقوه متوسط حرکت می کند (پتانسیلی که بقیه نوکلئونهای هسته به خوبی ایجاد کرده اند.

مدل هسته کلی، ترکیب مفاد اصلی سازندگان مدلهای هیدرودینامیکی و پوسته است. در مدل تعمیم یافته ، فرض بر این است که هسته از یک قسمت پایدار داخلی تشکیل شده است - هسته ، که از هسته های پوسته های پر شده تشکیل شده و نوکلئونهای خارجی در زمینه ایجاد شده توسط نوکلئونهای هسته حرکت می کنند. در این راستا ، حرکت هسته با مدل هیدرودینامیکی و حرکت نوکلئونهای بیرونی با مدل پوسته توصیف می شود. به دلیل برهم کنش با نوکلئونهای خارجی ، هسته را می توان تغییر شکل داد و هسته می تواند حول یک محور عمود بر محور تغییر شکل بچرخد.

26. واکنشهای شکافت هسته های اتمی. انرژی هسته ای.

واکنش های هسته ایتحولات هسته های اتمی ناشی از تعامل آنها با یکدیگر یا سایر هسته ها یا ذرات بنیادی نامیده می شود. اولین پیام در مورد واکنش هسته ای متعلق به ای. رادرفورد است. در سال 1919 ، او کشف کرد که وقتی ذرات از گاز نیتروژن عبور می کنند ، برخی از آنها جذب می شوند و پروتون ها همزمان منتشر می شوند. رادرفورد نتیجه گرفت که هسته های نیتروژن در نتیجه یک واکنش هسته ای به هسته اکسیژن تبدیل شده اند:

, (22.11)

جایی که - یک ذره است ؛ - پروتون (هیدروژن)

یک پارامتر مهم واکنش هسته ای ، بازده انرژی آن است که توسط فرمول تعیین می شود:

(22.12)

در اینجا و مجموع توده های بقیه ذرات قبل و بعد از واکنش وجود دارد. هنگامی که واکنشهای هسته ای با جذب انرژی ادامه می یابد ، بنابراین آنها نامیده می شوند گرمازا ، و در - با انتشار انرژی. در این مورد ، آنها نامیده می شوند گرمازا.

در هر واکنش هسته ای ، همیشه وجود دارد قوانین حفاظت :

− شارژ الکتریکی;

- تعداد نوکلئون ؛

- انرژی؛

- انگیزه

دو قانون اول امکان ثبت صحیح واکنش های هسته ای را حتی در مواردی که یکی از ذرات شرکت کننده در واکنش یا یکی از محصولات آن ناشناخته باشد ، ممکن می سازد. با استفاده از قوانین حفظ انرژی و حرکت ، می توان انرژی جنبشی ذرات را که در طول واکنش ایجاد می شوند و همچنین جهت حرکت بعدی آنها را تعیین کرد.

برای توصیف واکنش های گرمازا ، این مفهوم معرفی شده است انرژی جنبشی آستانه ، یا آستانه واکنش هسته ای , آن ها کوچکترین انرژی جنبشی ذره حادثه (در چارچوب مرجع که هسته مورد نظر در حالت استراحت است) که در آن واکنش هسته ای ممکن می شود. از قانون حفظ انرژی و حرکت ، نتیجه می گیرد که انرژی آستانه یک واکنش هسته ای با فرمول محاسبه می شود:

. (22.13)

در اینجا انرژی واکنش هسته ای (7.12) است. جرم هسته ثابت است - هدف ؛ آیا جرم ذره روی هسته اتفاق می افتد.

واکنشهای شکافت. در سال 1938 ، دانشمندان آلمانی O.Hahn و F. Strassmann کشف کردند که هنگام بمباران اورانیوم با نوترون ، گاهی اوقات هسته هایی ظاهر می شوند که تقریباً نصف اندازه هسته اصلی اورانیوم هستند. این پدیده نامگذاری شد شکافت.

این نشان دهنده اولین واکنش تجربی تحولات هسته ای است. یک مثال یکی از واکنشهای احتمالی شکافت هسته اورانیوم 235 است:

روند شکافت هسته ای در مدت زمان 10 تا 12 ثانیه بسیار سریع پیش می رود. انرژی آزاد شده در فرآیند واکنشی مانند (22.14) حدود 200 مگا الکترون ولت در هر عمل شکافت هسته اورانیوم 235 است.

در حالت کلی ، واکنش شکافت هسته اورانیوم 235 را می توان به صورت زیر نوشت:

+ نوترون . (22.15)

مکانیسم واکنش شکافت را می توان در چارچوب مدل هیدرودینامیکی هسته توضیح داد. طبق این مدل ، هنگامی که یک نوترون توسط هسته اورانیوم جذب می شود ، به حالت برانگیخته منتقل می شود (شکل 22.2).

انرژی اضافی که هسته در نتیجه جذب نوترون دریافت می کند باعث حرکت شدیدتر نوکلئون ها می شود. در نتیجه ، هسته تغییر شکل می یابد ، که منجر به تضعیف برهمکنش هسته ای کوتاه برد می شود. اگر انرژی برانگیختگی هسته بیشتر از مقداری انرژی باشد ، نامیده می شود انرژی فعال سازی ، سپس تحت تأثیر دافعه الکترواستاتیک پروتون ها ، هسته به دو قسمت تقسیم می شود ، با انتشار نوترون های شکافت ... اگر انرژی تحریک هنگام جذب نوترون کمتر از انرژی فعال سازی باشد ، هسته به آن نمی رسد

مرحله بحرانی شکافت و با انتشار کوانتومی ، به حالت اصلی باز می گردد

چه چیزی هسته ها را متحد می کند؟

نیروی هسته ای قوی

آیا پروتون ها آنالوگ اتم ها و هسته آنالوگ مولکول ها هستند؟

به جز هیدروژن هیچ هسته ای بدون نوترون وجود ندارد

نوترونها به عنوان چوپانهای پروتون

این دو چیز می گوید:

آخرین جمله در شکل زیر نشان داده شده است.

اندازه اتم به جرم الکترون های آن بستگی دارد

مشخص است که الکترونها در مقایسه با پروتونها و نوترونها جرم کمی دارند. از این رو نتیجه می گیرد که

جرم یک اتم اساساً نزدیک به جرم هسته آن است ،
اندازه یک اتم (اساساً اندازه یک ابر الکترون) با جرم الکترون ها نسبت عکس دارد و با کل نیروی الکترومغناطیسی نسبت عکس دارد. اصل عدم قطعیت مکانیک کوانتوم نقش تعیین کننده ای دارد.

و اگر نیروهای هسته ای مشابه الکترومغناطیس باشند

آنچه با در نظر گرفتن تفاوت قابل توجه بین نیروهای هسته ای و الکترومغناطیسی به دست می آید

پروتون ها و نوترون ها تقریباً 2000 برابر سنگین تر از الکترون ها هستند ،
در این فواصل ، نیروی هسته ای بزرگ بین پروتون ها و نوترون ها در هسته چندین برابر بیشتر از نیروهای الکترومغناطیسی مربوطه است (از جمله دافعه الکترومغناطیسی بین پروتون ها در هسته.)

برد کوتاه انرژی هسته ای

مکانیسم فیزیکی برهمکنش هسته ای

نیروهای هسته ای: ساختار هسته از ساده ترین تا بزرگترین

با جمع بندی همه موارد فوق می توان به موارد زیر اشاره کرد:

نیروی هسته ای قوی بسیار ضعیف تر از الکترومغناطیس در فواصل بسیار بزرگتر از اندازه یک هسته معمولی است ، بنابراین ما در زندگی روزمره با آن برخورد نمی کنیم. ولی
در فواصل کوتاه ، قابل مقایسه با هسته ، بسیار قوی تر می شود - نیروی جاذبه (به شرط آنکه فاصله خیلی کوتاه نباشد) قادر است بر دافعه الکتریکی بین پروتون ها غلبه کند.

1.3.1 ... هسته هر اتم دارای ساختار پیچیده ای است و از ذراتی به نام نوکلئونها دو نوع نوکلئون وجود دارد - پروتون ها و نوترون ها .
پروتون ها - نوکلئونهایی با جرم 1 آمو با بار مثبت برابر واحد ، یعنی بار اولیه یک الکترون.
نوترونها -از نظر الکتریکی خنثینوکلئونهایی با جرم 1 آمو
*) به طور دقیق ، جرم بقیه پروتون ها و نوترون ها تا حدودی متفاوت است: m p = 1.6726. 10 -24 G، و m n = 1.67439. 10 -24 G... این تفاوت بعداً مورد بحث قرار می گیرد.

1.3.2. از آنجا که جرم هسته عملابرابر A است ، بار هسته z و جرم پروتون و نوترون است تقریبا مساویبا چنین دیدگاهی ، باید آن را بدیهی تلقی کرد هسته یک اتم پایدار الکتریکی خنثی شامل z پروتون ها و (آ - z ) نوترون هابنابراین ، عدد اتمی یک عنصر چیزی بیشتر از این نیست بار پروتون هسته اتم ، با بارهای اولیه یک الکترون بیان می شود.به عبارت دیگر، z عدد است پروتونهای موجود در هسته اتم

1.3.3 . وجود در هسته پروتون ها (ذرات با بار الکتریکی با همان علامت) به دلیل نیروهای دافعه کولن بین آنها باید منجر به انبساط نوکلئون ها می شد. در واقعیت ، این اتفاق نمی افتد. وجود در طبیعت بسیاری از هسته های پایدار منجر به نتیجه گیری می شود وجود نوکلئونها بین نوکلئونها قوی تر از نوکلئونهای کولنب ، نیروهای هسته ای جاذبه, که با غلبه بر دافعه کولن پروتونها ، نوکلئونها را به داخل ساختار پایدار - هسته می کشاند.

1.3.4. اندازه هسته های اتمی ، تعیین شده توسط فرمول (1.4) ، مقداری به ترتیب 10 تا 13 سانتی متر است. بنابراین اولین ویژگی نیروهای هسته ای (برخلاف کولن ، گرانش و دیگران) - کوتاه مدت: نیروهای هسته ای فقط در فواصل کوچک عمل می کنند که از نظر اندازه با اندازه خود نوکلئون ها قابل مقایسه است.
حتی بدون اطلاع دقیق از نوع تشکیل یک ماده پروتون یا نوترون ، می توانید آنها را تخمین بزنید تاثير گذارابعاد آن قطر یک کره است که در سطح آن جاذبه هسته ای دو پروتون مجاور با دافعه کولنب آنها متعادل می شود. آزمایش بر روی شتاب دهنده ها بر پراکندگی الکترون توسط هسته ها ، امکان برآورد شعاع نوکلئون موثر Rn ≈ 1.21 را فراهم کرد. 10-13 سانتی متر

1.3.5 ... از اقدامات کوتاه برد نیروهای هسته ای ، ویژگی دوم آنها که به اختصار به آن اشاره می شود ، دنبال می شود اشباع . معنیش اینه که هر نوکلئون یک هسته نه با همه نوکلئونهای دیگر ، بلکه فقط با تعداد محدودی از نوکلئونها که همسایه نزدیک آن هستند ، در تعامل است.

1.3.6. سومین خاصیت نیروهای هسته ای - آنها اقدام برابر از آنجا که فرض بر این است که نیروهای متقابل بین نوکلئونهای هر دو نوع نیروهای یکسان هستند ، بنابراین فرض می شود که در فواصل مساوی از 10 تا 13 سانتی متر دو پروتون ، دو نوترون یا پروتون با نوترون برهم کنش دارند همان

1.3.7. پروتون رایگان (یعنی خارج از هسته های اتمی ) پایدار . یک نوترون در حالت آزاد نمی تواند برای مدت طولانی وجود داشته باشد: تحت تجزیه پروتون ، الکترون و ضد نوترینوبا نیمه عمر T 1/2 = 11.2 دقیقه. طبق طرح:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Antineutrino (n) یک ذره الکتریکی خنثی از ماده با است جرم استراحت صفر

1.3.8. بنابراین ، هر هسته ای به طور کامل در نظر گرفته می شود فردی, اگر دو ویژگی اصلی آن شناخته شده است - تعداد پروتون z و جرم A ، زیرا تفاوت (A - z) تعداد نوترونهای هسته را تعیین می کند. به طور کلی ، هسته های اتمی فردی معمولاً نامیده می شوند نوکلیدها.
در میان بسیاری از نوکلئیدها (و در حال حاضر بیش از 2000 مورد شناخته شده - طبیعی و مصنوعی) ، مواردی وجود دارد که در آنها یکی از دو ویژگی ذکر شده یکسان است و دیگری از نظر اندازه تفاوت دارد.
به نوکلئیدهایی با z یکسان (تعداد پروتون) گفته می شود ایزوتوپ ها. از آنجا که عدد اتمی تعیین می کند ، مطابق با قانون دوره ای D.I. مندلیف ، فقط فردیت شیمیاییایزوتوپ ها همیشه با اشاره به عنصر شیمیایی مربوطه در جدول تناوبی از ویژگی های یک اتم یک عنصر صحبت می کنند.
به عنوان مثال ، 233 U ، 234 U ، 235 U ، 236 U ، 238 U ، 239 U - همه اینها ایزوتوپهای اورانیوم هستند که دارای شماره سریال z = 92 در جدول تناوبی عناصر هستند.
ایزوتوپ ها هر عنصر شیمیایی همان طور که ما می توانیم ببینیم , تعداد پروتون های مساوی ، اما تعداد نوترون های متفاوتی دارند.

Nuclides با جرم مساوی (آ ), اما با بارهای مختلف z را ایزوبار می نامند . ایزوبارها ، برخلاف ایزوتوپها ، نوکلیدهای عناصر شیمیایی مختلف هستند.
نمونه هایی از... 11 В 5 و 11 С 4 - ایزوبارهای نوکلیدهای بور و کربن ؛ 7 Li 3 و 7 Be 4 ایزوبارهای نوکلیدهای لیتیوم و بریلیوم هستند. 135 J 53 ، 135 Xe 54 و 135 Cs 55 نیز به ترتیب ایزوبار ید ، زنون و سزیم هستند.

1.3.9 ... از فرمول (1.4) ، می توان چگالی نوکلئونها در هسته ها و چگالی جرم مواد هسته ای را تخمین زد. با فرض اینکه هسته یک کره با شعاع R و با تعداد نوکلئون در حجم آن برابر A است ، تعداد نوکلئونها در واحد حجم هسته به صورت زیر است:
N n = A / V i = 3A / 4pR 3 = 3A / 4p (1.21. 10 -13 A 1/3) 3 = 1.348. 10 38 هسته / سانتی متر 3,
a ، از آنجا که جرم یک نوکلئون برابر با 1 آمو است. = 1.66056. 10 -24 G، سپس چگالی ماده هسته ای را می توان به صورت زیر یافت:
γ jav = Nm n = 1.348. 10 38 .1.66056. 10 -24 ≈ 2.238. 10 14 گرم / سانتی متر 3.= 223 800 000 t / cm 3
روش محاسبه فوق نشان می دهد که چگالی ماده هسته ای در هسته همه عناصر شیمیایی یکسان است.
جلد. در هر 1 نوکلئون در هسته ، V i/ A = 1 / N = 1 / 1.348. 10 38 = 7.421. 10 -39 سانتی متر 3
- همچنین برای همه هسته ها یکسان است ،بنابراین ، میانگین فاصله بین مراکز نوکلئون های همسایه در هر هسته (که معمولاً می توان قطر نوکلئون متوسط را نامید) برابر است با
D n = (V i) 1/3 = (7.421. 10 -39) 1/3 = 1.951. 10 -13 سانتی متر .

1.3.10. اطلاعات کمی در مورد چگالی آرایش پروتون ها و نوترون ها در هسته اتم وجود دارد. از آنجا که پروتون ها ، برخلاف نوترون ها ، نه تنها تحت تأثیر جاذبه های هسته ای و گرانشی ، بلکه دافعه کولن نیز قرار دارند ، می توان فرض کرد که بار پروتون هسته تقریباً به طور یکنواخت بر روی خود توزیع شده است. سطح

در پایان تحصیلات خود ، بسیاری از دانش آموزان دبیرستانی ، والدین آنها و هزاران متخصص جوان با انتخاب دشواری روبرو هستند - انتخاب موسسه آموزش عالی (HEI). حرکت و گم نشدن در انواع دانشگاه ها ، موسسات و دانشکده ها بسیار دشوار است. قبل از دریافت ، نظرات دانشگاه را که توسط دانش آموزان ، معلمان و فارغ التحصیلان برجای مانده است ، بخوانید. انتخاب درست موسسه آموزشی کلید موفقیت در آینده شغلی شماست!

هسته اتمی ، متشکل از تعداد معینی پروتون و نوترون ، به دلیل نیروهای خاصی که بین نوکلئونهای هسته عمل می کنند و به آنها نامیده می شود ، یک کل واحد است. هسته ای.به طور آزمایشی ثابت شده است که نیروهای هسته ای دارای ارزش های بسیار بزرگی هستند که بسیار فراتر از نیروهای دافعه الکترواستاتیک بین پروتون ها است. این امر در این واقعیت آشکار می شود که انرژی اتصال ویژه نوکلئونها در هسته بسیار بیشتر از کار نیروهای دافعه کولن است. بیایید ویژگی های اصلی نیروهای هسته ای را در نظر بگیریم.

1. نیروهای هسته ای هستند نیروهای جاذبه کوتاه برد ... آنها فقط در فواصل بسیار کم بین نوکلئونها در هسته مرتبه 10-15 متر خود را نشان می دهند. فاصله مرتبه (1.5-2.2) · 10 -15 متر شعاع عمل نیروهای هسته ای نامیده می شود. افزایش نیروهای هسته ای به سرعت کاهش می یابد. در فاصله نظم (2-3) متر ، فعل و انفعال هسته ای بین نوکلئونها عملاً وجود ندارد.

ماهیت پیچیده نیروهای هسته ای امکان توسعه نظریه متحد و یکپارچه در زمینه تعامل هسته ای را نمی دهد ، اگرچه رویکردهای متفاوتی ارائه شده است. طبق فرضیه فیزیکدان ژاپنی H. Yukawa ، که در سال 1935 پیشنهاد کرد ، نیروهای هسته ای به دلیل تبادل - مزون ها ، یعنی ذرات بنیادی که جرم آنها تقریباً 7 برابر جرم نوکلئونها است. بر اساس این مدل ، یک نوکلئون در زمان مترجرم مزون است) یک مزون ساطع می کند ، که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند ، مسافت را طی می کند ، پس از آن توسط نوکلئون دوم جذب می شود. به نوبه خود ، نوکلئون دوم نیز یک مزون ساطع می کند ، که توسط اولین جذب می شود. بنابراین ، در مدل H. Yukawa ، فاصله برهم کنش نوکلئونها توسط مسیر آزاد مزون تعیین می شود که با فاصله ای در حدود مترو به ترتیب بزرگی با شعاع عمل نیروهای هسته ای منطبق است.

اجازه دهید به بررسی تعامل تبادل بین نوکلئون ها بپردازیم. مزونهای مثبت ، منفی و خنثی وجود دارد. مدول بار - یا - مزونها از نظر عددی برابر با بار اولیه است ه... جرم بارهای مزون یکسان و برابر (140) است MeV) ، جرم مزون 264 است (135 MeV) چرخش مزونهای باردار و خنثی برابر 0 است. هر سه ذره ناپایدار هستند. طول عمر مزون ها 2.6 است با، - مزون - 0.8 10 -16 با... تعامل بین نوکلئون ها بر اساس یکی از طرح های زیر انجام می شود:

(22.7)
1- نوکلئون ها مزون ها را مبادله می کنند:

2. تبادل هسته - مزون ها:

3. تبادل هسته - مزون ها:

. (22.10)

مدلهای هستهفقدان قانون ریاضی برای نیروهای هسته ای اجازه ایجاد نظریه واحد درباره هسته را نمی دهد. تلاش برای ایجاد چنین نظریه ای با مشکلات جدی روبرو است. در اینجا برخی از آنها آمده است:

1. عدم آگاهی در مورد نیروهایی که بین نوکلئون ها عمل می کنند.

2. سختی شدید مشکل کوانتومی بسیاری از بدن (هسته ای با عدد جرمی) آیک سیستم از آتلفن)

این مشکلات ما را مجبور می کند تا مسیر ایجاد مدلهای هسته ای را که به ما اجازه می دهد مجموعه معینی از ویژگیهای هسته ای را با استفاده از وسایل نسبتاً ساده ریاضی توصیف کنیم ، دنبال کنیم. هیچ یک از این مدل ها نمی توانند شرح کاملی از هسته ارائه دهند. بنابراین ، شما باید از چندین مدل استفاده کنید.

زیر مدل هسته در فیزیک هسته ای ، مجموعه ای از مفروضات فیزیکی و ریاضی درک می شود که با کمک آنها می توان ویژگی های یک سیستم هسته ای متشکل از آنوکلئونها مدلهای زیادی از درجات مختلف پیچیدگی پیشنهاد و توسعه یافته اند. ما فقط مشهورترین آنها را در نظر خواهیم گرفت.

مدل هسته ای هیدرودینامیکی (قطره ای)در سال 1939 توسعه یافت N. Bohr و دانشمند شوروی J. Frenkel. بر اساس این فرض است که به دلیل چگالی بالای نوکلئونها در هسته و برهم کنش فوق العاده قوی بین آنها ، حرکت مستقل تک نوکلئونها غیرممکن است و هسته قطره ای از مایع باردار با چگالی است. مانند یک قطره مایع معمولی ، سطح هسته می تواند ارتعاش کند. اگر دامنه نوسانات به اندازه کافی بزرگ شود ، فرآیند شکافت هسته ای رخ می دهد. مدل قطره ای امکان دستیابی به فرمول انرژی اتصال نوکلئونها در هسته را فراهم کرد و مکانیسم برخی واکنشهای هسته ای را توضیح داد. با این حال ، این مدل اجازه نمی دهد که بیشتر طیف های تحریک هسته های اتمی و پایداری ویژه برخی از آنها را توضیح دهد. این به این دلیل است که مدل هیدرودینامیکی تقریباً منعکس کننده جوهر ساختار داخلی هسته است.

مدل هسته شل در سالهای 1940-1950 توسط فیزیکدان آمریکایی M. Goeppert - Mayer و فیزیکدان آلمانی H. Jensen توسعه داده شد. فرض بر این است که هر نوکلئون مستقل از سایرین در برخی از زمینه های بالقوه متوسط حرکت می کند (پتانسیلی که توسط بقیه نوکلئونهای هسته به خوبی ایجاد شده است. در چارچوب مدل پوسته ، عملکرد محاسبه نمی شود ، بلکه طوری انتخاب می شود که بهترین توافق با داده های تجربی می تواند به دست آید.

عمق گودال بالقوه معمولاً ~ (40-50) MeVو بستگی به تعداد نوکلئونهای موجود در هسته ندارد. مطابق با نظریه کوانتومی ، نوکلئونهای یک میدان در سطوح انرژی گسسته خاصی قرار دارند. فرض اصلی سازندگان مدل پوسته در مورد حرکت مستقل نوکلئونها در میدان پتانسیل متوسط با مفاد اصلی توسعه دهندگان مدل هیدرودینامیک مغایرت دارد. بنابراین ، ویژگی های هسته ، که به خوبی توسط مدل هیدرودینامیکی توصیف شده است (به عنوان مثال ، ارزش انرژی اتصال) ، نمی تواند در چارچوب مدل پوسته توضیح داده شود ، و بالعکس.

مدل هسته کلی ، توسعه یافته در 1950-1953 ، ترکیب مفاد اصلی سازندگان مدلهای هیدرودینامیکی و پوسته. در مدل تعمیم یافته ، فرض بر این است که هسته از یک قسمت پایدار داخلی تشکیل شده است - هسته ، که از هسته های پوسته های پر شده تشکیل شده و نوکلئونهای خارجی در زمینه ایجاد شده توسط نوکلئونهای هسته حرکت می کنند. در این راستا ، حرکت هسته با مدل هیدرودینامیکی و حرکت نوکلئونهای بیرونی با مدل پوسته توصیف می شود. به دلیل برهم کنش با نوکلئونهای خارجی ، هسته را می توان تغییر شکل داد و هسته می تواند حول یک محور عمود بر محور تغییر شکل بچرخد. مدل تعمیم یافته امکان توضیح ویژگی های اصلی طیف های چرخشی و ارتعاشی هسته های اتمی و همچنین مقادیر بالای گشتاور الکتریکی چهارقطبی در برخی از آنها را فراهم کرد.

ما پدیده شناسی اصلی را در نظر گرفته ایم ، یعنی مدلهای توصیفی ، هسته با این حال ، برای درک کامل ماهیت فعل و انفعالات هسته ای که ویژگی ها و ساختار هسته را تعیین می کند ، لازم است نظریه ای ایجاد شود که در آن هسته به عنوان یک سیستم نوکلئون های متقابل در نظر گرفته شود.