Яка властивість ядерних сил називають зарядовим незалежністю. Властивості ядерних сил

У фізиці поняттям «сила» позначають міру взаємодії матеріальних утворень між собою, включаючи взаємодії частин речовини (макроскопічних тіл, елементарних частинок) один з одним і з фізичними полями (електромагнітним, гравітаційним). Всього відомо чотири типи взаємодії в природі: сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне, і кожному відповідає свій вид сил. Першому з них відповідають ядерні сили, що діють всередині атомних ядер.

Що об'єднує ядра?

Загальновідомо, що ядро \u200b\u200bатома є крихітним, його розмір на чотири-п'ять десяткових порядків менше розміру самого атома. У зв'язку з цим виникає очевидне запитання: чому воно настільки мало? Адже атоми, що складаються з крихітних часток, все ж набагато більше, ніж частинки, які вони містять.

Навпаки, ядра не сильно відрізняються за розміром від нуклонів (протонів і нейтронів), з яких вони зроблені. Чи є причина цього або це випадковість?

Тим часом, відомо, що саме електричні сили утримують негативно заряджені електрони поблизу атомних ядер. Яка ж сила або сили утримують частинки ядра разом? Це завдання виконують ядерні сили, що є мірою сильних взаємодій.

Сильне ядерна взаємодія

Якби в природі були тільки гравітаційні і електричні сили, тобто ті, з якими ми стикаємося в повсякденному житті, то атомні ядра, що складаються найчастіше з безлічі позитивно заряджених протонів, були б нестабільні: електричні сили, що штовхають протони один від одного будуть у багато мільйонів разів сильніше, ніж будь-які гравітаційні сили, що притягають їх один до одному. Ядерні сили забезпечують притягання ще більш сильне, ніж електричне відштовхування, хоча лише тінь їх істинної величини проявляється в структурі ядра. Коли ми вивчаємо будову самих протонів і нейтронів, то бачимо справжні можливості того явища, яке відоме як сильне ядерне взаємодія. Ядерні сили є його прояв.

На малюнку вище показано, що двома протилежними силами в ядрі є електричне відштовхування між позитивно зарядженими протонами і сила ядерного взаємодії, яка притягує протони (і нейтрони) разом. Якщо число протонів і нейтронів не надто відрізняється, то другі сили перевершують перші.

Протони - аналоги атомів, а ядра - аналоги молекул?

Між якими частками діють ядерні сили? Перш за все між нуклонами (протонами і нейтронами) в ядрі. Врешті-решт вони діють і між частинками (кварками, глюонами, антикварки) всередині протона або нейтрона. Це не дивно, коли ми визнаємо, що протони і нейтрони є внутрішньо складними.

В атомі крихітні ядра і ще більш дрібні електрони перебувають відносно далеко один від одного в порівнянні з їх розмірами, а електричні сили, які утримують їх в атомі, діють досить просто. Але в молекулах відстань між атомами порівняно з розмірами атомів, так що внутрішня складність останніх вступає в гру. Різноманітна і складна ситуація, викликана частковою компенсацією внутрішньоатомних електричних сил, породжує процеси, в яких електрони можуть насправді перейти від одного атома до іншого. Це робить фізику молекул набагато багатше і складніше, ніж у атомів. Аналогічним чином і відстань між протонами і нейтронами в ядрі можна порівняти з їх розмірами - і також, як і з молекулами, властивості ядерних сил, що утримують ядра разом, набагато складніше, ніж просте тяжіння протонів і нейтронів.

Немає ядра без нейтрона, крім як у водню

Відомо, що ядра деяких хімічних елементів стабільні, а у інших вони безперервно розпадаються, причому діапазон швидкостей цього розпаду досить широкий. Чому ж припиняють свою дію сили, які утримують нуклони в ядрах? Давайте подивимося, що ми можемо дізнатися з простих міркувань про те, які є властивості ядерних сил.

Одне з них те, що всі ядра, за винятком найбільш поширеного ізотопу водню (який має лише один протон), містять нейтрони; тобто немає ядра з декількома протонами, які не містять нейтронів (див. рис. нижче). Отже, ясно, що нейтрони грають важливу роль в наданні допомоги протонам триматися разом.

На рис. вище показані легкі стабільні або майже стійкі ядра разом з нейтроном. Останній, як і тритій, показані пунктиром, що вказує, що вони в кінцевому підсумку розпадаються. Інші комбінації з малим числом протонів і нейтронів не утворюють ядра зовсім, або утворюють надзвичайно нестабільні ядра. Крім того, показані курсивом альтернативні назви, часто даються деяким з цих об'єктів; Наприклад, ядро \u200b\u200bгелію-4 часто називають α-частинкою, назва, яку дала, коли воно було спочатку виявлено в перших дослідженнях радіоактивності в 1890 роках.

Нейтрони в ролі пастухів протонів

Навпаки, немає ядра, зробленого тільки з нейтронів без протонів; більшість легких ядер, таких як кисню і кремнію, мають приблизно те ж саме число нейтронів і протонів (малюнок 2). Великі ядра з великими масами, як у золота і радію, мають дещо більше нейтронів, ніж протонів.

Це говорить про дві речі:

1. Не тільки нейтрони необхідні, щоб протони трималися разом, але і протони потрібні, щоб утримати нейтрони теж разом.

2. Якщо кількість протонів і нейтронів стає дуже великим, то електричне відштовхування протонів має бути скомпенсировано додаванням кількох додаткових нейтронів.

Останнє твердження проілюстровано на малюнку нижче.

На малюнку вище показані стабільні і майже стійкі атомні ядра як функція P (числа протонів) і N (числа нейтронів). Лінія, показана чорними точками позначає стабільні ядра. Будь-яке зміщення від чорної лінії вгору або вниз означає зменшення життя ядер - поблизу неї термін життя ядер складає мільйони років або більше, в міру віддалення всередину синьою, коричневою або жовтою областей (різні кольори відповідає різним механізмам ядерного розпаду) час їх життя стає все коротшим, аж до часток секунди.

Зверніть увагу, що стабільні ядра мають P і N, приблизно рівні для малих P і N, але N поступово стає більше, ніж P більше ніж у півтора рази. Відзначимо також, що група стабільних і довгоживучих нестабільних ядер залишається в досить вузькій смузі для всіх значень P аж до 82. При більшому їх числі відомі ядра в принципі є нестабільними (хоча і можуть існувати мільйони років). Мабуть, зазначений вище механізм стабілізації протонів в ядрах за рахунок додавання до них нейтронів в цій області не має стовідсоткової ефективності.

Як розмір атома залежить від маси його електронів

Як же впливають розглядаються сили на будову атомного ядра? Ядерні сили впливають насамперед на його розмір. Чому ж все-таки ядра так малі в порівнянні з атомами? Щоб з'ясувати це, давайте почнемо з найпростішого ядра, яке має як протон, так і нейтрон: це другий найбільш поширеною ізотоп водню, атом якого містить один електрон (як і всі ізотопи водню) і ядро \u200b\u200bз одного протона і одного нейтрона. Цей ізотоп часто називають "дейтерій", а його ядро \u200b\u200b(див. Рисунок 2) іноді називають "дейтрон." Як ми можемо пояснити, що тримає дейтрон разом? Ну, можна уявити собі, що він не так вже відрізняється від атома звичайного водню, який також містить дві частки (протон і електрон).

На рис. вище показано, що в атомі водню ядро \u200b\u200bі електрон дуже далекі один від одного, в тому сенсі, що атом набагато більше, ніж ядро \u200b\u200b(а електрон ще менше.) Але в дейтроні відстань між протоном і нейтроном порівняно з їх розмірами. Це почасти пояснює, чому ядерні сили є набагато складнішими, ніж сили в атомі.

Відомо, що електрони мають невелику масу в порівнянні з протонами і нейтронами. Звідси слідує що

маса атома, по суті близька до маси його ядра,
розмір атома (по суті розмір електронного хмари) обернено пропорційний масі електронів і обернено пропорційний загальної електромагнітної силі; принцип невизначеності квантової механіки грає вирішальну роль.

А якщо ядерні сили аналогічні електромагнітним

Що ж з дейтроні? Він так само, як і атом, зроблений з двох об'єктів, але вони майже однаковою маси (маси нейтрона і протона відрізняються лише частини приблизно на одну 1500-у частину), так що обидві частки в рівній мірі важливі у визначенні маси дейтрона і його розміру . Тепер припустимо, що ядерна сила тягне протон до нейтрону так само, як електромагнітні сили (це не зовсім так, але уявіть собі, на мить); а потім, по аналогії з воднем, ми очікуємо, розмір дейтрона обернено пропорційним масі протона або нейтрона, і обернено пропорційним величині ядерної силі. Якщо її величина була такою ж (на певній відстані), як у електромагнітної сили, то це буде означати, що так як протон приблизно в 1850 разів важче електрон, то дейтрон (і дійсно будь-ядро) має бути принаймні в тисячу разів менше , ніж у водню.

Що дає облік суттєвої різниці ядерних і електромагнітних сил

Але ми вже здогадалися, що ядерна сила набагато більше електромагнітної (на тій же відстані), тому що, якщо це не так, вона була б не в змозі запобігти електромагнітне відштовхування між протонами аж до розпаду ядра. Так що протон і нейтрон під її дією зближуються разом ще більш щільно. І тому не дивно, що дейтрон і інші ядер не просто в одну тисячу, але в сто тисяч разів менше, ніж атоми! Знову ж таки, це тільки тому, що

протони і нейтрони майже в 2000 разів важче, ніж електрони,
на цих відстанях, велика ядерна сила між протонами і нейтронами в ядрі у багато разів більше, ніж відповідні електромагнітні сили (в тому числі електромагнітного відштовхування між протонами в ядрі.)

Ця наївна здогад дає приблизно правильну відповідь! Але це не повністю відображає складність взаємодії між протоном і нейтроном. Одна з очевидних проблем полягає в тому, що сила, подібна електромагнітної, але з більшою притягує або відразливою здатністю, повинна очевидно проявлятися в повсякденному житті, але ми не спостерігаємо нічого подібного. Так що, щось в цій силі повинно відрізнятися від електричних сил.

Короткий діапазон ядерної сили

Що їх відрізняє, так це те, що утримують від розпаду атомне ядро \u200b\u200bядерні сили є дуже важливими і великими для протонів і нейтронів, що знаходяться на дуже короткій відстані один від одного, але на певній відстані (так званому "діапазоні" сили), вони падають дуже швидко, набагато швидше, ніж електромагнітні. Діапазон, виявляється, може також бути розміром з помірно велике ядро, тільки в кілька разів більше, ніж протон. Якщо помістити протон і нейтрон на відстані, порівнянному з цим діапазоном, вони будуть притягатися один до одного і утворюють дейтон; якщо їх рознести на більшу відстань, вони навряд чи будуть відчувати якесь тяжіння взагалі. Насправді, якщо їх помістити занадто близько один до одного, так, що вони почнуть перекриватися, то вони будуть насправді відштовхуються одна від одної. В цьому і проявляється складність такого поняття, як ядерні сили. Фізика продовжує безперервно розвиватися в напрямку пояснення механізму їх дії.

Фізичний механізм ядерного взаємодії

У всякого матеріального процесу, включаючи і взаємодія між нуклонами, повинні бути матеріальні же переносники. Ними є кванти ядерного поля - пі-мезони (піони), через обмін якими і виникає тяжіння між нуклонами.

Згідно з принципами квантової механіки, пі-мезони, раз у раз з'являючись і тут же зникаючи, утворюють навколо «голого» нуклона щось на зразок хмари, званого мезонів шубою (згадайте про електронні хмарах в атомах). Коли два нуклона, оточені такими шубами, виявляються на відстані близько 10 -15 м, відбувається обмін півоніями подібно обміну валентними електронами в атомах при утворенні молекул, і між нуклонами виникає тяжіння.

Якщо ж відстані між нуклонами стають менше 0,7 ∙ 10 -15 м, то вони починають обмінюватися новими частинками - т.зв.. ω і ρ-мезонами, внаслідок чого між нуклонами виникає не тяжіння, а відштовхування.

Ядерні сили: будова ядра від найпростішого до більшого

Резюмуючи все вищесказане, можна відзначити:

сильне ядерне взаємодія набагато, набагато слабкіше, ніж електромагнетизм на відстанях, значно більших, ніж розмір типового ядра, так що ми не стикаємося з ним в повсякденному житті; але
на коротких відстанях, порівнянних з ядром, воно стає набагато сильніше - сила тяжіння (за умови, що відстань не надто короткий), здатна подолати електричне відштовхування між протонами.

Отже, ця сила має значення тільки на відстанях, порівнянних з розмірами ядра. На малюнку нижче показаний вид її залежності від відстані між нуклонами.

Великі ядра утримуються разом за допомогою більш-менш тієї ж сили, що тримає дейтрон разом, але деталі процесу ускладнюються, так що їх непросто описати. Вони також не в повній мірі зрозумілі. Хоча основні обриси фізики ядра були добре вивчені протягом десятиліть, багато важливі деталі все ще активно досліджуються.

Атомне ядро, що складається з певної кількості протонів і нейтронів, є єдиним цілим завдяки специфічним силам, які діють між нуклонами ядра і називаються ядерними. Експериментально доведено, що ядерні сили мають дуже великі значення, набагато перевищують сили електростатичного відштовхування між протонами. Це проявляється в тому, що питома енергія зв'язку нуклонів в ядрі набагато більше роботи сил кулонівського відштовхування. Розглянемо основні особливості ядерних сил.

1. Ядерні сили є короткодіючими силами тяжіння . Вони проявляються лише на вельми малих відстанях між нуклонами в ядрі близько 10 -15 м. Відстань порядку (1,5 - 2,2) · 10 -15 м називається радіусом дії ядерних сил, З його збільшенням ядерні сили швидко зменшуються. На відстані близько (2-3) м ядерна взаємодія між нуклонами практично відсутня.

2. Ядерні сили мають властивість насичення, тобто кожен нуклон взаємодіє тільки з певним числом найближчих сусідів. Такий характер ядерних сил проявляється в наближеному сталості питомої енергії зв'язку нуклонів при зарядовим числі А\u003e 40. Дійсно, якби насичення не було, то питома енергія зв'язку зростала б зі збільшенням числа нуклонів в ядрі.

3. Особливістю ядерних сил є також їх зарядова незалежність , Тобто вони не залежать від заряду нуклонів, тому ядерні взаємодії між протонами і нейтронами однакові. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв'язку дзеркальних ядер . Так називаються ядра, в яких однаково загальне число нуклонів, але число протонів в одному дорівнює числу нейтронів іншому. Наприклад, енергії зв'язку ядер гелію і важкого водню - тритію становлять відповідно 7,72 МеВ і 8,49 МеВ. Різниця енергій зв'язку цих ядер, що дорівнює 0,77 МеВ, відповідає енергії кулонівського відштовхування двох протонів в ядрі. Вважаючи цю величину рівної, можна знайти, що середня відстань rміж протонами в ядрі дорівнює 1,9 · 10 -15 м, що узгоджується з величиною радіуса дії ядерних сил.

4. Ядерні сили не є центральними і залежать від взаємної орієнтації спінів взаємодіючих нуклонів. Це підтверджується різним характером рассеяніянейтронов молекулами орто- і параводорода. У молекулі ортоводорода спини обох протонів паралельні один одному, а в молекулі параводорода вони антіпараллельни. Досліди показали, що розсіяння нейтронів на параводорода в 30 разів перевищує розсіювання на ортоводорода.

Складний характер ядерних сил не дозволяє розробити єдину послідовну теорію ядерного взаємодії, хоча було запропоновано багато різних підходів. Відповідно до гіпотези японського фізика Х. Юкави (1907-1981), яку він запропонував в 1935 р, ядерні сили обумовлені обміном - мезонами, тобто елементарними частинками, маса яких приблизно в 7 разів менше маси нуклонів. За цією моделлю нуклон за час m- маса мезона) випускає мезон, який, рухаючись зі швидкістю, близькою до швидкості світла, проходить відстань , Після чого поглинається другим нуклоном. У свою чергу другий нуклон також випускає мезон, який поглинається першим. У моделі Х. Юкави, таким чином, відстань, на якому взаємодіють нуклони, визначається довжиною пробігу мезонів, що відповідає відстані близько м і по порядку величини збігається з радіусом дії ядерних сил.

Звернемося до розгляду обмінного взаємодії між нуклонами. Існують позитивний, негативний і нейтральний мезони. Модуль заряду - або - мезонів чисельно дорівнює елементарному заряду e . Маса заряджених - мезонів однакова і дорівнює (140 МеВ), Маса - мезона дорівнює 264 (135 МеВ). Спін як заряджених, так і нейтральних - мезонів дорівнює 0. Усі три частки нестабільні. Час життя - і - мезонів становить 2,6 з, - мезона - 0,8 · 10 -16 з. Взаємодія між нуклонами здійснюється по одній з наступних схемою:

1. Нуклони обмінюються мезонами:. (22.8)

В цьому випадку протон випускає - мезон, перетворюючись в нейтрон. Мезон поглинається нейтроном, який внаслідок цього перетворюється в протон, потім такий же процес відбувається у зворотному напрямку. Таким чином, кожен з взаємодіючих нуклонів частину часу проводить в зарядженому стані, а частина в нейтральному.

2. Нуклони обмінюються - мезонами:

3. Нуклони обмінюються - мезонами:

, (22.10)

Всі ці процеси доведені експериментально. Зокрема, перший процес підтверджується при проходженні пучка нейтронів через водень. У пучку з'являються рухомі протони, а відповідне число практично покояться нейтронів виявляється в мішені.

Моделі ядра. під моделлю ядра в ядерній фізиці розуміють сукупність фізичних і математичних припущень за допомогою яких можна розрахувати характеристики ядерної системи, що складається з А нуклонів.

Гідродинамічна (крапельна) модель ядраВ її основу покладено припущення про те, що завдяки великій щільності нуклонів в ядрі і надзвичайно сильного взаємодії між ними незалежний рух окремих нуклонів є неможливим і ядро \u200b\u200bявляє собою краплю зарядженої рідини щільністю .

Оболочечная модель ядра У ній передбачається, що кожен нуклон рухається незалежно від інших в деякому середньому потенційному полі (потенційної ямі, створюваному іншими нуклонами ядра.

Узагальнена модель ядра, Об'єднує основні положення творців гідродинамічної і оболочечной моделей. В узагальненій моделі передбачається, що ядро \u200b\u200bскладається з внутрішньої стійкої частини - остова, який утворений нуклонами заповнених оболонок, і зовнішніх нуклонів, що рухаються в поле, створюваному нуклонами остова. У зв'язку з цим рух остова описується гідродинамічної моделлю, а рух зовнішніх нуклонів - оболочечной. За рахунок взаємодії з зовнішніми нуклонами остов може деформуватися, а ядро \u200b\u200b- обертатися навколо осі, перпендикулярній осі деформації.

26. Реакції ділення атомних ядер. Ядерна енергетика.

ядерними реакціями називаються перетворення атомних ядер, викликані їх взаємодією один з одним або з іншими ядрами або елементарними частинками. Перше повідомлення про ядерної реакції належить Е. Резерфорд. У 1919р він виявив, що коли - частинки проходять через газоподібний азот, деякі з них поглинаються, причому одночасно відбувається випускання протонів. Резерфорд прийшов до висновку, що ядра азоту перетворювалися в ядра кисню в результаті ядерної реакції виду:

, (22.11)

де - - частка; - протон (водень).

Важливим параметром ядерної реакції є її енергетичний вихід, який визначаться по формулі:

(22.12)

Тут і - суми мас спокою частинок до реакції і після неї. При ядерні реакції протікають з поглинанням енергії, тому вони називаються ендотермічними, а при - з виділенням енергії. У цьому випадку вони називаються екзотермічні.

У будь-ядерної реакції завжди виконуються закони збереження :

− електричного заряду;

- числа нуклонів;

- енергії;

- імпульсу.

Перші два закони дозволяють правильно записувати ядерні реакції навіть у тих випадках, коли одна з частинок, що беруть участь в реакції, або один з його продуктів невідомі. За допомогою законів збереження енергії та імпульсу можна визначити кінетичні енергії частинок, які утворюються в процесі реакції, а також напрямки їх подальшого руху.

Для характеристики ендотермічних реакцій вводиться поняття порогова кінетична енергія , або поріг ядерної реакції , тобто найменша кінетична енергія налітаючої частки (в системі відліку, де ядро-мішень спочиває), при якій ядерна реакція стає можливою. Із закону збереження енергії і імпульсу випливає, що гранична енергія ядерної реакції розраховується за формулою:

. (22.13)

Тут - енергія ядерної реакції (7.12); -маса нерухомого ядра - мішені; - маса налетающей на ядро \u200b\u200bчастинки.

реакції ділення. У 1938р німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман виявили, що при бомбардуванні урану нейтронами іноді виникають ядра приблизно вдвічі менші, ніж вихідне ядро \u200b\u200bурану. Це явище було названо розподілом ядра.

Воно являє собою першу експериментально спостережувану реакцію ядерних перетворень. Прикладом може служити одна з можливих реакцій поділу ядра урану-235:

Процес поділу ядер протікає дуже швидко за час ~ 10 -12 с. Енергія, яка виділяється в процесі реакції типу (22.14), становить приблизно 200 МеВ на один акт поділу ядра урану-235.

У загальному випадку реакцію поділу ядра урану-235 можна записати у вигляді:

+ нейтрони . (22.15)

Пояснити механізм реакції поділу можна в рамках гідродинамічної моделі ядра. Відповідно до цієї моделі при поглинанні нейтрона ядром урану воно переходить в збуджений стан (рис. 22.2).

Надлишкова енергія, яку отримує ядро \u200b\u200bвнаслідок поглинання нейтрона, викликає більш інтенсивний рух нуклонів. В результаті ядро \u200b\u200bдеформується, що призводить до ослаблення короткодіючого ядерного взаємодії. Якщо енергія збудження ядра більше деякої енергії, званої енергією активації , То під впливом електростатичного відштовхування протонів ядро \u200b\u200bрозщеплюється на дві частини, з випусканням нейтронів ділення . Якщо енергія збудження при поглинанні нейтрона менше енергії активації, то ядро \u200b\u200bне доходить до

критичної стадії розподілу і, випустивши - квант, повертається в основну

Що об'єднує ядра?

Сильне ядерна взаємодія

Протони - аналоги атомів, а ядра - аналоги молекул?

Немає ядра без нейтрона, крім як у водню

Нейтрони в ролі пастухів протонів

Це говорить про дві речі:

Останнє твердження проілюстровано на малюнку нижче.

Як розмір атома залежить від маси його електронів

Відомо, що електрони мають невелику масу в порівнянні з протонами і нейтронами. Звідси слідує що

маса атома, по суті близька до маси його ядра,
розмір атома (по суті розмір електронного хмари) обернено пропорційний масі електронів і обернено пропорційний загальної електромагнітної силі; принцип невизначеності квантової механіки грає вирішальну роль.

А якщо ядерні сили аналогічні електромагнітним

Що дає облік суттєвої різниці ядерних і електромагнітних сил

протони і нейтрони майже в 2000 разів важче, ніж електрони,
на цих відстанях, велика ядерна сила між протонами і нейтронами в ядрі у багато разів більше, ніж відповідні електромагнітні сили (в тому числі електромагнітного відштовхування між протонами в ядрі.)

Короткий діапазон ядерної сили

Фізичний механізм ядерного взаємодії

Ядерні сили: будова ядра від найпростішого до більшого

Резюмуючи все вищесказане, можна відзначити:

сильне ядерне взаємодія набагато, набагато слабкіше, ніж електромагнетизм на відстанях, значно більших, ніж розмір типового ядра, так що ми не стикаємося з ним в повсякденному житті; але
на коротких відстанях, порівнянних з ядром, воно стає набагато сильніше - сила тяжіння (за умови, що відстань не надто короткий), здатна подолати електричне відштовхування між протонами.

1.3.1 . Ядро будь-якого атома має складну структуру і складається з годину-тиц, званих нуклонами. Відомо два типи нуклонів - протони і нейтрони .
протони - нуклони масою 1 а.е.м. з позитивним зарядом, рівним одиниці, тобто елементарному заряду електрона.
нейтрони - електронейтральні нуклони масою 1 а.е.м.
*) Строго кажучи, маси спокою протонів і нейтронів кілька від-личать: m р \u003d 1.6726. 10 -24 г , А m n \u003d 1.67439. 10 -24 г . Про це відмінності мова попереду.

1.3.2. Так як маса ядра практично дорівнює A, заряд ядра - z, а маси протона і нейтрона практично рівні, при таких уявленнях слід прийняти як належне, що ядро електронейтральних стійкого атома складається зz протонів і (A - z ) Нейтронів.Отже, атом-ний номер елемента - є не що інше як протонний заряд ядра атома, виражений в елементарних зарядах електрона.Іншими словами, z - це число протонів в ядрі атома.

1.3.3 . Наявність в ядрі протонів (часток з електричним зарядом од-ного знака) внаслідок кулонівських сил відштовхування між ними мало б привести до розльоту нуклонів. У реальності цього не відбувається. Існування в природі безлічі стійких ядер призводить до висновку про існування між нуклонами ядра більш потужних, ніж кулонови, ядерних сил тяжіння, які, долаючи кулоновское відштовхування протонів, стягують нуклони в стійку структуру - ядро.

1.3.4. Розміри ядер атомів, визначені за формулою (1.4), є величини порядку 10 -13 см. Звідси перша властивість ядерних сил (в отли-чие від кулонових, гравітаційних та інших) - короткодіючого: ядерні сили діють тільки на малих відстанях, порівнянних по порядку величини з розмірами самих нуклонів.
Навіть не знаючи точно, що за матеріальне утворення є протон або нейтрон, можна оцінити їх ефективні розміри як ді-діаметром сфери, на поверхні якої ядерне тяжіння двох сусідніх протонів врівноважується їх кулоновским відвернути. Експерименти на прискорювачах з розсіювання ядрами електронів дозволили оце-нить ефективний радіус нуклона R н ≈ 1.21. 10 -13 см.

1.3.5 . З короткодіючого ядерних сил випливає друге їхнє свойс-тво, коротко іменоване насиченням . Це означає, що будь-який нуклон ядра взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з обмеженим числом нуклонів, що є його безпосередніми сусідами.

1.3.6. Третя властивість ядерних сил - їх равнодействие. Оскільки передбачається, що сили взаємодії між нуклонами обох видів є силами однієї природи, то тим самим підтверджується, що на рівних відстанях по-рядка 10 -13 см два протона, два нейтрона або протон з нейтроном взаємо-діють однаково.

1.3.7. Протон у вільному стані (Тобто поза атомних ядер ) стабільний . Нейтрон у вільному стані тривалий час існувати не мо-же: він зазнає розпад на протон, електрон і антинейтрино з пери-одом напіврозпаду T 1/2 \u003d 11.2 хв. за схемою:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Антинейтрино (n) - електронейтральна частинка матерії з нульовою масою спокою.

1.3.8. Отже, будь-який ядро \u200b\u200bвважається повністю индивидуализирован-ним, якщо відомі дві його основні характеристики - число протонів z і масове число A, оскільки різниця (A - z) визначає число нейтро-нів в ядрі. Індивідуалізовані ядра атомів прийнято в загальному випадку називати нуклідами.
Серед безлічі нуклідів (а їх в даний час відомо більше 2000 - природних і штучних) є такі, у яких одна з двох згаданих характеристик однакова, а інша - відрізняється за величиною.
Нукліди з однаковим z (числом протонів) називають ізотопами. Пос-кольку атомний номер визначає відповідно до Періодичним Зак-ном Д. І. Менделєєва індивідуальність тільки хімічнихвластивостей атома елемента, про ізотопи завжди говорять з посиланням на відповід-ющий хімічний елемент в Періодичної Системі.
Наприклад, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U - все це ізотопи урану, який в Періодичної Системі елементів має порядковий номер z \u003d 92.
ізотопи будь-якого хімічного елемента , Як бачимо , мають рівне чис-ло протонів, але різні числа нейтронів.

Нукліди рівної маси (A ), але з різними зарядами z називають изобарами . Ізобари, на відміну від ізотопів, - нукліди різних хі-чеських елементів.
приклади. 11 В 5 і 11 С 4 - ізобари нуклідів бору і вуглецю; 7 Li 3 і 7 Ве 4 - ізобари нуклідів літію та берилію; 135 J 53, 135 Xe 54 і 135 Cs 55 - також є изобарами йоду, ксенону і цезію відповідно.

1.3.9 . З формули (1.4) можна оцінити щільність нуклонів в отруту-рах і масову щільність ядерної речовини. Вважаючи ядро \u200b\u200bсферою з ради-вусом R і з кількістю нуклонів в її обсязі, що дорівнює A, число нуклонів в одиниці об'єму ядра знайдемо як:
N н \u003d A / V я \u003d 3А / 4pR 3 \u003d 3А / 4p (1.21. 10 -13 A 1/3) 3 \u003d 1.348. 10 38 нукл / см 3,
а, так як маса одного нуклона дорівнює 1 а.е.м. \u003d 1.66056. 10 -24 г , То щільність ядерної речовини знайдеться як:
γ яв \u003d Nm н \u003d 1.348. 10 38 .1.66056. 10 -24 ≈ 2.238. 10 14 г / см 3.= 223 800 000 т / см 3
Порядок наведеного розрахунку свідчить про те, що щільність ядерної речовини однакова в ядрах всіх хімічних елементів.
Обсяг. припадає на 1 нуклон в ядрі, V я/ A \u003d 1 / N \u003d 1 / 1.348. 10 38 \u003d 7.421. 10 -39 см 3
- також однаковий для всіх ядер, тому середня відстань між центрами сусідніх нуклонів в будь-якому ядрі (яке можна умовно назвати середнім діаметром нуклона) дорівнюватиме
D н \u003d (V я) 1/3 \u003d (7.421. 10 -39) 1/3 \u003d 1.951. 10 -13 см .

1.3.10. Про щільності розташування протонів і нейтронів в ядрі ато-ма до теперішнього часу мало що відомо. Оскільки протони, в отли-чие від нейтронів, схильні до дії не тільки ядерного і гравітації-ційного тяжіння, але і кулонівського відштовхування, можна припустити, що протонний заряд ядра більш-менш рівномірно розподілений по його поверхні.

В кінці навчання багато старшокласників, їх батьки і тисячі молодих фахівців коштують перед складним вибором - вибором вищого навчального закладу (ВНЗ). Зорієнтуватися і не розгубитися в різноманітті університетів, інститутів і факультетів досить складно. Читайте відгуки про ВНЗ, залишені студентами, викладачами, випускниками, перед тим як отримати. Правильний вибір навчального закладу - запорука успіху в майбутній кар'єрі!

1. Ядерні сили є короткодіючими силами тяжіння . Вони проявляються лише на вельми малих відстанях між нуклонами в ядрі близько 10 -15 м. Відстань порядку (1,5 - 2,2) · 10 -15 м називається радіусом дії ядерних сил, з його збільшенням ядерні сили швидко зменшуються. На відстані близько (2-3) м ядерна взаємодія між нуклонами практично відсутня.

Складний характер ядерних сил не дозволяє розробити єдину послідовну теорію ядерного взаємодії, хоча було запропоновано багато різних підходів. Відповідно до гіпотези японського фізика Х. Юкави, яку він запропонував в 1935 р, ядерні сили обумовлені обміном - мезонами, тобто елементарними частинками, маса яких приблизно в 7 разів менше маси нуклонів. За цією моделлю нуклон за час m- маса мезона) випускає мезон, який, рухаючись зі швидкістю, близькою до швидкості світла, проходить відстань , Після чого поглинається другим нуклоном. У свою чергу другий нуклон також випускає мезон, який поглинається першим. У моделі Х. Юкави, таким чином, відстань, на якому взаємодіють нуклони, визначається довжиною пробігу мезонів, що відповідає відстані близько м і по порядку величини збігається з радіусом дії ядерних сил.

Звернемося до розгляду обмінного взаємодії між нуклонами. Існують позитивний, негативний і нейтральний мезони. Модуль заряду - або - мезонів чисельно дорівнює елементарному заряду e. Маса заряджених - мезонів однакова і дорівнює (140 МеВ), Маса - мезона дорівнює 264 (135 МеВ). Спін як заряджених, так і нейтральних - мезонів дорівнює 0. Усі три частки нестабільні. Час життя - і - мезонів становить 2,6 з, - мезона - 0,8 · 10 -16 з. Взаємодія між нуклонами здійснюється по одній з наступних схемою:

(22.7)
1. Нуклони обмінюються мезонами:

2. Нуклони обмінюються - мезонами:

3. Нуклони обмінюються - мезонами:

. (22.10)

Моделі ядра. Відсутність математичного закону для ядерних сил не дозволяє створити і єдиної теорії ядра. Спроби створення такої теорії наштовхуються на серйозні труднощі. Ось деякі з них:

1. Недостатність знань про сили, що діють між нуклонами.

2. Надзвичайну громіздкість квантової задачі багатьох тіл (ядро з масовим числом А являє собою систему з А тел).

Ці труднощі змушують йти по шляху створення ядерних моделей, що дозволяють описувати за допомогою порівняно простих математичних засобів певну сукупність властивостей ядра. Жодна з подібних моделей не може дати абсолютно точний опис ядра. Тому доводиться користуватися декількома моделями.

під моделлю ядра в ядерній фізиці розуміють сукупність фізичних і математичних припущень за допомогою яких можна розрахувати характеристики ядерної системи, що складається з А нуклонів. Було запропоновано і розроблено багато моделей різного ступеня складності. Ми розглянемо лише найбільш відомі з них.

Гідродинамічна (крапельна) модель ядрабула розроблена в 1939р. Н. Бором і радянським вченим Я. Френкелем. В її основу покладено припущення про те, що завдяки великій щільності нуклонів в ядрі і надзвичайно сильного взаємодії між ними незалежний рух окремих нуклонів є неможливим і ядро \u200b\u200bявляє собою краплю зарядженої рідини щільністю. Як і у випадку звичайної краплі рідини, поверхня ядра може коливатися. Якщо амплітуда коливань стає досить великою, відбувається процес поділу ядра. Крапельна модель дала можливість отримати формулу для енергії зв'язку нуклонів в ядрі, пояснила механізм деяких ядерних реакцій. Однак ця модель не дозволяє пояснити більшість спектрів збудження атомних ядер і особливу стійкість деяких з них. Це обумовлено тим, що гідродинамічна модель дуже наближено відображає суть внутрішньої будови ядра.

Оболочечная модель ядра розроблена в 1940-1950 рр американським фізиком М. Гепперт - Майер і німецьким фізиком Х. Єнсена. У ній передбачається, що кожен нуклон рухається незалежно від інших в деякому середньому потенційному полі (потенційної ямі, створюваному іншими нуклонами ядра. В рамках оболонкової моделі функції не обчислюється, а підбирається так, щоб можна було домогтися найкращого згоди з досвідченими даними.

Глибина потенційної ями становить зазвичай ~ (40-50) МеВ і не залежить від кількості нуклонів в ядрі. Відповідно до квантової теорії нуклони в поле знаходяться на певних дискретних рівнях енергії. Основне припущення творців оболочечной моделі про незалежне русі нуклонів в середньому потенційному полі знаходиться в протиріччі з основними положеннями розробників гідродинамічної моделі. Тому характеристики ядра, які добре описуються гідродинамічної моделлю (наприклад, значення енергії зв'язку), не знаходять пояснення в рамках оболонкової моделі, і навпаки.

Узагальнена модель ядра , Розроблена в 1950-1953гг, об'єднує основні положення творців гідродинамічної і оболочечной моделей. В узагальненій моделі передбачається, що ядро \u200b\u200bскладається з внутрішньої стійкої частини - остова, який утворений нуклонами заповнених оболонок, і зовнішніх нуклонів, що рухаються в поле, створюваному нуклонами остова. У зв'язку з цим рух остова описується гідродинамічної моделлю, а рух зовнішніх нуклонів - оболочечной. За рахунок взаємодії з зовнішніми нуклонами остов може деформуватися, а ядро \u200b\u200b- обертатися навколо осі, перпендикулярній осі деформації. Узагальнена модель дозволила пояснити основні особливості обертальних і коливальних спектрів атомних ядер, а також високі значення квадрупольного електричного моменту у деяких з них.

Ми розглянули основні феноменологічні, тобто описові, моделі ядра. Однак для повного розуміння характеру ядерних взаємодій, що визначають властивості і структуру ядра, необхідно створити таку теорію, в якій ядро \u200b\u200bрозглядалося б як система взаємодіючих нуклонів.