Správa na tému jadrových síl. Jadrové sily a ich vlastnosti

JADROVÉ SILY

JADROVÉ SILY

Fyzický encyklopedický slovník. - M.: Sovietska encyklopédia. . 1983 .

JADROVÉ SILY

Interakčné sily medzi nukleónmi; poskytujú väčšie množstvo jadrovej väzbovej energie v porovnaní s inými systémami. Som s. sú najviac dôležitý a bežný príklad silná interakcia(SV). Kedysi boli tieto pojmy synonymom a samotný výraz „“ bol zavedený, aby zdôraznil obrovskú veľkosť Ya. v porovnaní s inými silami známymi v prírode: elektricko-magnetické, slabé, gravitačné. Po otvorení p -, r - atď. mezóny, hyperóny atď. hadróny termín „silný“ sa začal používať v širšom zmysle - ako interakcia hadrónov. V 70. rokoch 20. storočia kvantová chromodynamika(QCD) sa etabloval ako všeobecne uznávaný mikroskop. SV teória. Podľa tejto teórie sú zložené častice pozostávajúce z kvarky A gluóny, a SV začali chápať interakciu týchto fondov. častice.

Na druhej strane, Ya. s. ako medzi sily interakcie medzi nukleónmi patria nielen SW, ale aj el.-magn., slabé a gravitačné. interakcie nukleónov. Z pohľadu moderného teórie, el.-magn. a slabé interakcie sú prejavom jedného, ​​zásadnejšieho, elektroslabá interakcia. Avšak v tých časopriestorových mierkach (~10 -13 cm, ~10 -23 s), ktoré sa zvyčajne riešia v atómových jadrách, je jediná povaha elektrického magnetu. a slabé sily sa prakticky neobjavujú a možno ich považovať za nezávislé. Tieto interakcie, ktoré sú oveľa slabšie ako SW, sú vo väčšine jadrových procesov nevýznamné, ale sú možné situácie, keď sa ich úloha stane rozhodujúcou. Takže el.-magn. interakcia (ktorej najvýznamnejšou časťou je Coulombovo odpudzovanie medzi protónmi) je na rozdiel od SV diaľková. Preto podmienené ním bude klásť. Coulombovo jadro sa zvyšuje so zvyšujúcim sa počtom častíc A v jadre je rýchlejší ako negatívny. časť jadrovej energetiky vďaka SW. V dôsledku toho sa stávajú ťažké jadrá A nestabilné - najprv vzhľadom na štiepenie (pozri. jadrové štiepenie), a potom úplne nestabilné. Co slabá interakcia nukleóny sú spojené s takým javom, ako je nezachovanie parity pri rozptyle nukleón-nukleón a pri iných jadrových javoch (pozri. nezachovanie parity v jadrách). Gravitácia sily pôsobiace medzi nukleónmi sú pri všetkých jadrových javoch zanedbateľné a významné sú len v astrofyzike. podmienky (viď Neutrón).

Základom Ya.s. je silná interakcia nukleónov. Silná interakcia nukleónov v jadrách sa líši od interakcie voľných nukleónov, ale tá druhá je základom, na ktorom je postavená celá teória jadrovej energie. Táto interakcia má izotopová invariantnosť. Jeho podstatou je, že interakcia medzi 2 neutrónmi, 2 protónmi alebo medzi protónom a neutrónom v rovnakých kvantových stavoch je rovnaká. Preto môžeme hovoriť o interakcii medzi nukleónmi bez toho, aby sme špecifikovali, o ktorých nukleónoch hovoríme (pozri tiež Izotopová invariancia jadrové sily). Som s. sú krátkeho dosahu (ich akčný rádius je ~10 -13 cm) a majú vlastnosť saturácie, čo znamená, že s nárastom počtu nukleónov v jadre tep. nukleóny zostávajú približne konštantné (obr. 1). To vedie k možnosti existencie jadrovej hmoty.

Pretože sa nukleóny v jadre pohybujú spravidla relatívne nízkou rýchlosťou (3-4 krát nižšou ako rýchlosť svetla), potom na zostavenie modelu SW nukleónov v jadrách možno použiť nerelativistickú teóriu a približne opísať jeho potenciál, čo je funkcia vzdialenosti r medzi nukleónmi. Na rozdiel od Coulomba a gravitácie. potenciály nepriamo úmerné vzdialenosti, Ya.s. záleží na r oveľa ťažšie. Okrem toho potenciál Ya. závisí od spinov nukleónov a orbitálnej hybnosti L relatívny pohyb nukleónov.

Nerelativistický potenciál Ya.s. obsahuje niekoľko komponenty: centrálny V C, tenzor V T, spin-orbita VLS a kvadratický spin-orbitálny potenciál VLL. Naíb. dôležitý - centrálny - je kombináciou silného odpudzovania na krátke vzdialenosti (t. j. jadrovej hmoty). Existujú modely SW nukleónov s nekonečným („tvrdým“) jadrom (napríklad fenomenologický Hamada-Johnstonov potenciál), ako aj realistickejšie. modely s konečným („mäkkým“) jadrom (napríklad Reidov potenciál, obr. 2). Od konca 50. roky 20. storočia Uskutočnili sa pokusy vybudovať potenciál Ya. na základe teórie poľa interakcie mezón-nukleón. Zjavné ťažkosti takejto teórie sú spojené s vysokou silou interakcie a neaplikovateľnosťou teórie porúch a metód na nej založených. Semi-fenomenologický je veľmi populárny. potenciál „jednobozónovej výmeny“, založenej na konceptoch teórie mezón-nukleónového poľa, ale s použitím najjednoduchšieho modelu výmeny jedného mezónu. Ukázalo sa, že na opísanie príťažlivosti na stredné vzdialenosti je potrebné okrem známych mezóny p, p, w,... zavádzajú aj zámenu neexistujúceho s-mezónu, ktorý sa interpretuje ako ef. berúc do úvahy výmenu dvoch p-mezónov. Interakčné konštanty mezón-nukleón sa považovali za fenomenologické. parametre, ktoré boli vybrané tak, aby potenciál opísal experiment. fázy nukleón-nukleónového rozptylu. Ukázalo sa, že w- a r-mezóny sú zodpovedné za odpudzovanie na krátku vzdialenosť a za príťažlivosť na veľkú vzdialenosť - pí mezón. Jednopiónový výmenný člen prispieva k centrálnemu a tenzorovému potenciálu:

Kde f p NN- konštanta interakcie pion-nukleón, T p - hmotnosť piónu, l= s/m p = 1,4 fm - Comptonova vlnová dĺžka pivonka, a s 1 , s 2-otáčkový Pauliho matrice. Ako je možné vidieť z výrazov (1), (2), jednopiónový výmenný potenciál klesá exponenciálne na vzdialenosť rádovo Comptonovej dĺžky piónu. DR. členy jednobozónového výmenného potenciálu majú rovnaký typ exponenciály. faktorov, ale s Comptonovými dĺžkami zodpovedajúcich bozónov, ktorých je niekoľko. krát menej ako pivonka. V takýchto vzdialenostiach je niekoľko výmen. piony môžu byť rovnako významné ako výmena jedného ťažkého mezónu. To vysvetľuje, prečo sú termíny zodpovedajúce výmene ťažkých mezónov vnímané ako semifenomenologické. Zároveň je typ potenciálu Ya.c na veľké vzdialenosti nepochybne opísaný výrazmi (1), (2). Takže asymptotické. všetky bez výnimky majú fenomenologický vzhľad. potenciály. Momentálne max. za presné sa považuje tzv. parížsky a bonnský potenciál, ktoré spájajú fenomenologické črty. soft-core potenciály a jednobozónové výmenné potenciály.

Moderné predstavy o povahe SW založeného na QCD nastolili problém výpočtu potenciálu SW nukleónov v rámci QCD, ktorý však ešte nie je vyriešený, keďže jednoduchší problém konštrukcie teórie jedného nukleónu nie je vyriešený. Je ich viacero kvarkové modely hadróny, z ktorých najviac je známy model tašiek v rôznych typoch. možnosti. Umožňuje nám kvalitatívne pochopiť povahu odpudivého jadra, odhadnúť jeho polomer a výšku, ale neumožňuje vypočítať typ potenciálu na veľké vzdialenosti. Z pohľadu QCD je veľkou otázkou postavenie mezónov (s výnimkou p-mezónu) pri tvorbe SW potenciálu nukleónov: k výmene ťažkých mezónov medzi nukleónmi dochádza na tak malé vzdialenosti, že ich kvark - gluónová povaha sa stáva významnou. Zvláštne miesto v QCD teórii SW patrí p-mezónu. Podľa moderných ideí, sa interpretuje ako kolektívne vákuum, pozostávajúce z veľkého počtu kvark-antikvark ( zlatý kameň, spojené so spontánnym rozpadom QCD chirálna symetria). Preto vo väčšine moderných Všetky ostatné hadróny sa považujú za tvorené malým počtom kvarkov (antikvarkov, gluónov) a r-mezón je navyše zavedený ako nezávislá častica. Z tohto hľadiska je pochopiteľný stav potenciálov (1), (2) ako opisujúcich „chvost“ nukleónového interakčného potenciálu.

Od st. vzdialenosť medzi nukleónmi v jadre (1,8 fm) veľmi nepresahuje akčný rádius jadrového systému, potom v jadrách pôsobia mnohočasticové (predovšetkým 3-časticové) sily vznikajúce v dôsledku výmeny kvarkov a gluónov medzi niekoľkými . nukleóny takmer súčasne. Z hľadiska hadrónov to zodpovedá procesom výmeny mezónov napríklad medzi tromi nukleónmi, ktoré nemožno zredukovať na súbor po sebe nasledujúcich párových výmen. Ch. Úlohu pri vytváraní 3-časticových síl zohráva výmena p-mezónov a bytostí. prispieva aj virtuálna excitácia D-izobary - prvého excitovaného nukleónu. D-izobary sú teda hlavné nenukleónové stupne voľnosti, ktoré sú dôležité v jadrových procesoch. Sily mnohých častíc v jadrách sú relatívne malé: ich príspevok k väzbovej energii nepresahuje 10-15%. Sú však javy, kde hrajú hlavnú úlohu. úlohu.

Ch. diel el.-magn. Interakcia nukleónov je Coulombovo odpudzovanie medzi protónmi. Na veľké vzdialenosti je určený iba nábojmi protónov. SV vedie k tomu, že el protón nie je bodový, ale rozmiestnený vo vzdialenostiach 1 fm (stredný štvorcový polomer protónu je 0,8 fm; pozri "Veľkosť" elementárnej častice). Elektrické interakcia na krátke vzdialenosti závisí aj od rozloženia náboja vo vnútri protónu. Toto je moderné. SW teória nevie spoľahlivo vypočítať, ale je pomerne dobre známa z experimentov. údaje o rozptyle elektrónov a protónov. Neutróny sú vo všeobecnosti elektricky neutrálne, ale kvôli SW náboju vo vnútri neutrónu tiež existuje, čo vedie k elektrike. interakcia medzi dvoma neutrónmi a medzi neutrónom a protónom. Magn. interakcia medzi neutrónmi je v dôsledku veľkej magnitúdy rovnakého rádu ako medzi protónmi anomálny magnetický moment, spôsobené SV. Menej jasná je situácia so slabou interakciou nukleónov. Hoci je slabá interakcia dobre známa, SW vedie k renormalizácii zodpovedajúcich interakčných konštánt (analóg anomálneho magnetického momentu) a vzhľadu tvarové faktory. Rovnako ako v prípade el.-magn. interakcie, účinky slabej interakcie nemožno spoľahlivo vypočítať, ale v tomto prípade nie sú experimentálne známe. Dostupné údaje o veľkosti nekonzervačných účinkov parity v 2-nukleónovom systéme umožňujú určiť intenzitu tejto interakcie, ale nie jej štruktúru. Je ich viacero alternatívne modely slabej interakcie nukleónov, ktoré rovnako dobre opisujú 2-nukleónové experimenty, ale vedú k rozdielom. dôsledky pre atómové jadrá.

Lit.: Bohr O., Mottelson B., Štruktúra atómového jadra, trans. z angličtiny, zväzok 1-2, M., 1971-77; Calogero F., Simonov Yu.A., Jadrové sily, saturácia a štruktúra jadier, v: Budúcnosť vedy, v. 9, M., 1976. E. E. Saperstein.

Fyzická encyklopédia. V 5 zväzkoch. - M.: Sovietska encyklopédia. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988 .

Pozrite sa, čo je „NUCLEAR FORCES“ v iných slovníkoch:

Moderná encyklopédia

Sily, ktoré držia nukleóny (protóny a neutróny) v jadre. Jadrové sily pôsobia len vo vzdialenostiach nie väčších ako 10-13 cm a dosahujú hodnotu 100-1000 krát väčšiu ako sila vzájomného pôsobenia elektrických nábojov. Jadrové sily nezávisia od náboja...... Veľký encyklopedický slovník

Jadrové sily- JADROVÉ SILY, sily, ktoré držia nukleóny (protóny a neutróny) v jadre. Jadrové sily pôsobia len vo vzdialenostiach nie väčších ako 10-13 cm, sú 100-1000-krát väčšie ako sila interakcie elektrických nábojov a nezávisia od náboja nukleónov. Jadrové sily... Ilustrovaný encyklopedický slovník

Súhrnný názov jednotiek, útvarov a združení určených na plnenie vojenských úloh s použitím jadrových zbraní. Pojem „jadrové sily“ zahŕňa: vojenské formácie vyzbrojené rôznymi nosičmi... ... Námorný slovník

JADROVÉ SILY- cm… Veľká polytechnická encyklopédia

Sily, ktoré držia nukleóny (protóny a neutróny) v jadre. Spôsobujú najintenzívnejšie interakcie známe vo fyzike (pozri Silné interakcie). Som s. sú krátkeho dosahu (ich akčný rádius Jadrové sily je 10 13 cm, ... ... Veľká sovietska encyklopédia

jadrové sily- Sily krátkeho dosahu, ktoré viažu protóny a neutróny v atómových jadrách; majú vlastnosť nábojovej nezávislosti. [A.S. Goldberg. Anglicko-ruský energetický slovník. 2006] Témy: energia vo všeobecnosti EN jadrové sily ... Technická príručka prekladateľa

Atómové jadro, pozostávajúce z určitého počtu protónov a neutrónov, je jeden celok vďaka špecifickým silám, ktoré pôsobia medzi nukleónmi jadra a sú tzv. jadrové. Experimentálne bolo dokázané, že jadrové sily majú veľmi veľké hodnoty, oveľa väčšie ako sily elektrostatického odpudzovania medzi protónmi. To sa prejavuje v skutočnosti, že špecifická väzbová energia nukleónov v jadre je oveľa väčšia ako práca vykonaná Coulombovými odpudzovacími silami. Uvažujme o hlavných črtách jadrových síl.

1. Jadrové sily sú príťažlivé sily krátkeho dosahu . Vyskytujú sa len vo veľmi malých vzdialenostiach medzi nukleónmi v jadre rádovo 10–15 m.Vzdialenosť rádovo (1,5 – 2,2)·10–15 m sa nazýva polomer pôsobenia jadrových síl, s jej nárastom jadrové sily rýchlo klesajú. Vo vzdialenosti rádovo (2-3) m jadrová interakcia medzi nukleónmi prakticky chýba.

2. Jadrové sily majú vlastnosť nasýtenia, tie. každý nukleón interaguje iba s určitým počtom najbližších susedov. Táto povaha jadrových síl sa prejavuje v približnej stálosti špecifickej väzbovej energie nukleónov pri čísle náboja A>40. Ak by totiž nedošlo k saturácii, potom by špecifická väzbová energia rástla s počtom nukleónov v jadre.

3. Znakom jadrových síl je aj ich účtovná nezávislosť , t.j. nezávisia od náboja nukleónov, takže jadrové interakcie medzi protónmi a neutrónmi sú rovnaké. Nábojová nezávislosť jadrových síl je viditeľná z porovnania väzbových energií zrkadlové jadrá . Takto sa nazývajú jadrá, v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký, ale počet protónov v jednom sa rovná počtu neutrónov v druhom. Napríklad väzbové energie jadier hélia a ťažkého vodíka – trícia sú 7,72. MeV a 8,49 MeV. Rozdiel vo väzbových energiách týchto jadier, rovný 0,77 MeV, zodpovedá energii Coulombovho odpudzovania dvoch protónov v jadre. Za predpokladu, že sa táto hodnota rovná , môžeme zistiť, že priemerná vzdialenosť r medzi protónmi v jadre je 1,9·10 –15 m, čo je v súlade s polomerom pôsobenia jadrových síl.

4. Jadrové sily nie sú centrálne a závisia od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich nukleónov. Potvrdzuje to rozdielny charakter rozptylu neutrónov orto- a paravodíkových molekúl. V molekule ortovodíka sú spiny oboch protónov navzájom paralelné, zatiaľ čo v molekule paravodíka sú antiparalelné. Experimenty ukázali, že rozptyl neutrónov na paravodíku je 30-krát väčší ako rozptyl na ortovodíku.

Komplexná povaha jadrových síl neumožňuje vyvinúť jedinú konzistentnú teóriu jadrovej interakcie, hoci bolo navrhnutých mnoho rôznych prístupov. Podľa hypotézy japonského fyzika H. Yukawu, ktorú navrhol v roku 1935, sú jadrové sily spôsobené výmenou - mezóny, t.j. elementárne častice, ktorých hmotnosť je približne 7-krát menšia ako hmotnosť nukleónov. Podľa tohto modelu nukleón v čase m- mezónová hmotnosť) vyžaruje mezón, ktorý pri pohybe rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla prekonáva vzdialenosť , po ktorom je absorbovaný druhým nukleónom. Na druhej strane druhý nukleón tiež emituje mezón, ktorý je absorbovaný prvým. V modeli H. Yukawu je teda vzdialenosť, pri ktorej nukleóny interagujú, určená dĺžkou mezónovej dráhy, ktorá zodpovedá vzdialenosti asi m a rádovo sa zhoduje s polomerom pôsobenia jadrových síl.

Prejdime k úvahe o výmennej interakcii medzi nukleónmi. Existujú pozitívne, negatívne a neutrálne mezóny. Modul náboja - alebo - mezóny sa číselne rovná elementárnemu náboju e. Hmotnosť nabitých mezónov je rovnaká a rovná sa (140 MeV), hmotnosť mezónu je 264 (135 MeV). Spin nabitých aj neutrálnych mezónov je 0. Všetky tri častice sú nestabilné. Životnosť - a - mezónov je 2,6 s, - mezón – 0,8·10 -16 s. Interakcia medzi nukleónmi sa uskutočňuje podľa jednej z nasledujúcich schém:

(22.7)
1. Nukleóny si vymieňajú mezóny:

V tomto prípade protón vyžaruje mezón a mení sa na neutrón. Mezón je absorbovaný neutrónom, ktorý sa následne zmení na protón, potom sa rovnaký proces uskutoční v opačnom smere. Každý z interagujúcich nukleónov teda strávi časť času v nabitom stave a časť v neutrálnom stave.

2. Výmena nukleónov - mezóny:

3. Výmena nukleónov - mezóny:

. (22.10)

Všetky tieto procesy boli experimentálne overené. Najmä prvý proces je potvrdený, keď neutrónový lúč prechádza vodíkom. V lúči sa objavujú pohyblivé protóny a v cieli sa deteguje zodpovedajúci počet prakticky pokojných neutrónov.

Modely jadra. Absencia matematického zákona pre jadrové sily neumožňuje vytvorenie jednotnej teórie jadra. Pokusy o vytvorenie takejto teórie narážajú na vážne ťažkosti. Tu sú niektoré z nich:

1. Nedostatok vedomostí o silách pôsobiacich medzi nukleónmi.

2. Extrémna ťažkopádnosť kvantového problému mnohých telies (jadro s hmotnostným číslom A je systémom A tel).

Tieto ťažkosti nás nútia vydať sa cestou vytvárania jadrových modelov, ktoré umožňujú popísať určitý súbor jadrových vlastností pomocou relatívne jednoduchých matematických prostriedkov. Žiadny z týchto modelov nemôže poskytnúť absolútne presný popis jadra. Preto musíte použiť niekoľko modelov.

Pod model jadra v jadrovej fyzike rozumejú súboru fyzikálnych a matematických predpokladov, pomocou ktorých je možné vypočítať charakteristiky jadrového systému pozostávajúceho z A nukleóny. Bolo navrhnutých a vyvinutých mnoho modelov rôzneho stupňa zložitosti. Budeme brať do úvahy iba najznámejšie z nich.

Hydrodynamický (kvapkový) model jadra bol vyvinutý v roku 1939. N. Bohr a sovietsky vedec J. Frenkel. Vychádza z predpokladu, že v dôsledku vysokej hustoty nukleónov v jadre a mimoriadne silnej interakcie medzi nimi je nemožný samostatný pohyb jednotlivých nukleónov a jadrom je kvapka nabitej kvapaliny s hustotou . Rovnako ako pri bežnej kvapke kvapaliny môže povrch jadra oscilovať. Ak je amplitúda vibrácií dostatočne veľká, dochádza k procesu jadrového štiepenia. Kvapôčkový model umožnil získať vzorec pre väzbovú energiu nukleónov v jadre a vysvetlil mechanizmus niektorých jadrových reakcií. Tento model však nevysvetľuje väčšinu excitačných spektier atómových jadier a špeciálnu stabilitu niektorých z nich. Je to spôsobené tým, že hydrodynamický model veľmi približne odráža podstatu vnútornej štruktúry jadra.

Shell model jadra vyvinuli v rokoch 1940-1950 americký fyzik M. Geppert - Mayer a nemecký fyzik H. Jensen. Predpokladá, že každý nukleón sa pohybuje nezávisle od ostatných v nejakom priemernom potenciálnom poli (potenciálna studňa vytvorená zvyšnými nukleónmi jadra. V rámci modelu obalu sa funkcia nevypočítava, ale volí sa tak, aby čo najlepšia zhoda s možno získať experimentálne údaje.

Hĺbka potenciálnej studne je zvyčajne ~ (40-50) MeV a nezávisí od počtu nukleónov v jadre. Podľa kvantovej teórie sú nukleóny v poli na určitých diskrétnych energetických úrovniach. Hlavný predpoklad tvorcov škrupinového modelu o nezávislom pohybe nukleónov v priemernom potenciálnom poli je v rozpore so základnými ustanoveniami vývojárov hydrodynamického modelu. Preto charakteristiky jadra, ktoré sú dobre opísané hydrodynamickým modelom (napríklad hodnota väzbovej energie), nie je možné vysvetliť v rámci modelu plášťa a naopak.

Zovšeobecnený model jadra , vyvinutý v rokoch 1950-1953, spája hlavné ustanovenia tvorcov hydrodynamického a škrupinového modelu. Vo zovšeobecnenom modeli sa predpokladá, že jadro pozostáva z vnútornej stabilnej časti – jadra, ktoré je tvorené nukleónmi vyplnených obalov, a vonkajších nukleónov pohybujúcich sa v poli vytvorenom nukleónmi jadra. V tomto ohľade je pohyb jadra opísaný hydrodynamickým modelom a pohyb vonkajších nukleónov modelom obalu. V dôsledku interakcie s vonkajšími nukleónmi sa jadro môže deformovať a jadro sa môže otáčať okolo osi kolmej na os deformácie. Zovšeobecnený model umožnil vysvetliť hlavné črty rotačných a vibračných spektier atómových jadier, ako aj vysoké hodnoty kvadrupólového elektrického momentu niektorých z nich.

Uvažovali sme o hlavných fenomenologických, t.j. popisné modely jadra. Na úplné pochopenie podstaty jadrových interakcií, ktoré určujú vlastnosti a štruktúru jadra, je však potrebné vytvoriť teóriu, v ktorej by sa jadro považovalo za systém interagujúcich nukleónov.

Atómové jadro, pozostávajúce z určitého počtu protónov a neutrónov, je jeden celok vďaka špecifickým silám, ktoré pôsobia medzi nukleónmi jadra a sú tzv. jadrové. Experimentálne bolo dokázané, že jadrové sily majú veľmi veľké hodnoty, oveľa väčšie ako sily elektrostatického odpudzovania medzi protónmi. To sa prejavuje v skutočnosti, že špecifická väzbová energia nukleónov v jadre je oveľa väčšia ako práca vykonaná Coulombovými odpudzovacími silami. Uvažujme o hlavných črtách jadrových síl.

1. Jadrové sily sú príťažlivé sily krátkeho dosahu . Objavujú sa len vo veľmi malých vzdialenostiach medzi nukleónmi v jadre rádovo 10 –15 m Dĺžka (1,5 – 2,2) 10 –15 m je tzv. rozsah jadrových síl s rastúcou vzdialenosťou medzi nukleónmi rýchlo klesajú. Vo vzdialenosti (2-3) m jadrová interakcia prakticky chýba.

2. Jadrové sily majú vlastnosť nasýtenia, tie. každý nukleón interaguje iba s určitým počtom najbližších susedov. Táto povaha jadrových síl sa prejavuje v približnej stálosti špecifickej väzbovej energie nukleónov pri čísle náboja A>40. Ak by totiž nedošlo k saturácii, potom by špecifická väzbová energia rástla s počtom nukleónov v jadre.

3. Znakom jadrových síl je aj ich účtovná nezávislosť , t.j. nezávisia od náboja nukleónov, preto sú jadrové interakcie medzi protónmi a neutrónmi rovnaké.Nábojová nezávislosť jadrových síl je viditeľná z porovnania väzbových energií zrkadlové jadrá.Tak sa nazývajú jadrá, v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký, ale počet protónov v jednom sa rovná počtu neutrónov v druhom. Napríklad väzbové energie jadier hélia a ťažkého vodíka – trícia sú 7,72. MeV a 8,49 MeV Rozdiel vo väzbových energiách týchto jadier, rovný 0,77 MeV, zodpovedá energii Coulombovho odpudzovania dvoch protónov v jadre. Za predpokladu, že táto hodnota je rovnaká, môžeme zistiť, že priemerná vzdialenosť r medzi protónmi v jadre je 1,9·10 –15 m, čo je v súlade s polomerom pôsobenia jadrových síl.

4. Jadrové sily nie sú centrálne a závisia od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich nukleónov. Potvrdzuje to rozdielny charakter rozptylu neutrónov orto- a paravodíkových molekúl. V molekule ortovodíka sú spiny oboch protónov navzájom paralelné, zatiaľ čo v molekule paravodíka sú antiparalelné. Experimenty ukázali, že rozptyl neutrónov z paravodíka je 30-krát väčší ako rozptyl z ortovodíka.

Komplexná povaha jadrových síl neumožňuje vyvinúť jedinú konzistentnú teóriu jadrovej interakcie, hoci bolo navrhnutých mnoho rôznych prístupov. Podľa hypotézy japonského fyzika H. Yukawu (1907-1981), ktorú navrhol v roku 1935, sú jadrové sily spôsobené výmenou - mezóny, t.j. elementárne častice, ktorých hmotnosť je približne 7-krát menšia ako hmotnosť nukleónov. Podľa tohto modelu nukleónový čas m- mezónová hmota) vyžaruje mezón, ktorý pri pohybe rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla prekoná vzdialenosť, po ktorej je absorbovaný druhým nukleónom. Na druhej strane druhý nukleón tiež emituje mezón, ktorý je absorbovaný prvým. V modeli H. Yukawu je teda vzdialenosť, pri ktorej nukleóny interagujú, určená dĺžkou mezónovej dráhy, ktorá zodpovedá vzdialenosti asi m a rádovo sa zhoduje s polomerom pôsobenia jadrových síl.

Otázka 26. Štiepne reakcie. V roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn (1879-1968) a F. Strassmann (1902-1980) zistili, že keď je urán bombardovaný neutrónmi, niekedy sa objavia jadrá, ktoré sú približne polovičné ako pôvodné jadro uránu. Tento jav bol tzv jadrové štiepenie.

Predstavuje prvú experimentálne pozorovanú reakciu jadrovej transformácie. Príkladom je jedna z možných štiepnych reakcií jadra uránu-235:

Proces jadrového štiepenia prebieha veľmi rýchlo (v priebehu ~10 -12 s). Energia uvoľnená pri reakcii typu (7.14) je približne 200 MeV na jednu štiepnu udalosť jadra uránu-235.

Vo všeobecnosti možno štiepnu reakciu jadra uránu-235 napísať ako:

Neutróny (7,15)

Mechanizmus štiepnej reakcie možno vysvetliť v rámci hydrodynamického modelu jadra. Podľa tohto modelu, keď je neutrón absorbovaný jadrom uránu, prechádza do excitovaného stavu (obr. 7.2).

Nadbytočná energia, ktorú jadro dostáva v dôsledku absorpcie neutrónu, spôsobuje intenzívnejší pohyb nukleónov. V dôsledku toho dochádza k deformácii jadra, čo vedie k oslabeniu jadrovej interakcie krátkeho dosahu. Ak je excitačná energia jadra väčšia ako určitá energia tzv aktivačnej energie , potom sa jadro pod vplyvom elektrostatického odpudzovania protónov rozdelí na dve časti a emituje štiepne neutróny . Ak je excitačná energia pri absorpcii neutrónu menšia ako aktivačná energia, potom jadro nedosiahne

kritickej fáze štiepenia a po vyžarovaní kvanta sa vracia na zem

štát.

Dôležitou vlastnosťou jadrovej štiepnej reakcie je schopnosť realizovať na jej základe samoudržiavaciu jadrovú reťazovú reakciu. . Je to spôsobené tým, že pri každom štiepení vzniká v priemere viac ako jeden neutrón. Hmotnosť, náboj a kinetická energia úlomkov X A Uh, vznikajúce pri štiepnej reakcii typu (7.15) sú rôzne. Tieto fragmenty sú rýchlo inhibované médiom, čo spôsobuje ionizáciu, zahrievanie a narušenie jeho štruktúry. Využitie kinetickej energie štiepnych úlomkov v dôsledku ich zahrievania prostredia je základom premeny jadrovej energie na tepelnú energiu. Fragmenty jadrového štiepenia sú po reakcii v excitovanom stave a emitovaním prechádzajú do základného stavu β - častice a -kvanta.

Riadená jadrová reakcia vykonávané v nukleárny reaktor a je sprevádzané uvoľňovaním energie. Prvý jadrový reaktor postavili v roku 1942 v USA (Chicago) pod vedením fyzika E. Fermiho (1901 - 1954). V ZSSR bol prvý jadrový reaktor vytvorený v roku 1946 pod vedením I. V. Kurchatova. Potom, po získaní skúseností s riadením jadrových reakcií, začali stavať jadrové elektrárne.

Otázka 27. Syntetická reakcia. Jadrová fúzia nazývaná fúzna reakcia protónov a neutrónov alebo jednotlivých ľahkých jadier, v dôsledku ktorej vzniká ťažšie jadro. Najjednoduchšie reakcie jadrovej fúzie sú:

AQ = 17,59 MeV; (7,17)

Výpočty ukazujú, že energia uvoľnená pri reakciách jadrovej fúzie na jednotku hmotnosti výrazne prevyšuje energiu uvoľnenú pri reakciách jadrového štiepenia. Pri štiepnej reakcii jadra uránu-235 sa uvoľní približne 200 MeV, t.j. 200:235 = 0,85 MeV na nukleón a počas fúznej reakcie (7.17) je uvoľnená energia približne 17,5 MeV, t.j. 3,5 MeV na nukleón (17,5:5 = 3,5 MeV). teda proces fúzie je približne 4-krát účinnejší ako proces štiepenia uránu (na jeden nukleón jadra podieľajúceho sa na štiepnej reakcii).

Vysoká rýchlosť týchto reakcií a relatívne vysoké uvoľňovanie energie robia z rovnakej zmesi deutéria a trícia najsľubnejšiu na riešenie problému riadená termonukleárna fúzia. Nádeje ľudstva na vyriešenie energetických problémov sú spojené s riadenou termonukleárnou fúziou. Situácia je taká, že zásoby uránu, ako suroviny pre jadrové elektrárne, sú na Zemi obmedzené. Ale deutérium obsiahnuté v oceánskej vode je takmer nevyčerpateľným zdrojom lacného jadrového paliva. Situácia s tríciom je o niečo komplikovanejšia. Trícium je rádioaktívne (jeho polčas rozpadu je 12,5 roka, rozkladová reakcia je :) a v prírode sa nevyskytuje. Preto zabezpečiť prac fúzny reaktor pri použití trícia ako jadrového paliva musí byť zabezpečená možnosť jeho reprodukcie.

Na tento účel musí byť pracovný priestor reaktora obklopený vrstvou ľahkého izotopu lítia, v ktorom bude prebiehať reakcia.

V dôsledku tejto reakcie sa vytvorí izotop vodíka trícium ().

V budúcnosti sa uvažuje o vytvorení nízkorádioaktívneho termonukleárneho reaktora so zmesou izotopu deutéria a hélia, fúzna reakcia má podobu:

MeV.(7.20)

Výsledkom tejto reakcie, v dôsledku absencie neutrónov v produktoch syntézy, môže byť biologické nebezpečenstvo reaktora znížené o štyri až päť rádov v porovnaní s reaktormi na jadrové štiepenie a termonukleárnymi reaktormi pracujúcimi na deutérium a tríciové palivo, a odpadá potreba priemyselného spracovania rádioaktívnych materiálov a ich prepravy, likvidácia rádioaktívneho odpadu je kvalitatívne zjednodušená. Vyhliadky na vytvorenie v budúcnosti ekologického termonukleárneho reaktora so zmesou deutéria () s izotopom hélia () však komplikuje problém surovín: prírodné zásoby izotopu hélia na Zemi sú zanedbateľné. Vplyv deutéria v budúcnosti ekologického termonukleára

Na ceste k realizácii fúznych reakcií v pozemských podmienkach vzniká problém elektrostatického odpudzovania ľahkých jadier, keď sa priblížia na vzdialenosti, na ktoré začnú pôsobiť jadrové príťažlivé sily, t.j. asi 10 -15 m, po ktorom nastáva proces ich splývania v dôsledku tunelový efekt. Aby sa prekonala potenciálna bariéra, zrážajúce sa ľahké jadrá musia dostať energiu ≈10 keV,čo zodpovedá teplote T ≈10 8 K a vyššie. Preto termonukleárne reakcie v prirodzených podmienkach prebiehajú iba vo vnútri hviezd. Na ich realizáciu v pozemských podmienkach je potrebné silné zahriatie látky buď jadrovým výbuchom, alebo silným výbojom plynu, alebo obrovským pulzom laserového žiarenia, alebo bombardovaním intenzívnym zväzkom častíc. Termonukleárne reakcie sa doteraz uskutočňovali len pri skúšobných výbuchoch termonukleárnych (vodíkových) bômb.

Základné požiadavky, ktoré musí spĺňať termonukleárny reaktor ako zariadenie na realizáciu riadenej termonukleárnej fúzie, sú nasledovné.

Po prvé, je potrebné spoľahlivé zadržiavanie horúcej plazmy (≈108 K) v reakčnej zóne. Základná myšlienka, ktorá na dlhé roky určovala spôsoby riešenia tohto problému, bola vyjadrená v polovici 20. storočia v ZSSR, USA a Veľkej Británii takmer súčasne. Táto myšlienka je použitie magnetických polí na zadržiavanie a tepelnú izoláciu vysokoteplotnej plazmy.

Po druhé, pri prevádzke s palivom obsahujúcim trícium (čo je vysoko rádioaktívny izotop vodíka) dôjde k radiačnému poškodeniu stien komory fúzneho reaktora. Podľa odborníkov mechanická odolnosť prvej steny komory pravdepodobne nepresiahne 5-6 rokov. To znamená, že kvôli mimoriadne vysokej zvyškovej rádioaktivite musí byť zariadenie pravidelne úplne demontované a následne znovu zmontované pomocou diaľkových robotov.

Po tretie, hlavnou požiadavkou, ktorú musí termonukleárna fúzia spĺňať, je, aby uvoľnená energia v dôsledku termonukleárnych reakcií viac než kompenzovala energiu spotrebovanú z vonkajších zdrojov na udržanie samotnej reakcie. Veľmi zaujímavé sú „čisté“ termonukleárne reakcie,

neprodukujúce neutróny (pozri (7.20) a reakciu nižšie:

Otázka 28. Rádioaktívny rozpad α−, β−, γ− žiarenia.

Pod rádioaktivita pochopiť schopnosť niektorých nestabilných atómových jadier spontánne sa transformovať na iné atómové jadrá s emisiou rádioaktívneho žiarenia.

Prirodzená rádioaktivita rádioaktivita pozorovaná v prirodzene sa vyskytujúcich nestabilných izotopoch.

Umelá rádioaktivita je rádioaktivita izotopov získaná v dôsledku jadrových reakcií uskutočňovaných v urýchľovačoch a jadrových reaktoroch.

Rádioaktívne premeny nastávajú so zmenou štruktúry, zloženia a energetického stavu jadier atómov a sú sprevádzané emisiou alebo záchytom nabitých alebo neutrálnych častíc a uvoľňovaním krátkovlnného žiarenia elektromagnetickej povahy (kvantá gama žiarenia). Tieto emitované častice a kvantá sa súhrnne nazývajú rádioaktívne (alebo ionizujúce ) žiarenie a prvky, ktorých jadrá sa môžu z toho či onoho dôvodu spontánne rozpadnúť (prírodné alebo umelé), sa nazývajú rádioaktívne, resp. rádionuklidy . Príčinou rádioaktívneho rozpadu je nerovnováha medzi jadrovými (krátky dosah) príťažlivými silami a elektromagnetickými (ďalekými) odpudivými silami kladne nabitých protónov.

Ionizujúce žiarenie– prúd nabitých alebo neutrálnych častíc a kvantá elektromagnetického žiarenia, ktorých prechod cez látku vedie k ionizácii a excitácii atómov alebo molekúl prostredia. Svojím charakterom sa delí na fotónové (gama žiarenie, brzdné žiarenie, röntgenové žiarenie) a korpuskulárne (alfa žiarenie, elektrón, protón, neutrón, mezón).

Z 2500 v súčasnosti známych nuklidov je stabilných len 271. Zvyšok (90 %!) je nestabilný, t.j. rádioaktívne; jedným alebo viacerými po sebe nasledujúcimi rozpadmi, sprevádzanými emisiou častíc alebo γ-kvant, sa menia na stabilné nuklidy.

Štúdium zloženia rádioaktívneho žiarenia umožnilo rozdeliť ho na tri rôzne zložky: α-žiarenie je prúd kladne nabitých častíc - jadier hélia (), β žiarenie - tok elektrónov alebo pozitrónov, γ žiarenie – tok krátkovlnného elektromagnetického žiarenia.

Typicky sú všetky druhy rádioaktivity sprevádzané emisiou gama lúčov - tvrdého, krátkovlnného elektromagnetického žiarenia. Gama lúče sú hlavnou formou znižovania energie excitovaných produktov rádioaktívnych premien. Jadro prechádzajúce rádioaktívnym rozpadom sa nazýva materská; vznikajúce dcérska spoločnosť jadro je spravidla excitované a jeho prechod do základného stavu je sprevádzaný emisiou kvanta.

Ochranné zákony. Počas rádioaktívneho rozpadu sa zachovávajú tieto parametre:

1. Nabite . Elektrický náboj nemožno vytvoriť ani zničiť. Celkový náboj pred a po reakcii musí byť zachovaný, hoci môže byť medzi rôznymi jadrami a časticami rozdelený odlišne.

2. Hromadné číslo alebo počet nukleónov po reakcii sa musí rovnať počtu nukleónov pred reakciou.

3. Celková energia . Coulombova energia a energia ekvivalentných hmotností musia byť zachované pri všetkých reakciách a rozpadoch.

4.Hybnosť a uhlová hybnosť . Zachovanie lineárnej hybnosti je zodpovedné za distribúciu Coulombovej energie medzi jadrá, častice a/alebo elektromagnetické žiarenie. Moment hybnosti sa vzťahuje na rotáciu častíc.

α-rozpad nazývaná emisia z atómového jadra α− častice. O α− rozpad, ako vždy musí byť splnený zákon zachovania energie. Zároveň akékoľvek zmeny energie systému zodpovedajú úmerným zmenám jeho hmotnosti. Preto pri rádioaktívnom rozpade musí hmotnosť materského jadra prevyšovať hmotnosť produktov rozpadu o hodnotu zodpovedajúcu kinetickej energii systému po rozpade (ak bolo materské jadro pred rozpadom v pokoji). Teda v prípade α− musí byť splnená podmienka rozkladu

kde je hmotnosť materského jadra s hmotnostným číslom A a sériové číslo Z, je hmotnosť dcérskeho jadra a je hmotnosť α− častice. Každá z týchto hmotností môže byť reprezentovaná ako súčet hmotnostného čísla a hmotnostného defektu:

Dosadením týchto výrazov pre hmotnosti do nerovnosti (8.2) dostaneme nasledujúcu podmienku pre α− rozpad:, (8.3)

tie. rozdiel v hmotnostných defektoch materského a dcérskeho jadra musí byť väčší ako hmotnostný defekt α− častice. Teda kedy α− rozpad, hmotnostné čísla materského a dcérskeho jadra sa musia navzájom líšiť o štyri. Ak je rozdiel v hmotnostných číslach štyri, potom keď hmotnostné defekty prírodných izotopov vždy klesajú so zvyšovaním A. Teda, keď nerovnosť (8.3) nie je splnená, keďže hmotnostný defekt ťažšieho jadra, ktorým by malo byť materské jadro, je menší ako hmotnostný defekt ľahšieho jadra. Preto, kedy α− jadrový rozpad nenastáva. To isté platí pre väčšinu umelých izotopov. Výnimkou je niekoľko ľahkých umelých izotopov, u ktorých sú skoky vo väzbovej energii, a teda aj v hmotnostných defektoch, v porovnaní so susednými izotopmi obzvlášť veľké (napríklad izotop berýlia, ktorý sa rozpadá na dva α− častice).

Energia α− častice vznikajúce pri rozpade jadier sú obsiahnuté v relatívne úzkom rozmedzí od 2 do 11 MeV. Súčasne existuje tendencia polčasu klesať so zvyšujúcou sa energiou α− častice. Táto tendencia je zrejmá najmä pri postupných rádioaktívnych transformáciách v rámci rovnakej rádioaktívnej rodiny (Geiger-Nattallov zákon). Napríklad energiu α− častice pri rozpade uránu (T = 7,1 . 10 8 rokov) je 4,58 Mev počas rozpadu protaktínia (T = 3,4 . 10 4 rokov) - 5,04 Maev počas rozpadu polónia (T = 1,83 . 10 -3 s)- 7,36Mev.

Všeobecne povedané, jadrá rovnakého izotopu môžu emitovať α− častice s niekoľkými presne definovanými energetickými hodnotami (v predchádzajúcom príklade je uvedená najvyššia energia). Inými slovami, α− častice majú diskrétne energetické spektrum. Toto je vysvetlené nasledovne. Dcérske jadro, ktoré je výsledkom rozpadu, môže byť podľa zákonov kvantovej mechaniky v niekoľkých rôznych stavoch, v každom z nich má určitú energiu. Stav s čo najnižšou energiou je stabilný a je tzv Hlavná . Zvyšné stavy sú tzv vzrušený . Jadro v nich môže zostať veľmi krátky čas (10 -8 - 10 -12 s) a potom prejde do stavu s nižšou energiou (nie nevyhnutne hneď do hlavnej) s emisiou γ− kvantový.

Prebieha α− Existujú dve fázy rozpadu: formácia α− častice z jadrových nukleónov a emisie α− častice s jadrom.

Beta rozpad (žiarenie). Koncept rozpadu kombinuje tri typy spontánnych vnútrojadrových premien: rozpad elektrónov, rozpad pozitrónov a záchyt elektrónov ( E- zachytiť).

Existuje podstatne viac beta rádioaktívnych izotopov ako alfa rádioaktívnych izotopov. Sú prítomné v celom rozsahu zmien hmotnostných čísel jadier (od ľahkých po najťažšie).

Beta rozpad atómových jadier je spôsobený slabá interakcia elementárnych častíc a rovnako ako -rozpad podlieha určitým zákonom. Počas rozpadu sa jeden z neutrónov v jadre zmení na protón, pričom sa uvoľní elektrón a elektrónové antineutríno. Tento proces prebieha podľa nasledujúcej schémy: . (8,8)

Počas - rozpadu sa jeden z protónov jadra premení na neutrón s emisiou pozitrónu a elektrónového neutrína:

Voľný neutrón, ktorý nie je súčasťou jadra, sa spontánne rozpadá podľa reakcie (8.8) s polčasom rozpadu asi 12 minút, čo je možné, pretože hmotnosť neutrónu je amu. väčšia ako hmotnosť protónu a.m.u. o hodnotu amu, ktorá prevyšuje pokojovú hmotnosť elektrónu amu. (kľudová hmotnosť neutrína je nula). Rozpad voľného protónu zakazuje zákon zachovania energie, keďže súčet pokojových hmotností výsledných častíc - neutrónu a pozitrónu - je väčší ako hmotnosť protónu. Rozpad (8.9) protónu je teda možný len v jadre, ak je hmotnosť dcérskeho jadra menšia ako hmotnosť materského jadra o množstvo väčšie ako pokojová hmotnosť pozitrónu (zvyškové hmotnosti pozitrónu a elektrónu sú si rovné). Na druhej strane, podobná podmienka musí byť splnená v prípade rozpadu neutrónu obsiahnutého v jadre.

Okrem procesu prebiehajúceho podľa reakcie (8.9) môže k premene protónu na neutrón dôjsť aj záchytom elektrónu protónom so súčasnou emisiou elektrónového neutrína.

Rovnako ako proces (8.9), proces (8.10) sa nevyskytuje s voľným protónom. Ak sa však protón nachádza vo vnútri jadra, potom môže zachytiť jeden z orbitálnych elektrónov svojho atómu za predpokladu, že súčet hmotností materského jadra a elektrónu je väčší ako hmotnosť dcérskeho jadra. Samotná možnosť stretnutia protónov umiestnených vo vnútri jadra s orbitálnymi elektrónmi atómu je spôsobená skutočnosťou, že podľa kvantovej mechaniky sa pohyb elektrónov v atóme nevyskytuje po presne definovaných dráhach, ako to uznáva Bohrova teória. , ale existuje určitá pravdepodobnosť stretnutia s elektrónom v ktorejkoľvek oblasti priestoru vo vnútri atómu, najmä v oblasti obsadenej jadrom.

Jadrová premena spôsobená záchytom orbitálneho elektrónu sa nazýva E- zachytiť. Najčastejšie dochádza k záchytu elektrónu patriaceho do K-plášťa najbližšie k jadru (K-záchyt). K zachyteniu elektrónu obsiahnutého v nasledujúcom L-plášte (L-capture) dochádza približne 100-krát menej často.

Gama žiarenie. Gama žiarenie je krátkovlnné elektromagnetické žiarenie, ktoré má extrémne krátku vlnovú dĺžku a v dôsledku toho výrazné korpuskulárne vlastnosti, t.j. je prúd kvanta s energiou ( ν − frekvencia žiarenia), hybnosť a spin J(v jednotkách ħ ).

Gama žiarenie sprevádza rozpad jadier, vzniká pri anihilácii častíc a antičastíc, pri spomaľovaní rýchlo nabitých častíc v médiu, pri rozpade mezónov, je prítomné v kozmickom žiarení, pri jadrových reakciách atď. zistili, že excitované jadro vytvorené v dôsledku rozpadu môže prejsť sériou stredných, menej excitovaných stavov. Preto žiarenie toho istého rádioaktívneho izotopu môže obsahovať niekoľko druhov kvánt, líšiacich sa navzájom energetickými hodnotami. Životnosť excitovaných stavov jadier sa zvyčajne prudko zvyšuje s poklesom ich energie a so zväčšovaním rozdielu medzi jadrovými spinmi v počiatočnom a koncovom stave.

Kvantová emisia sa vyskytuje aj počas radiačného prechodu atómového jadra z excitovaného stavu s energiou E i na zem alebo menej excitovaný stav s energiou E k (E i >E k). Podľa zákona zachovania energie (až do energie spätného rázu jadra) je energia kvanta určená výrazom: . (8.11)

Počas žiarenia sú splnené aj zákony zachovania hybnosti a momentu hybnosti.

Vzhľadom na diskrétnosť energetických hladín jadra má žiarenie čiarové spektrum energie a frekvencií. V skutočnosti je energetické spektrum jadra rozdelené na diskrétne a spojité oblasti. V oblasti diskrétneho spektra sú vzdialenosti medzi energetickými hladinami jadra výrazne väčšie ako šírka energie Gúroveň určená životnosťou jadra v tomto stave:

Čas určuje rýchlosť rozpadu excitovaného jadra:

kde je počet jadier v počiatočnom čase (); počet nerozpadnutých jadier naraz t.

otázka 29. Zákony posunutia. Pri vyžarovaní častice stráca jadro dva protóny a dva neutróny. Preto má výsledné (dcérske) jadro v porovnaní s pôvodným (materským) jadrom hmotnostné číslo menšie o štyri a poradové číslo o dve.

Pri rozpade sa teda získa prvok, ktorý v periodickej tabuľke zaberá miesto o dve bunky vľavo v porovnaní s originálom:. (8,14)

Počas rozpadu sa jeden z neutrónov v jadre zmení na protón s emisiou elektrónu a antineutrína (–rozpad). V dôsledku rozpadu zostáva počet nukleónov v jadre nezmenený. Preto sa hmotnostné číslo nemení, inými slovami, dochádza k premene jednej izobary na inú. Mení sa však náboj dcérskeho jadra a jeho atómové číslo. Pri –rozpade, keď sa neutrón zmení na protón, sa atómové číslo zvýši o jeden, t.j. v tomto prípade sa objaví prvok, ktorý je v periodickej tabuľke posunutý o jednu bunku doprava v porovnaní s pôvodnou:

Počas rozpadu, keď sa protón zmení na neutrón, sa atómové číslo zníži o jednu a novovzniknutý prvok sa v periodickej tabuľke posunie o jednu bunku doľava:

Vo výrazoch (8.14) − (8.16) X- symbol materského jadra, Y– symbol dcérskeho jadra; – jadro hélia a – symbolické označenie elektrónu, pre ktorý A= 0 a Z= –1 a pozitrón, pre ktorý A= 0 a Z=+1.

Prirodzene vznikajú rádioaktívne jadrá tri rádioaktívne rodiny , volal uránová rodina (), rodina tórií ()A rodina morských sasaniek (). Svoje mená dostali podľa dlhožijúcich izotopov s najdlhším polčasom rozpadu. Všetky rodiny po reťazci α− a β− rozpadov končia na stabilných jadrách izotopov olova – , a. Neptúniová rodina, počnúc transuránovým prvkom neptunium, sa vyrába umelo a končí pri izotope bizmutu.

Naša úloha: predstaviť základné vlastnosti jadrových síl vyplývajúce z dostupných experimentálnych údajov.

Začnime zoznamom známych vlastností jadrových síl, aby sme potom mohli prejsť k ich odôvodneniu:

• Toto sú sily príťažlivosti.
• Pôsobia krátkodobo.
• Sú to sily veľkej veľkosti (v porovnaní s elektromagnetickými, slabými a gravitačnými).
• Majú vlastnosť sýtosti.
• Jadrové sily závisia od vzájomnej orientácie interagujúcich nukleónov.
• Nie sú centrálne.
• Jadrové sily nezávisia od náboja interagujúcich častíc.
• Závisia od relatívnej orientácie rotácie a orbitálnej hybnosti.
• Jadrové sily majú výmenný charakter.
• Na krátke vzdialenosti ( r m) sú odpudivé sily.

Niet pochýb o tom, že jadrové sily sú sily príťažlivosti. V opačnom prípade by Coulombove sily odpudzovania protónov znemožnili existenciu jadier.

Vlastnosť nasýtenia jadrových síl vyplýva zo správania sa závislosti špecifickej väzbovej energie od hmotnostného čísla (pozri prednášku).

Závislosť väzbovej energie na nukleón od hmotnostného čísla

Ak by nukleóny v jadre interagovali so všetkými ostatnými nukleónmi, interakčná energia by bola úmerná počtu kombinácií A 2 každý, t.j. A(A-1)/2 ~ A 2. Potom bola väzbová energia na nukleón úmerná A. V skutočnosti, ako je zrejmé z obrázku, je približne konštantná ~ 8 MeV. To naznačuje obmedzený počet nukleónových väzieb v jadre.

Vlastnosti vyplývajúce zo štúdia viazaného stavu – deuterónu

Deuterón 2 1 H je jediným viazaným stavom dvoch nukleónov – protónu a neutrónu. Neexistujú žiadne viazané stavy protón - protón a neutrón - neutrón. Uveďme si experimentálne známe vlastnosti deuterónu.

• Väzbová energia nukleónov v deuteróne Gd = 2,22 MeV.
• Nemá vzrušené stavy.
• Deuteron spin J = 1, parita je kladná.
• Magnetický moment deuterónu μ d = 0,86 μ i, Tu μ i = 5,051·10-27 J/T - jadrový magnetón.
• Štvorpólový elektrický moment je kladný a rovný Q = 2,86-10-31 m 2

Pri prvej aproximácii možno interakciu nukleónov v deuteróne opísať pravouhlou potenciálovou jamou

Tu μ - znížená hmotnosť rovná μ = m p m n /(m p + m n).

Táto rovnica sa dá zjednodušiť zavedením funkcie χ = r*Ψ(r). Dostaneme

Riešime samostatne pre regióny r a r > a(berte to do úvahy E pre viazaný stav, ktorý hľadáme)

Koeficient B musí byť nastavené na nulu, inak keď r → 0 vlnová funkcia Ψ = χ/r otáča sa do nekonečna; a koeficient B1 = 0, inak sa riešenie rozchádza pri r → ∞.

Riešenia musia byť spojené r = a, t.j. prirovnať hodnoty funkcií a ich prvých derivácií. Toto dáva

Obr.1 Grafické riešenie rovnice (1) Obr.

Nahradenie hodnôt do poslednej rovnice k, k 1 a veriť E = -G d získame rovnicu týkajúcu sa väzbovej energie Gd, hĺbka jamy U 0 a jeho šírka a

Pravá strana, vzhľadom na nízku väzbovú energiu, je malé záporné číslo. Preto je argument kotangens blízky π/2 a mierne ju prevyšuje.

Ak vezmeme experimentálnu hodnotu väzbovej energie deuterónu Gd = 2,23 MeV, potom pre produkt a 2 ·U 0 dostaneme ~2,1·10 -41 m 2 J (bohužiaľ, individuálne hodnoty U 0 A a nemožno získať). Čudujem sa rozumne a = 2,10-15 m (vyplýva z experimentov o rozptyle neutrónov, viac neskôr), pre hĺbku potenciálnej studne získame približne 33 MeV.

Vynásobme ľavú a pravú stranu rovnice (1). a a zaviesť pomocné premenné x = ka A y = k1a. Rovnica (1) má tvar

Atómové jadro, pozostávajúce z určitého počtu protónov a neutrónov, je jeden celok vďaka špecifickým silám, ktoré pôsobia medzi nukleónmi jadra a sú tzv. jadrové. Experimentálne bolo dokázané, že jadrové sily majú veľmi veľké hodnoty, oveľa väčšie ako sily elektrostatického odpudzovania medzi protónmi. To sa prejavuje v skutočnosti, že špecifická väzbová energia nukleónov v jadre je oveľa väčšia ako práca vykonaná Coulombovými odpudzovacími silami. Pozrime sa na to hlavné vlastnosti jadrových síl.

1. Jadrové sily sú príťažlivé sily krátkeho dosahu . Objavujú sa len vo veľmi malých vzdialenostiach medzi nukleónmi v jadre rádovo 10 –15 m.Vzdialenosť rádovo (1,5 – 2,2) 10 –15 m je tzv. rozsah jadrových síl, s jeho nárastom jadrové sily rýchlo klesajú. Vo vzdialenosti rádovo (2-3) m jadrová interakcia medzi nukleónmi prakticky chýba.

2. Jadrové sily majú vlastnosť nasýtenia, tie. každý nukleón interaguje iba s určitým počtom najbližších susedov. Táto povaha jadrových síl sa prejavuje v približnej stálosti špecifickej väzbovej energie nukleónov pri čísle náboja A>40. Ak by totiž nedošlo k saturácii, potom by špecifická väzbová energia rástla s počtom nukleónov v jadre.

3. Znakom jadrových síl je aj ich účtovná nezávislosť , t.j. nezávisia od náboja nukleónov, takže jadrové interakcie medzi protónmi a neutrónmi sú rovnaké. Nábojová nezávislosť jadrových síl je viditeľná z porovnania väzbových energií zrkadlové jadrá . Takto sa nazývajú jadrá, v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký, ale počet protónov v jednom sa rovná počtu neutrónov v druhom. Napríklad väzbové energie jadier hélia a ťažkého vodíka – trícia sú 7,72. MeV a 8,49 MeV. Rozdiel vo väzbových energiách týchto jadier, rovný 0,77 MeV, zodpovedá energii Coulombovho odpudzovania dvoch protónov v jadre. Za predpokladu, že sa táto hodnota rovná , môžeme zistiť, že priemerná vzdialenosť r medzi protónmi v jadre je 1,9·10 –15 m, čo je v súlade s polomerom pôsobenia jadrových síl.

4. Jadrové sily nie sú centrálne a závisia od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich nukleónov. Potvrdzuje to rozdielny charakter rozptylu neutrónov orto- a paravodíkových molekúl. V molekule ortovodíka sú spiny oboch protónov navzájom paralelné, zatiaľ čo v molekule paravodíka sú antiparalelné. Experimenty ukázali, že rozptyl neutrónov na paravodíku je 30-krát väčší ako rozptyl na ortovodíku.

Komplexná povaha jadrových síl neumožňuje vyvinúť jedinú konzistentnú teóriu jadrovej interakcie, hoci bolo navrhnutých mnoho rôznych prístupov. Podľa hypotézy japonského fyzika H. Yukawu (1907-1981), ktorú navrhol v roku 1935, sú jadrové sily spôsobené výmenou - mezóny, t.j. elementárne častice, ktorých hmotnosť je približne 7-krát menšia ako hmotnosť nukleónov. Podľa tohto modelu nukleón v čase m- mezónová hmotnosť) vyžaruje mezón, ktorý pri pohybe rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla prekonáva vzdialenosť , po ktorom je absorbovaný druhým nukleónom. Na druhej strane druhý nukleón tiež emituje mezón, ktorý je absorbovaný prvým. V modeli H. Yukawu je teda vzdialenosť, pri ktorej nukleóny interagujú, určená dĺžkou mezónovej dráhy, ktorá zodpovedá vzdialenosti asi m a rádovo sa zhoduje s polomerom pôsobenia jadrových síl.

Prejdime k úvahe o výmennej interakcii medzi nukleónmi. Existujú pozitívne, negatívne a neutrálne mezóny. Modul náboja - alebo - mezóny sa číselne rovná elementárnemu náboju e . Hmotnosť nabitých mezónov je rovnaká a rovná sa (140 MeV), hmotnosť mezónu je 264 (135 MeV). Spin nabitých aj neutrálnych mezónov je 0. Všetky tri častice sú nestabilné. Životnosť - a - mezónov je 2,6 s, - mezón – 0,8·10 -16 s. Interakcia medzi nukleónmi sa uskutočňuje podľa jednej z nasledujúcich schém:

1. Nukleóny si vymieňajú mezóny: . (22.8)

V tomto prípade protón vyžaruje mezón a mení sa na neutrón. Mezón je absorbovaný neutrónom, ktorý sa následne zmení na protón, potom sa rovnaký proces uskutoční v opačnom smere. Každý z interagujúcich nukleónov teda strávi časť času v nabitom stave a časť v neutrálnom stave.

2. Výmena nukleónov - mezóny:

3. Výmena nukleónov - mezóny:

, (22.10)

Všetky tieto procesy boli experimentálne overené. Najmä prvý proces je potvrdený, keď neutrónový lúč prechádza vodíkom. V lúči sa objavujú pohyblivé protóny a v cieli sa deteguje zodpovedajúci počet prakticky pokojných neutrónov.

Modely jadra. Pod model jadra v jadrovej fyzike rozumejú súboru fyzikálnych a matematických predpokladov, pomocou ktorých je možné vypočítať charakteristiky jadrového systému pozostávajúceho z A nukleóny.

Hydrodynamický (kvapkový) model jadra Vychádza z predpokladu, že v dôsledku vysokej hustoty nukleónov v jadre a mimoriadne silnej interakcie medzi nimi je nemožný samostatný pohyb jednotlivých nukleónov a jadrom je kvapka nabitej kvapaliny s hustotou .

Shell model jadra Predpokladá, že každý nukleón sa pohybuje nezávisle od ostatných v nejakom priemernom potenciálnom poli (potenciálna studňa vytvorená zvyšnými nukleónmi jadra.

Zovšeobecnený model jadra, spája hlavné ustanovenia tvorcov hydrodynamického a škrupinového modelu. Vo zovšeobecnenom modeli sa predpokladá, že jadro pozostáva z vnútornej stabilnej časti – jadra, ktoré je tvorené nukleónmi vyplnených obalov, a vonkajších nukleónov pohybujúcich sa v poli vytvorenom nukleónmi jadra. V tomto ohľade je pohyb jadra opísaný hydrodynamickým modelom a pohyb vonkajších nukleónov modelom obalu. V dôsledku interakcie s vonkajšími nukleónmi sa jadro môže deformovať a jadro sa môže otáčať okolo osi kolmej na os deformácie.

26. Reakcie štiepenia atómových jadier. Jadrová energia.

Jadrové reakcie sa nazývajú premeny atómových jadier spôsobené ich vzájomnou interakciou alebo s inými jadrami alebo elementárnymi časticami. Prvá správa o jadrovej reakcii patrí E. Rutherfordovi. V roku 1919 zistil, že keď častice prechádzajú plynným dusíkom, niektoré z nich sú absorbované a protóny sú súčasne emitované. Rutherford dospel k záveru, že jadrá dusíka sa premenili na kyslíkové jadrá v dôsledku jadrovej reakcie vo forme:

, (22.11)

kde − je častica; − protón (vodík).

Dôležitým parametrom jadrovej reakcie je jej energetický výťažok, ktorý je určený vzorcom:

(22.12)

Tu a sú súčty pokojových hmotností častíc pred a po reakcii. Keď sa vyskytujú jadrové reakcie s absorpciou energie, preto sa nazývajú endotermický, a keď - s uvoľnením energie. V tomto prípade sú tzv exotermický.

Pri akejkoľvek jadrovej reakcii sú vždy splnené tieto podmienky: zákony ochrany :

− nabíjačka;

– počet nukleónov;

− energia;

− impulz.

Prvé dva zákony umožňujú správne zapísať jadrové reakcie aj v prípadoch, keď jedna z častíc zapojených do reakcie alebo jeden z jej produktov nie je známy. Pomocou zákonov zachovania energie a hybnosti je možné určiť kinetické energie častíc, ktoré vznikajú pri reakčnom procese, ako aj smery ich následného pohybu.

Na charakterizáciu endotermických reakcií je zavedený pojem prahová kinetická energia , alebo prah jadrovej reakcie , tie. najnižšia kinetická energia dopadajúcej častice (v referenčnom rámci, kde je cieľové jadro v pokoji), pri ktorej je možná jadrová reakcia. Zo zákona zachovania energie a hybnosti vyplýva, že prahová energia jadrovej reakcie sa vypočíta podľa vzorca:

. (22.13)

Tu je energia jadrovej reakcie (7.12); -hmotnosť stacionárneho jadra – cieľ; je hmotnosť častice dopadajúcej na jadro.

Štiepne reakcie. V roku 1938 nemeckí vedci O. Hahn a F. Strassmann zistili, že keď je urán bombardovaný neutrónmi, niekedy sa objavia jadrá, ktoré sú približne polovičné ako pôvodné jadro uránu. Tento jav bol tzv jadrové štiepenie.

Predstavuje prvú experimentálne pozorovanú reakciu jadrovej transformácie. Príkladom je jedna z možných štiepnych reakcií jadra uránu-235:

Proces jadrového štiepenia prebieha veľmi rýchlo v čase ~10 -12 s. Energia uvoľnená počas reakcie ako (22.14) je približne 200 MeV na štiepnu udalosť jadra uránu-235.

Vo všeobecnosti možno štiepnu reakciu jadra uránu-235 napísať ako:

+neutróny . (22.15)

Mechanizmus štiepnej reakcie možno vysvetliť v rámci hydrodynamického modelu jadra. Podľa tohto modelu, keď je neutrón absorbovaný jadrom uránu, prechádza do excitovaného stavu (obr. 22.2).

Nadbytočná energia, ktorú jadro dostáva v dôsledku absorpcie neutrónu, spôsobuje intenzívnejší pohyb nukleónov. V dôsledku toho dochádza k deformácii jadra, čo vedie k oslabeniu jadrovej interakcie krátkeho dosahu. Ak je excitačná energia jadra väčšia ako určitá energia tzv aktivačnej energie , potom sa jadro pod vplyvom elektrostatického odpudzovania protónov rozdelí na dve časti a emituje štiepne neutróny . Ak je excitačná energia pri absorpcii neutrónu menšia ako aktivačná energia, potom jadro nedosiahne

kritického štádia štiepenia a po vyžarovaní kvanta sa vracia do hlavného