1. Las fuerzas nucleares son grandes en valor absoluto.. Se encuentran entre las más fuertes de todas las interacciones conocidas en la naturaleza.

Hasta ahora, hemos conocido cuatro tipos de interacción:

a) interacciones fuertes (nucleares);

b) interacciones electromagnéticas;

c) interacciones débiles, especialmente observadas claramente en partículas que no se manifiestan en interacciones fuertes y electromagnéticas (neutrinos);

d) interacciones gravitatorias.

Por ejemplo, basta decir que la energía de enlace del núcleo más simple, el deuterón, debida a las fuerzas nucleares, es de 2,26 MeV, mientras que la energía de enlace del átomo más simple, el hidrógeno, debida a las fuerzas electromagnéticas, es de 13,6 eV.

2. fuerzas nucleares tienen la propiedad de atracción a distancias en la región de 10 -13 cm, sin embargo, a distancias mucho más cortas se convierten en fuerzas repulsivas. Esta propiedad se explica por la presencia de un núcleo repulsivo en las fuerzas nucleares. Fue descubierto en el análisis de la dispersión protón-protón a altas energías. La propiedad de atracción de las fuerzas nucleares se deriva de la mera existencia de los núcleos atómicos.

3. fuerzas nucleares son corto alcance. El radio de su acción es del orden de 10 -13 cm La propiedad de corto alcance se derivó de una comparación de las energías de enlace del deuterón y la partícula α. Sin embargo, ya se desprende de los experimentos de Rutherford sobre la dispersión de partículas α por los núcleos, donde la estimación del radio del núcleo es ~10 -12 cm.

4. Las fuerzas nucleares son de naturaleza de intercambio.. El intercambio es esencialmente una propiedad cuántica, debido a que los nucleones en una colisión pueden transferir sus cargas, giros e incluso coordenadas entre sí. La existencia de fuerzas de intercambio se deriva directamente de los experimentos sobre la dispersión de protones de alta energía por protones, cuando otras partículas, los neutrones, se encuentran en el flujo inverso de los protones dispersos.

5. La interacción nuclear depende no solo de la distancia, sino también de la orientación mutua de los espines de las partículas que interactúan., así como en la orientación de los espines en relación con el eje que conecta las partículas. Esta dependencia de las fuerzas nucleares del espín se deriva de experimentos sobre la dispersión de neutrones lentos por orto y parahidrógeno.

La existencia de tal dependencia también se sigue de la presencia de un momento cuadripolar; por lo tanto, la interacción nuclear no es central, sino tensorial, es decir, depende de la orientación mutua del espín total y la proyección del espín. Por ejemplo, cuando los espines n y p están orientados, la energía de enlace del deuterón es de 2,23 MeV.

6. De las propiedades de los núcleos de espejo (los núcleos de espejo se llaman núcleos en los que los neutrones se reemplazan por protones y los protones por neutrones) se deduce que las fuerzas de interacción entre (p, p), (n, n) o (n, p) son iguales. Aquellos. existe simetría de carga propiedad de las fuerzas nucleares. Esta propiedad de las fuerzas nucleares es fundamental e indica una profunda simetría que existe entre dos partículas: el protón y el neutrón. Se llama independencia de carga (o simetría) o invariancia isotópica y nos permitió considerar el protón y el neutrón como dos estados de la misma partícula: el nucleón. El espín isotópico fue introducido por primera vez por Heisenberg de manera puramente formal y generalmente se acepta que es igual a T=-1/2 cuando el nucleón está en estado de neutrón, y T=+1/2 cuando el nucleón está en estado de neutrón. el estado de protón. Supongamos que existe un espacio tridimensional, llamado isotópico, no relacionado con el espacio cartesiano habitual, mientras que cada partícula está ubicada en el origen de este espacio, donde no puede avanzar, sino que solo gira y tiene, respectivamente, en este espacio propio momento angular (giro). El protón y el neutrón son partículas con diferente orientación en espacio isotópico y el neutrón se convierte en un protón cuando se gira 180 grados. La invariancia isotópica significa que la interacción en dos pares cualesquiera de nucleones es la misma si estos pares están en los mismos estados, es decir la interacción nuclear es invariante bajo rotaciones en el espacio isotópico. Esta propiedad de las fuerzas nucleares se llama invariancia isotópica.

7.Las fuerzas nucleares tienen la propiedad de saturación.. La propiedad de saturación de las fuerzas nucleares se manifiesta en el hecho de que la energía de enlace del núcleo es proporcional al número de nucleones en el núcleo: A, y no A 2, es decir cada partícula en el núcleo no interactúa con todos los nucleones circundantes, sino solo con un número limitado de ellos. Esta característica de las fuerzas nucleares también se deriva de la estabilidad de los núcleos ligeros. Es imposible, por ejemplo, agregar más y más partículas nuevas al deuterón, solo se conoce una tal combinación con un neutrón adicional - tritio. Por lo tanto, un protón puede formar estados ligados con no más de dos neutrones.

8. Allá por 1935. El físico japonés Yukawa, desarrollando las ideas de Tamm, sugirió que debe haber algunas otras partículas responsables de las fuerzas nucleares. Yukawa llegó a la conclusión de que debía existir un tipo de campo diferente, similar al electromagnético, pero de diferente naturaleza, que predecía la existencia de partículas, masa intermedia, es decir, mesones, más tarde descubiertos experimentalmente.

Sin embargo, la teoría del mesón aún no ha podido explicar satisfactoriamente la interacción nuclear. La teoría del mesón asume la existencia de fuerzas triples, es decir actuando entre tres cuerpos y desapareciendo cuando uno de ellos se aleja al infinito. El radio de acción de estas fuerzas es la mitad del de las fuerzas pares ordinarias.

En esta etapa, la teoría del mesón no puede explicarlo todo y, por lo tanto, consideraremos

1. La selección fenomenológica del potencial correspondiente a las propiedades de las fuerzas nucleares enumeradas anteriormente es el primer enfoque, y el segundo enfoque permanece.

2. reducción de las fuerzas nucleares a las propiedades del campo mesónico.

En este caso, consideraremos la teoría elemental del deuterón a lo largo del primer camino.

fuerzas nucleares(ing. Fuerzas nucleares) son las fuerzas de interacción de los nucleones en el núcleo atómico. Disminuyen rápidamente a medida que aumenta la distancia entre los nucleones y se vuelven casi imperceptibles a distancias superiores a 10 -12 cm.

Desde el punto de vista de la teoría de campos de partículas elementales, las fuerzas nucleares son principalmente fuerzas de interacción de campos magnéticos de nucleones en la zona cercana. A grandes distancias, la energía potencial de dicha interacción disminuye según la ley 1/r 3; esto explica su naturaleza de corto alcance. A una distancia (3 ∙10 -13 cm) las fuerzas nucleares se vuelven dominantes, ya distancias inferiores a (9,1 ∙10 -14 cm) se convierten en fuerzas repulsivas aún más poderosas. En la figura se muestra un gráfico de la energía potencial de la interacción de los campos eléctrico y magnético de dos protones, que demuestra la presencia de fuerzas nucleares.

Las interacciones protón - protón, protón - neutrón y neutrón - neutrón serán algo diferentes porque la estructura de los campos magnéticos del protón y el neutrón es diferente.

Hay varias propiedades básicas de las fuerzas nucleares.

1. Las fuerzas nucleares son fuerzas de atracción.

2. Las fuerzas nucleares son de corta duración. Su acción se manifiesta solo a distancias de unos 10-15 m.

Con un aumento en la distancia entre los nucleones i, las fuerzas nucleares disminuyen rápidamente a cero, y a distancias menores que su radio de acción ((1.5 2.2) 1 0 ~15 m), resultan ser aproximadamente 100 veces mayores que las Fuerzas de Coulomb que actúan entre protones a la misma distancia.

3. Las fuerzas nucleares exhiben independencia de carga: la atracción entre dos nucleones es constante y no depende del estado de carga de los nucleones (protón o neutrón). Esto significa que las fuerzas nucleares son de naturaleza no electrónica.

La independencia de carga de las fuerzas nucleares se ve a partir de una comparación de las energías de enlace en núcleos especulares. Los llamados núcleos, en los que el número total de nucleones es el mismo, este número de protones en uno es igual al número de neutrones en el otro.

4. Las fuerzas nucleares tienen la propiedad de saturación, es decir, cada nucleón en el núcleo interactúa solo con un número limitado de nucleones más cercanos a él. La saturación se manifiesta en el hecho de que la energía específica de enlace de los nucleones en el núcleo permanece constante con un aumento en el número de nucleones. La saturación casi completa de las fuerzas nucleares se logra con la partícula a, que es muy estable.

5. Las fuerzas nucleares dependen de la orientación mutua de los espines de los nucleones que interactúan.

6. Las fuerzas nucleares no son centrales, es decir, no actúan a lo largo de la línea que conecta los centros de los nucleones que interactúan.

La complejidad y naturaleza ambigua de las fuerzas nucleares, así como la dificultad de resolver con precisión las ecuaciones de movimiento de todos los nucleones del núcleo (un núcleo con un número de masa A es un sistema de cuerpos A), no nos ha permitido desarrollar un unificado. teoría coherente del núcleo atómico hasta el día de hoy.

35. Desintegración radiactiva. Ley de la transformación radiactiva.

desintegración radioactiva(del lat. radio"haz" y activo"efectivo"): un cambio espontáneo en la composición de núcleos atómicos inestables (carga Z, número de masa A) al emitir partículas elementales o fragmentos nucleares. El proceso de desintegración radiactiva también se denomina radioactividad, y los elementos correspondientes son radiactivos. Las sustancias que contienen núcleos radiactivos también se denominan radiactivas.

Se ha establecido que todos los elementos químicos de número atómico superior a 82 (es decir, a partir del bismuto), y muchos elementos más ligeros (prometio y tecnecio) no tienen isótopos estables, y algunos elementos, como el indio, el potasio o el calcio, parte de los isótopos naturales son estables, mientras que otros son radiactivos).

radiactividad natural- descomposición espontánea de los núcleos de los elementos que se encuentran en la naturaleza.

radiactividad artificial- descomposición espontánea de los núcleos de elementos obtenidos artificialmente a través de las correspondientes reacciones nucleares.

acon de la desintegración radiactiva- una ley física que describe la dependencia de la intensidad de la desintegración radiactiva con el tiempo y el número de átomos radiactivos en la muestra. Descubierto por Frederick Soddy y Ernest Rutherford

La ley se formuló inicialmente como :

En todos los casos en que se separó uno de los productos radiactivos y se estudió su actividad, independientemente de la radiactividad de la sustancia a partir de la cual se formó, se encontró que la actividad en todos los estudios disminuye con el tiempo según la ley de progresión geométrica.

de que con teoremas de Bernoulli científicos concluido [ fuente no especificada 321 días ] :

La tasa de transformación siempre es proporcional al número de sistemas que aún no han sufrido transformación.

Hay varias formulaciones de la ley, por ejemplo, en forma de ecuación diferencial:

lo que significa que el número de desintegraciones que ocurrieron en un corto intervalo de tiempo es proporcional al número de átomos en la muestra.

FUERZAS NUCLEARES

FUERZAS NUCLEARES

Diccionario enciclopédico físico. - M.: Enciclopedia soviética. . 1983 .

FUERZAS NUCLEARES

Fuerzas de interacción entre nucleones; proporcionar una gran cantidad de energía de enlace nuclear en comparación con otros sistemas. Estoy con. son los más un ejemplo importante y común interacción fuerte(SV). Una vez que estos conceptos fueron sinónimos, y el término "" en sí mismo se introdujo para enfatizar la enorme magnitud de Ya. en comparación con otras fuerzas conocidas en la naturaleza: el.-magnet., débil, gravitacional. Después de abrir p -, r - y etc. mesones, hiperones, etc. hadrones el término "fuerte" comenzó a usarse en un sentido más amplio, como la interacción de hadrones. En los 1970s cromodinámica cuántica(QCD) se ha establecido como un microscópico universalmente reconocido. Teoría SW. Según esta teoría, son partículas compuestas formadas por quarks y gluones, y bajo NE comenzó a comprender la interacción de estos fondos. partículas

Por otro lado, Ya. ya que las fuerzas de interacción entre nucleones incluyen no solo SW, sino también el.-magnet., débil y gravitacional. interacciones de los nucleones. Desde el punto de vista de la modernidad. teoría, el.-mag. y las interacciones débiles son manifestaciones de una, más fundamental, interacción electrodébil. Sin embargo, con esas escalas de espacio-tiempo (~10 -13 cm, ~10 -23 s), con las que suelen tratar en los núcleos atómicos, la naturaleza única de la el.-mag. y las fuerzas débiles prácticamente no se manifiestan y pueden considerarse independientes. Estas interacciones, al ser mucho más débiles que SW, son insignificantes en la mayoría de los procesos nucleares, pero son posibles situaciones en las que su papel se vuelve decisivo. Entonces, el.-mag. la interacción (la mayor parte de la cual es la repulsión de Coulomb entre protones), a diferencia de SW, es de largo alcance. Por tanto, el posit condicionado por ella. el núcleo de Coulomb crece con el número de partículas PERO en el núcleo más rápido que negativo. parte de la energía nuclear debido a SW. Como resultado, los núcleos pesados ​​se vuelven grandes. PERO inestable - primero en relación con la división (ver. Fisión nuclear) y luego completamente inestable. Asi que interacción débil nucleones, se asocia un fenómeno como la falta de conservación de la paridad en la dispersión nucleón-nucleón y en otros fenómenos nucleares (ver. No conservación de la paridad en los núcleos). Gravedad las fuerzas que actúan entre los nucleones son insignificantemente pequeñas en todos los fenómenos nucleares y sólo son significativas en astrofísica. condiciones (ver Neutrón).

La base de Ya. es la interacción fuerte de los nucleones. La interacción fuerte de nucleones en núcleos difiere de la interacción de nucleones libres, pero esta última es la base sobre la que se construye toda la teoría de la energía nuclear. Esta interacción tiene invariancia isotópica. Su esencia es que la interacción entre 2 neutrones, 2 protones o entre un protón y un neutrón en los mismos estados cuánticos es la misma. Por lo tanto, podemos hablar de la interacción entre nucleones sin especificar de qué nucleones estamos hablando (ver también Invariancia isotópica fuerzas nucleares). Estoy con. son de corto alcance (su radio de acción es de ~10 -13 cm) y tienen la propiedad de saturación, que radica en que con el aumento del número de nucleones en el núcleo, sp. nucleones permanece aproximadamente constante (Fig. 1). Esto conduce a la posibilidad de existencia. materia nuclear.

Dado que los nucleones en el núcleo se mueven, por regla general, a velocidades relativamente bajas (3-4 veces menos que la velocidad de la luz), entonces, para construir un modelo de nucleones SW en los núcleos, se puede usar la teoría no relativista y describirla aproximadamente. por el potencial, que es la distancia f-ción r entre nucleones. En contraste con el Coulomb y gravitacional potenciales, inversamente proporcionales a la distancia, I. con. depende de r mucho mas dificil. Además, el potencial de Ya. depende de los espines de los nucleones y del momento orbital L movimiento relativo de los nucleones.

Potencial no relativista Ya. contiene varios componentes: centrales V c , tensor VT, giro-orbital VLS y potencial de órbita de espín cuadrático VLL. Naib. el más importante de ellos, el central, es una combinación de fuerte repulsión a distancias cortas (es decir, materia nuclear). Hay modelos de nucleones SW con un núcleo infinito ("duro") (por ejemplo, el potencial fenomenológico de Hamada - Johnston), así como otros más realistas. modelos con un núcleo finito ("blando") (p. ej., el potencial de Reid, Fig. 2). De con. 1950 se hicieron intentos para construir el potencial de Ya. basado en la teoría de campo de la interacción mesón-nucleón. Las dificultades obvias de tal teoría están asociadas con la gran fuerza de interacción y la inaplicabilidad de la teoría de la perturbación y los métodos basados ​​en ella. Un semi-fenomenológico muy popular. potencial de "intercambio de un bosón", basado en los conceptos de la teoría del campo mesón-nucleón, pero utilizando el modelo más simple de intercambio de un mesón. Resultó que para describir la atracción a distancias intermedias, además de las conocidas mesones p, p, w,... también introducen el intercambio de un mesón s inexistente, que se interpreta como eff. teniendo en cuenta el intercambio de dos p-mesones. Las constantes de interacción mesón-nucleón se consideraron fenomenológicas. parámetros, que fueron elegidos para que el potencial describiera el experimento. fases de la dispersión nucleón-nucleón. Los mesones w y r resultaron ser responsables de la repulsión de corto alcance y de la atracción de largo alcance: mesón pi. El término de intercambio de un pión contribuye a los potenciales central y tensorial:

dónde F pags NN- constante de interacción pión-nucleón, t pags - masa del pion, l= Con/metro p = 1.4 fm - Longitud de onda Compton peonía, un s 1 , s 2 - girar Matrices de Pauli. Como puede verse en las expresiones (1), (2), el potencial de intercambio de un pión disminuye exponencialmente a una distancia del orden de la longitud Compton del pión. Dr. los términos del potencial de intercambio de un bosón tienen el mismo tipo exponencial. factores, pero con las longitudes de Compton de los bosones correspondientes, centeno en varios. veces más pequeño que el pión. A tales distancias, el intercambio de varios. Los piones pueden ser tan significativos como el intercambio de un mesón pesado. Esto explica por qué los términos correspondientes al intercambio de mesones pesados ​​se perciben como semifenomenológicos. Al mismo tiempo, la forma del potencial I. con, a grandes distancias, sin duda, se describe mediante las expresiones (1), (2). Tal asintótica todos, sin excepción, tienen una forma fenomenológica. potenciales. En la actualidad, naib. la llamada. Los potenciales parisinos y de Bonn, al centeno, combinan las características de lo fenomenológico. potenciales de núcleo blando y el potencial de intercambio de un bosón.

Moderno Los conceptos de la naturaleza de SW basados ​​en QCD han planteado el problema de calcular el potencial SW de los nucleones en el marco de QCD, pero aún no se ha resuelto, ya que el problema más simple de construir una teoría de un nucleón tampoco se ha resuelto. . Hay varios modelos de quarks hadrones, de los cuales la mayoría. conocido modelo de bolsas en descomposición. opciones Permite comprender cualitativamente la naturaleza del núcleo repulsivo, estimar su radio y altura, pero no permite calcular la forma del potencial a grandes distancias. Desde el punto de vista de QCD, el estado de los mesones (con la excepción del p-mesón) en la formación del potencial de los nucleones SW resulta ser una gran pregunta: el intercambio de mesones pesados ​​entre nucleones ocurre en tan pequeño distancias que su naturaleza quark-gluon se vuelve significativa. Un lugar especial en la teoría QCD SW pertenece al mesón p. Según moderno representaciones, se interpreta como un vacío colectivo, formado por un gran número de quark-antiquark ( piedra de oro, asociado con alteración espontánea en QCD simetría quiral). Por lo tanto, en la mayoría de los modernos modelos, se considera que todos los demás hadrones consisten en un pequeño número de quarks (antiquarks, gluones), y el mesón n se introduce adicionalmente como una partícula independiente. Desde este punto de vista, es comprensible el estado de los potenciales (1), (2) que describen la "cola" del potencial de interacción del nucleón.

Porque cfr. Dado que la distancia entre los nucleones en el núcleo (1,8 fm) no excede mucho el radio de acción del núcleo, entonces en los núcleos hay fuerzas de muchas partículas (principalmente de 3 partículas) que surgen del intercambio de quarks y gluones entre varios . nucleones casi simultáneamente. En términos de hadrones, esto corresponde a tales procesos de intercambio de mesones entre, por ejemplo, tres nucleones, que no pueden reducirse a un conjunto de intercambios de pares sucesivos. cap. el intercambio de p-mesones y seres juega un papel en la formación de fuerzas de 3 partículas. la excitación virtual del D-isobar, el primer nucleón excitado, también contribuye. Por lo tanto, las D-isobaras son los principales grados de libertad no nucleónicos, que son importantes en los procesos nucleares. Las fuerzas de muchas partículas en los núcleos son relativamente pequeñas: su contribución a la energía de enlace no supera el 10-15%. Sin embargo, hay fenómenos donde juegan DOS. role.

cap. parte de el.-mag. La interacción de los nucleones es la repulsión de Coulomb entre los protones. A grandes distancias, está determinada únicamente por las cargas de los protones. SV conduce al hecho de que el eléctrico. El protón no es un punto, sino que se distribuye a distancias de 1 fm (el radio rms del protón es de 0,8 fm; véase la figura 1). "Tamaño" de una partícula elemental). Eléctrico la interacción a distancias cortas también depende de la distribución de carga dentro del protón. Esto es moderno. La teoría SW no puede calcular de manera confiable, pero es bastante conocida a partir de experimentos. datos sobre la dispersión de electrones por protones. Los neutrones son eléctricamente neutros en general, pero debido a la carga CB dentro del neutrón también existe, lo que resulta en una carga eléctrica. interacción entre dos neutrones y entre un neutrón y un protón. Magn. interacción entre neutrones del mismo orden que entre protones, debido al gran valor momento magnético anómalo, SO acondicionado. La situación con la interacción débil de los nucleones es menos clara. Aunque la interacción débil es bien conocida, el SW conduce a una renormalización de las correspondientes constantes de interacción (análogas al momento magnético anómalo) y la aparición factores de forma. Como en el caso de el.-mag. interacciones, los efectos de interacción débil no se pueden calcular de forma fiable, pero en este caso tampoco se conocen experimentalmente. Los datos disponibles sobre la magnitud de los efectos de no conservación de la paridad en el sistema de 2 nucleones permiten establecer la intensidad de esta interacción, pero no su estructura. Hay varios Los modelos alternativos de la interacción débil de los nucleones, to-rye, describen igualmente bien los experimentos de 2 nucleones, pero conducen a la descomposición. Consecuencias para los núcleos atómicos.

Iluminado.: Bohr O., Mottelson B., La estructura del núcleo atómico, trad. del inglés, vol.1-2, M., 1971-77; Calogero F., Simonov Yu. A., Fuerzas nucleares, saturación y estructura de los núcleos, en: El futuro de la ciencia, v. 9, M., 1976. E. E. Saperstein.

Enciclopedia física. En 5 tomos. - M.: Enciclopedia soviética. Editor en jefe A. M. Prokhorov. 1988 .

Vea qué es "FUERZAS NUCLEARES" en otros diccionarios:

Enciclopedia moderna

Fuerzas que mantienen nucleones (protones y neutrones) en el núcleo. Las fuerzas nucleares actúan sólo a distancias de no más de 10 13 cm y alcanzan un valor 100 1000 veces mayor que la fuerza de interacción de las cargas eléctricas. Las fuerzas nucleares no dependen de la carga... ... Gran diccionario enciclopédico

fuerzas nucleares- FUERZAS NUCLEARES, fuerzas que mantienen nucleones (protones y neutrones) en el núcleo. Las fuerzas nucleares actúan solo a distancias de no más de 10 13 cm, superan la fuerza de interacción de las cargas eléctricas en 100 1000 veces y no dependen de la carga de los nucleones. Fuerzas nucleares... Diccionario Enciclopédico Ilustrado

El nombre colectivo de unidades, formaciones y asociaciones destinadas a realizar tareas militares con el uso de armas nucleares. El concepto de "Fuerzas nucleares" incluye: formaciones militares armadas con varios portaaviones ... ... Diccionario marino

FUERZAS NUCLEARES- cm … Gran Enciclopedia Politécnica

Fuerzas que mantienen nucleones (protones y neutrones) en el núcleo. Provocan la más intensa de todas las interacciones conocidas en física (ver Interacciones fuertes). Estoy con. son de corto alcance (su radio de acción es Fuerzas nucleares 10 13 cm, ... ... Gran enciclopedia soviética

fuerzas nucleares- Fuerzas de corto alcance que unen protones y neutrones en núcleos atómicos; tienen la propiedad de independencia de carga. [AS Goldberg. Diccionario de energía inglés ruso. 2006] Temas energía en general EN fuerzas nucleares… Manual del traductor técnico

Nuestra tarea: familiarizarse con las propiedades básicas de las fuerzas nucleares derivadas de los datos experimentales disponibles.

Comencemos enumerando las propiedades conocidas de las fuerzas nucleares, para luego proceder a su justificación:

• Estas son las fuerzas de atracción.
• Son de corta duración.
• Estas son fuerzas de gran magnitud (en comparación con las electromagnéticas, débiles y gravitatorias).
• Tienen la propiedad de saturación.
• Las fuerzas nucleares dependen de la orientación mutua de los nucleones que interactúan.
• No son centrales.
• Las fuerzas nucleares no dependen de la carga de las partículas que interactúan.
• Dependen de la orientación mutua del espín y el momento orbital.
• Las fuerzas nucleares son de naturaleza de intercambio.
• A distancias cortas ( r m) son fuerzas repulsivas.

No hay duda de que las fuerzas nucleares son fuerzas de atracción. De lo contrario, las fuerzas de repulsión de Coulomb de los protones harían imposible la existencia de núcleos.

La propiedad de saturación de las fuerzas nucleares se deriva del comportamiento de la dependencia de la energía de enlace específica del número de masa (ver la lección).

Dependencia de la energía de enlace por nucleón en el número de masa

Si los nucleones en el núcleo interactuaran con todos los demás nucleones, la energía de interacción sería proporcional al número de combinaciones de A 2, es decir A(A-1)/2~A2. Entonces la energía de enlace por nucleón era proporcional a A. De hecho, como puede verse en la figura, es aproximadamente constante ~8 MeV. Esto es evidencia del número limitado de enlaces de nucleones en el núcleo.

Propiedades resultantes del estudio del estado ligado - el deuterón

El deuterón 2 1 H es el único estado ligado de dos nucleones: un protón y un neutrón. No hay estados ligados protón - protón y neutrón - neutrón. Hagamos una lista de las propiedades del deuterón conocidas a partir de los experimentos.

• Energía de enlace de los nucleones en un deuterón Di = 2,22 MeV.
• No tiene estados excitados.
• Giro del deuterón j = 1, la paridad es positiva.
• Momento magnético del deuterón μ re = 0,86 μ yo, aquí µi = 5.051 10 -27 J/T - magnetón nuclear.
• El momento eléctrico cuadripolar es positivo e igual a Q = 2,86 10 -31 m 2

En primera aproximación, la interacción de los nucleones en un deuterón se puede describir mediante un pozo de potencial rectangular

Aquí μ - masa reducida, igual a μ = metro pag metro norte /(pag + metro norte).

Esta ecuación se puede simplificar introduciendo la función χ = r*Ψ(r). Obtener

Resolvemos por separado para áreas r y r > un(tenemos en cuenta que E para el estado enlazado que estamos buscando)

Coeficiente B debe ser igual a cero, de lo contrario r → 0 función de onda Ψ = χ/r gira al infinito; y coeficiente B1=0, de lo contrario la solución diverge en r → ∞.

Las soluciones deben estar entrecruzadas en r = un, es decir. igualar los valores de funciones y sus primeras derivadas. Esto da

Fig.1 Solución gráfica de la ecuación (1)

Sustituyendo en la última ecuación los valores k, k 1 y suponiendo E=-Dios obtenemos una ecuación que relaciona la energía de enlace Di-s, la profundidad del pozo tu 0 y su ancho a

El lado derecho, teniendo en cuenta la pequeñez de la energía de enlace, es un pequeño número negativo. Por lo tanto, el argumento de la cotangente está cerca de π/2 y lo supera ligeramente.

Si tomamos el valor experimental de la energía de enlace del deuterón Di = 2,23 MeV, entonces para el producto un 2 U 0 obtenemos ~2.1 10 -41 m 2 J (lamentablemente, por separado los valores tu 0 y a no se puede obtener). preguntándose razonable a = 2 10 -15 m (sigue de los experimentos sobre la dispersión de neutrones, más sobre eso más adelante), para la profundidad del pozo de potencial obtenemos aproximadamente 33 MeV.

Multiplicamos los lados izquierdo y derecho de la ecuación (1) por a e introducir variables auxiliares x = ka y y = k 1 un. La ecuación (1) toma la forma

Propiedades básicas. La naturaleza de las fuerzas que mantienen a los nucleones en los núcleos aún no se ha dilucidado por completo. Al mismo tiempo, se han obtenido muchos datos sobre las propiedades físicas de los núcleos, así como sobre la interacción de los nucleones libres en colisiones en un rango muy amplio de energías cinéticas desde 10 -4 hasta 10 11 eV. Un análisis de los fenómenos observados permite sacar algunas conclusiones sobre las fuerzas que actúan entre los nucleones, que se reducen a lo siguiente. Las fuerzas nucleares son poderosas fuerzas de atracción que actúan solo a distancias cortas. Tienen propiedades de saturación, en relación con las cuales se atribuyen las fuerzas nucleares. personaje de intercambio, las fuerzas nucleares dependen del espín, no dependen de la carga eléctrica y no son fuerzas centrales.

Culombio y potencial nuclear del núcleo. Se dice que las fuerzas nucleares son fuerzas poderosas en el sentido de que son al menos 100 veces mayores que las fuerzas de Coulomb cuando estas últimas se consideran a distancias nucleares de ~10 -13 cm, donde también son muy grandes. La estrecha interacción de las fuerzas nucleares conduce a una clara delimitación de las regiones donde se manifiestan solo fuerzas de Coulomb de largo alcance o solo fuerzas nucleares, ya que estas últimas suprimen las fuerzas de Coulomb en distancias cortas. En este caso, la presencia de uno de los cuerpos que interactúan se expresa a través del potencial en función de la distancia al centro del cuerpo, y la fuerza que actúa del lado del primer cuerpo sobre el otro en el punto r, se encuentra como la derivada del potencial con respecto a las coordenadas espaciales en este punto. Potencial eléctrico φ cobrar Ze(núcleos con Z protones) es:

dónde ε 0 es la constante eléctrica, y la energía potencial de la interacción de cargas Ze y mi(núcleo y protón) es igual a:

, (2.13)

aquellos. difiere del potencial solo por una constante, y por lo tanto las dependencias espaciales tu(r) y φ(r) juego. En este sentido, se suele utilizar energía potencial en lugar de potencial. Entonces se pueden representar diferentes fuerzas en las mismas coordenadas, en este caso coulombianas y nucleares. Creciente con coordenadas decrecientes r el potencial describe la repulsión, mientras que el decreciente describe la atracción. Al elegir cero en el infinito, la energía potencial es respectivamente positiva para la repulsión y negativa para la atracción. Interacción protón con un núcleo se puede representar como en la Fig. 2.5. A una distancia del radio de acción de las fuerzas nucleares, es decir en el borde del núcleo R, la repulsión de Coulomb cambia inmediatamente a atracción. Probablemente en la región de la coordenada espacial R la transición de la repulsión a la atracción ocurre, aunque rápidamente, pero de manera continua. Sin embargo, el cambio abrupto en la energía de Reino Unido antes de -U 0 Cerca de la verdad, y con un cierto grado de aproximación, el potencial nuclear se representa como un pozo de potencial rectangular.

Altura de la barrera de Coulomb para protones U k se puede calcular porque el radio del núcleo tiene un cierto valor. Es igual al valor del potencial (2.12) en r = R, multiplicado por la carga elemental del protón mi:

(MeV), (2.14)

aquellos. Altura de la barrera de Coulomb Reino Unido para un protón es de aproximadamente 1 MeV para el núcleo más ligero y llega a 15 MeV para el núcleo de uranio. barrera de Coulomb para α -partículas con carga 2do 2 veces mayor.

Arroz. 2.5. Representación gráfica del potencial nuclear y de Coulomb

Cabe señalar que la barrera de Coulomb calculada por la fórmula (2.14) se refiere a punto partícula con carga protónica. A la hora de calcular la barrera para núcleos reales hay que tener en cuenta que cada núcleo tiene un radio finito R. Entonces, la barrera de Coulomb de los núcleos de deuterio y tritio es de aproximadamente 1/3 MeV.

La barrera de potencial de Coulomb evita que las partículas cargadas positivamente se acerquen a los núcleos atómicos y dificulta el curso de las reacciones nucleares. Si su energía cinética está por debajo de la barrera, luego de la colisión con los núcleos, se produce su dispersión de Coulomb o se produce una reacción debido al mecanismo de la subbarrera.

Los neutrones no tienen carga eléctrica, están libres de la interacción de Coulomb y se acercan libremente a los núcleos. El potencial nuclear de un neutrón es el mismo que el de un protón. Por tanto, la energía de interacción de un neutrón con un núcleo es igual a:

U=-U 0 en 0< r < R

tu=0 para r > R.

Valor tu 0 la medición no está disponible y se define como un atributo de la teoría. Se calcula a partir de la energía potencial dada. De hecho, tales cálculos se realizaron para el deuterón, el núcleo más simple que consta de un protón y un neutrón, y dieron el resultado 0 = 35 MeV. El mismo valor asegura la concordancia con la experiencia de cálculo de secciones transversales para la dispersión de neutrones por núcleos. Finalmente, la energía cinética de los nucleones dentro de los núcleos se determinó bajando el umbral para la producción de partículas en la colisión de protones, primero, con protones libres en reposo, y segundo, con nucleones moviéndose dentro de los núcleos. Resultó ser aproximadamente igual a 25 MeV, lo que, con una energía de enlace de 8 MeV, también da un potencial de alrededor de 35 MeV (ver Fig. 2.5).

Todos los nucleones de los núcleos tienen energías de enlace muy estrechas, lo que indica directamente la independencia del potencial nuclear de las coordenadas espaciales. Después de todo, si el potencial disminuyera y, por lo tanto, la atracción aumentara al acercarse al centro del núcleo, entonces existirían estados con una energía total mucho más baja, es decir con una energía de enlace más alta que la de los nucleones periféricos. Esto afectaría inmediatamente el valor de la energía de enlace promedio de los nucleones en núcleos de diferentes tamaños.

Modelos de núcleo. Los datos experimentales dan testimonio de la constancia del potencial dentro del núcleo. Y tal potencial es el potencial de una gota de líquido: la derivada con respecto a la coordenada espacial (es decir, la fuerza) es igual a cero dentro del núcleo y es de gran importancia en la superficie. En consecuencia, las partículas dentro del núcleo de la gota deben comportarse como partículas libres.

Sin embargo, la descripción del modelo no es completa. Cada modelo, como el modelo de goteo, está diseñado para describir solo algunas de las características del núcleo y conduce a conceptos erróneos más allá de la aplicabilidad del modelo. Al mismo tiempo, el enfoque del modelo es inevitable en ausencia de una teoría consistente de las fuerzas nucleares, y cada problema planteado solo puede resolverse dentro del marco de su propio modelo.

En el núcleo, como un sistema de mecánica cuántica, todos los nucleones interactúan con cierta energía y momento mecánico, y aquí no puede haber caos de una gota de líquido. Esto se indica principalmente numeros magicos núcleos:

2, 8, 20, 50, 82, 126

Si el número de protones o neutrones del núcleo coincide con uno de los números mágicos, entonces el núcleo tiene las propiedades de un sistema con capas cerradas. Cada capa representa un grupo de estados con la misma o similar energía, y se cierra si todos los niveles de la capa están ocupados por partículas. Las conchas cerradas tienen una estructura perfecta y, por lo tanto, son particularmente estables. Los núcleos mágicos correspondientes también tienen propiedades especiales. Su energía de enlace es mayor que la de S.S núcleos Dichos núcleos son muy reacios a absorber protones o neutrones, respectivamente, y un protón o neutrón en exceso del número mágico siempre tiene una energía de enlace anormalmente baja. La situación se asemeja a combinaciones electrónicas ideales de gases inertes.

La serie de números mágicos de los núcleos difiere de la serie atómica correspondiente. Al final resultó que, su discrepancia es causada por la interacción espín-órbita, que en el caso de los nucleones genera una gran diferencia en la energía de dos estados que difieren en la orientación del espín de la partícula en relación con su propio momento orbital, y es insignificante para los electrones. Dar cuenta de esta interacción hizo posible obtener una serie de números mágicos por cálculo, y esto fue una confirmación de la estructura de capa del núcleo.

La existencia de un movimiento ordenado dentro del núcleo y la distribución de los nucleones en las capas no contradicen el potencial de la Fig. 2.5. En una gota ordinaria de líquido, las partículas son realmente libres e intercambian energía en colisiones. En el núcleo, los nucleones se encuentran en los estados de energía más bajos y, por lo tanto, las colisiones con el intercambio de energía son imposibles simplemente porque no hay exceso de energía. El núcleo es una gota completamente congelada, en la que solo puede haber un movimiento ordenado propio de los estados de menor energía.

El modelo de capa permite explicar muchos hechos relacionados con los núcleos en el estado de energía fundamental. Asi que α - la descomposición de los núcleos pesados ​​termina en los núcleos Pb y Bi, ya que estos son núcleos mágicos, y uno de ellos es 2 08 Pb- Núcleo doblemente mágico. El mayor número de isótopos en un elemento. sn, porque el tiene magia Z=50, y el mayor número de isótonos corresponde al número mágico de neutrones 82. El modelo de capa permite comprender la abundancia de isómeros nucleares y realizar algunos cálculos para los estados fundamentales de los núcleos.

intercambiar fuerzas. La constancia de la energía de enlace específica recibe una explicación natural en el enfoque mecánico cuántico de la interacción de partículas. La interacción puede describirse no por medio de un potencial, sino a través del intercambio de partículas virtuales, que para los nucleones son π -mesones. En este caso, cada acto de interacción se realiza cuando el primer nucleón emite π -mesón y su absorción por el segundo nucleón. La probabilidad de tal intercambio con dos socios a la vez es poco probable y nunca se realiza con todas las partículas que se encuentran dentro del radio de acción de las fuerzas. Por lo tanto, sigue la saturación con todas las consecuencias: la constancia de la energía específica de enlace, el crecimiento del volumen es proporcional al número de partículas, la independencia del potencial de las coordenadas. Por lo tanto, dicen que si las fuerzas están inherentemente saturadas, entonces tienen un carácter de intercambio. El intercambio no significa nuevas fuerzas, es una característica de la manifestación de fuerzas, eléctricas o nucleares.

El intercambio de partículas virtuales no es un mecanismo supuesto, ni una forma de descripción abstracta de la interacción, sino un proceso real. Fue posible observarlo en el experimento durante la colisión de nucleones, ya que los nucleones se presentan en dos estados diferentes: protón y neutrón. Cuando se construyeron aceleradores a una energía del orden de 100 MeV, que es mucho mayor que la energía de interacción de los nucleones (35 MeV), fue posible distinguir la masa acelerada de la masa del objetivo en reposo, utilizando la cinemática de la expansión de partículas que chocan, independientemente de qué partícula represente la masa. Resultó que casi la mitad de los neutrones de alta energía, después de chocar con los protones, se convirtieron en protones y los protones objetivo, respectivamente, en neutrones. Esto es posible solo debido al intercambio de nucleones por estados cuánticos, es decir a través de la interacción de intercambio.

Dependencia de giro. La atracción de los nucleones depende de cómo estén orientados sus espines. Si los nucleones tienen el mismo nombre, entonces la mayor atracción se observa en el caso de la orientación antiparalela de sus espines, cuando su espín total es igual a cero. Precisamente esta característica de la interacción de los nucleones explica el efecto del emparejamiento de la energía de enlace. Por el contrario, la atracción de nucleones diferentes es más efectiva con espines paralelos, lo que, en particular, está indicado por el estado fundamental del deuterón, cuyo espín es igual a la unidad.

La energía de enlace del deuterón es tan baja que no hay un solo nivel excitado dentro del pozo de potencial. Pero como mostraron los cálculos, el primer nivel excitado se encuentra justo por encima del borde del pozo de potencial con una energía de 0,07 MeV. Este nivel corresponde a la orientación antiparalela de los espines del protón y del neutrón y, dado que su energía es positiva, no se puede realizar. Este es el llamado nivel virtual. Sin embargo, en la colisión de un neutrón libre y un protón con una energía cercana al valor indicado, la potencialidad del estado ligado conduce a un aumento en la sección efectiva de interacción, por supuesto solo para espín total cero.

Las fuerzas nucleares también dependen de la magnitud del espín, cuyo mejor ejemplo es la dispersión de neutrones de baja energía. molecular hidrógeno. La sección eficaz de dispersión de neutrones de una molécula de ortohidrógeno, cuyo espín nuclear es igual a la unidad, resultó ser 30 veces mayor que la sección eficaz de dispersión de una molécula de vapor de hidrógeno, cuyo espín es igual a cero.

Independencia de carga. Un estudio exhaustivo de la interacción de los nucleones, tanto en estado libre durante las colisiones como en estado unido, es decir. en la composición de los núcleos, mostró que a través de las fuerzas nucleares la interacción de los pares de nucleones (pp), (pn), (nn) es absolutamente idéntica. Por lo tanto, las fuerzas nucleares no dependen de la carga eléctrica.

fuerzas tensoras. Los momentos cuadripolares eléctricos de los núcleos indican que las fuerzas nucleares no son necesariamente esféricamente simétricas. La fuerza depende de la orientación del vector de radio del nucleón en relación con el vector de espín del núcleo. El potencial en la fig. 2.5 es central y, en consecuencia, esta característica de las fuerzas nucleares no se tiene en cuenta allí, al igual que no se tiene en cuenta la dependencia de las fuerzas con el espín. El potencial no esférico está representado por un tensor, por lo que las fuerzas nucleares también se denominan fuerzas de tensor.

tema 3

Transformaciones nucleares. Radioactividad. Ley de descomposición. Características de la descomposición. Desintegración alfa. Decaimiento beta. Conceptos básicos y características. Reacciones nucleares. Ley de conservación de la energía. Ley de conservación de la cantidad de movimiento. La ley de conservación del momento mecánico. Reacciones nucleares que involucran neutrones.