1. V absolútnej hodnote sú jadrové sily veľké. Patria medzi najsilnejšie zo všetkých známych interakcií v prírode.

Doteraz sme poznali štyri typy interakcií:

a) silné (jadrové) interakcie;

b) elektromagnetické interakcie;

c) slabé interakcie, obzvlášť zreteľne pozorované u častíc, ktoré sa neprejavujú silnými a elektromagnetickými interakciami (neutrína);

d) gravitačné interakcie.

Napríklad stačí povedať, že väzbová energia najjednoduchšieho jadra, deuterónu, v dôsledku jadrových síl, je 2,26 MeV, zatiaľ čo väzbová energia najjednoduchšieho atómu, vodíka, v dôsledku elektromagnetických síl, je 13,6 eV.

2. jadrové sily majú vlastnosť príťažlivosti vo vzdialenostiach v oblasti 10 - 13 cm, avšak na oveľa kratších vzdialenostiach sa menia na odpudivé sily. Táto vlastnosť sa vysvetľuje prítomnosťou odpudivého jadra v jadrových silách. Bol objavený pri analýze rozptylu protónov a protónov pri vysokých energiách. Vlastnosť príťažlivosti jadrových síl vyplýva zo samotnej existencie atómových jadier.

3. jadrové sily sú krátkeho dosahu. Polomer ich pôsobenia je rádovo 10 - 13 cm Vlastnosť krátkeho dosahu bola odvodená z porovnania väzbových energií deuterónu a α-častice. Vyplýva to však už z Rutherfordových pokusov o rozptyle α-častíc jadrami, kde je odhad polomeru jadra ~10 -12 cm.

4. Jadrové sily sú výmenného charakteru. Výmena je v podstate kvantová vlastnosť, vďaka ktorej môžu nukleóny pri zrážke navzájom prenášať svoje náboje, rotácie a dokonca aj súradnice. Existencia výmenných síl priamo vyplýva z experimentov rozptylu vysokoenergetických protónov protónmi, keď sa v spätnom toku rozptýlených protónov nachádzajú iné častice, neutróny.

5. Jadrová interakcia závisí nielen od vzdialenosti, ale aj od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich častíc, ako aj na orientáciu spinov vzhľadom na os spájajúcu častice. Táto závislosť jadrových síl od spinu vyplýva z experimentov rozptylu pomalých neutrónov orto a paravodíkom.

Existencia takejto závislosti vyplýva aj z prítomnosti kvadrupólového momentu, teda jadrová interakcia nie je centrálna, ale tenzorová, t.j. závisí od vzájomnej orientácie celkového spinu a projekcie spinu. Napríklad, keď sú spiny n a p orientované, väzbová energia deuterónu je 2,23 MeV.

6. Z vlastností zrkadlových jadier (zrkadlové jadrá sa nazývajú jadrá, v ktorých sú neutróny nahradené protónmi a protóny neutrónmi) vyplýva, že sily interakcie medzi (p, p), (n, n) alebo (n), p) sú rovnaké. Tie. existuje vlastnosť symetrie náboja jadrových síl. Táto vlastnosť jadrových síl je základná a naznačuje hlbokú symetriu, ktorá existuje medzi dvoma časticami: protónom a neutrónom. Hovorí sa tomu nábojová nezávislosť (alebo symetria) resp izotopová invariantnosť a umožnil nám považovať protón a neutrón za dva stavy tej istej častice – nukleónu. Izotopový spin prvýkrát zaviedol Heisenberg čisto formálne a všeobecne sa uznáva, že sa rovná T=-1/2, keď je nukleón v neutrónovom stave, a T=+1/2, keď je nukleón v protónový stav. Predpokladajme, že existuje nejaký trojrozmerný priestor, nazývaný izotopický, nesúvisiaci s obvyklým karteziánskym priestorom, pričom každá častica sa nachádza na začiatku tohto priestoru, kde sa nemôže pohybovať dopredu, ale iba rotuje a má v tomto priestore vlastný moment hybnosti (spin). Protón a neutrón sú častice rôzne orientované izotopový priestor a neutrón sa pri otočení o 180 stupňov zmení na protón. Izotopová invariancia znamená, že interakcia v ľubovoľných dvoch pároch nukleónov je rovnaká, ak sú tieto páry v rovnakých stavoch, t.j. jadrová interakcia je pri rotáciách v izotopovom priestore invariantná. Táto vlastnosť jadrových síl sa nazýva izotopová invariancia.

7.Jadrové sily majú vlastnosť saturácie. Vlastnosť nasýtenia jadrových síl sa prejavuje v tom, že väzbová energia jadra je úmerná počtu nukleónov v jadre - A, a nie A 2, t.j. každá častica v jadre neinteraguje so všetkými okolitými nukleónmi, ale len s ich obmedzeným počtom. Táto vlastnosť jadrových síl vyplýva aj zo stability ľahkých jadier. Je nemožné napríklad pridávať do deuterónu ďalšie a ďalšie nové častice, známa je len jedna taký kombinácia s prídavným neutrónom - tríciom. Protón tak môže tvoriť viazané stavy s maximálne dvoma neutrónmi.

8. Ešte v roku 1935. Japonský fyzik Yukawa, rozvíjajúci Tammove myšlienky, navrhol, že musia existovať nejaké iné častice zodpovedné za jadrové sily. Yukawa dospel k záveru, že musí existovať iný typ poľa, podobný elektromagnetickému, ale iného charakteru, ktorý predpovedal existenciu častíc, medzihmotnosti, t.j. mezóny, neskôr experimentálne objavené.

Mezónová teória však zatiaľ nedokázala uspokojivo vysvetliť jadrovú interakciu. Mezónová teória predpokladá existenciu trojitých síl, t.j. pôsobí medzi tromi telami a mizne, keď sa jedno z nich vzdiali do nekonečna. Akčný rádius týchto síl je polovičný v porovnaní s bežnými párovými silami.

V tejto fáze mezónová teória nemôže vysvetliť všetko, a preto zvážime

1. Fenomenologický výber potenciálu zodpovedajúceho vyššie uvedeným vlastnostiam jadrových síl je prvým prístupom a zostáva druhým prístupom.

2. redukcia jadrových síl na vlastnosti mezónového poľa.

V tomto prípade zvážime elementárnu teóriu deuterónu pozdĺž prvej cesty.

jadrové sily(angl. Jadrové sily) sú sily vzájomného pôsobenia nukleónov v atómovom jadre. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi nukleónmi rýchlo klesajú a pri vzdialenostiach nad 10 -12 cm sa stávajú takmer nepostrehnuteľné.

Jadrové sily sú z hľadiska teórie poľa elementárnych častíc najmä sily interakcie magnetických polí nukleónov v blízkej zóne. Pri veľkých vzdialenostiach potenciálna energia takejto interakcie klesá podľa zákona 1/r 3 - to vysvetľuje ich krátkodobú povahu. Vo vzdialenosti (3 ∙10 -13 cm) sa jadrové sily stávajú dominantnými a vo vzdialenostiach menších ako (9,1 ∙10 -14 cm) sa menia na ešte silnejšie odpudivé sily. Graf potenciálnej energie interakcie elektrického a magnetického poľa dvoch protónov, demonštrujúci prítomnosť jadrových síl, je znázornený na obrázku.

Interakcie protón - protón, protón - neutrón a neutrón - neutrón budú trochu odlišné, pretože štruktúra magnetických polí protónu a neutrónu je odlišná.

Existuje niekoľko základných vlastností jadrových síl.

1. Jadrové sily sú sily príťažlivosti.

2. Jadrové sily pôsobia krátko. Ich pôsobenie sa prejavuje len vo vzdialenostiach cca 10-15 m.

So zväčšujúcou sa vzdialenosťou medzi nukleónmi i jadrové sily rýchlo klesajú na nulu a vo vzdialenostiach menších ako je ich akčný polomer ((1,5 2,2) 1 0 ~ 15 m) sú približne 100-krát väčšie ako Coulombove sily pôsobiace medzi protónmi v rovnakej vzdialenosti.

3. Jadrové sily vykazujú nábojovú nezávislosť: príťažlivosť medzi dvoma nukleónmi je konštantná a nezávisí od stavu nabitia nukleónov (protón alebo neutrón). To znamená, že jadrové sily sú neelektronického charakteru.

Nábojová nezávislosť jadrových síl je zrejmá z porovnania väzbových energií v zrkadlových jadrách. Takzvané jadrá, v ktorých je celkový počet nukleónov rovnaký, tento počet protónov v jednom sa rovná počtu neutrónov v druhom.

4. Jadrové sily majú vlastnosť saturácie, to znamená, že každý nukleón v jadre interaguje len s obmedzeným počtom nukleónov, ktoré sú mu najbližšie. Sýtosť sa prejavuje tak, že špecifická väzbová energia nukleónov v jadre zostáva konštantná s nárastom počtu nukleónov. Takmer úplné nasýtenie jadrových síl sa dosiahne pomocou a-častice, ktorá je veľmi stabilná.

5. Jadrové sily závisia od vzájomnej orientácie spinov interagujúcich nukleónov.

6. Jadrové sily nie sú centrálne, to znamená, že nepôsobia pozdĺž čiary spájajúcej stredy interagujúcich nukleónov.

Zložitosť a nejednoznačnosť jadrových síl, ako aj náročnosť presného riešenia pohybových rovníc všetkých nukleónov jadra (jadro s hmotnostným číslom A je sústava telies A, nám neumožnili vyvinúť jednotný koherentná teória atómového jadra dodnes.

35. Rádioaktívny rozpad. Zákon rádioaktívnej premeny.

rádioaktívny rozpad(z lat. polomer"lúč" a activus"účinný") - spontánna zmena zloženia nestabilných atómových jadier (náboj Z, hmotnostné číslo A) emitovaním elementárnych častíc alebo jadrových fragmentov. Proces rádioaktívneho rozpadu sa tiež nazýva rádioaktivita a zodpovedajúce prvky sú rádioaktívne. Látky obsahujúce rádioaktívne jadrá sa tiež nazývajú rádioaktívne.

Zistilo sa, že všetky chemické prvky s atómovým číslom väčším ako 82 (t. j. počnúc bizmutom) a mnohé ľahšie prvky (prométium a technécium nemajú stabilné izotopy a niektoré prvky, ako je indium, draslík alebo vápnik, časť prírodných izotopov je stabilná, zatiaľ čo iné sú rádioaktívne).

prirodzená rádioaktivita- samovoľný rozpad jadier prvkov nachádzajúcich sa v prírode.

umelá rádioaktivita- samovoľný rozpad jadier prvkov získaných umelo prostredníctvom zodpovedajúcich jadrových reakcií.

acon rádioaktívneho rozpadu- fyzikálny zákon popisujúci závislosť intenzity rádioaktívneho rozpadu od času a počtu rádioaktívnych atómov vo vzorke. Objavili Frederick Soddy a Ernest Rutherford

Zákon bol najskôr formulovaný ako :

Vo všetkých prípadoch, keď sa oddelil jeden z rádioaktívnych produktov a skúmala sa jeho aktivita, bez ohľadu na rádioaktivitu látky, z ktorej vznikol, sa zistilo, že aktivita vo všetkých štúdiách s časom klesá podľa zákona geometrickej progresie.

z čoho s Bernoulliho vety vedci uzavrel [ zdroj neuvedený 321 dní ] :

Rýchlosť transformácie je vždy úmerná počtu systémov, ktoré ešte neprešli transformáciou.

Existuje niekoľko formulácií zákona, napríklad vo forme diferenciálnej rovnice:

čo znamená, že počet rozpadov, ku ktorým došlo v krátkom časovom intervale, je úmerný počtu atómov vo vzorke.

JADROVÉ SILY

JADROVÉ SILY

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

JADROVÉ SILY

Sily interakcie medzi nukleónmi; poskytujú veľké 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: el.-magnet., slabé, gravitačné. Po otvorení p -, r - atď. mezóny, hyperóny atď. hadróny výraz „silný“ sa začal používať v širšom zmysle – ako interakcia hadrónov. V 70. rokoch 20. storočia kvantová chromodynamika(QCD) sa etabloval ako všeobecne uznávaný mikroskop. SW teória. Podľa tejto teórie sú zložené častice pozostávajúce z kvarky a gluóny, a pod SV začali chápať vzájomné pôsobenie týchto fondov. častice.

Na druhej strane, Ya. keďže medzi sily interakcie medzi nukleónmi patria nielen SW, ale aj el.-magnet., slabé a gravitačné. interakcie nukleónov. Z pohľadu moderného teória, el.-mag. a slabé interakcie sú prejavom jedného, ​​zásadnejšieho, elektroslabá interakcia. Avšak pri tých časopriestorových mierkach (~10 -13 cm, ~10 -23 s), s ktorými sa zvyčajne zaoberajú v atómových jadrách, je jediná povaha el.-mag. a slabé sily sa prakticky neprejavujú a možno ich považovať za samostatné. 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.-mag. interakcia (ktorej najväčšou časťou je Coulombovo odpudzovanie medzi protónmi), na rozdiel od SW, je diaľková. Preto pozit podmienený tým. Coulombovo jadro rastie s počtom častíc ALE v jadre rýchlejšie ako negatívne. časť jadrovej energetiky vďaka SW. Výsledkom je, že ťažké jadrá sa stávajú voľnými ALE nestabilné - najprv vo vzťahu k deleniu (pozri. jadrové štiepenie) a potom úplne nestabilné. Takže slabá interakcia nukleóny, je spojený taký jav ako nezachovanie parity pri rozptyle nukleón-nukleón a pri iných jadrových javoch (pozri. Nekonzervovanie parity v jadrách). Gravitácia sily pôsobiace medzi nukleónmi sú pri všetkých jadrových javoch zanedbateľne malé a významné sú len v astrofyzike. podmienky (viď Neutrón).

Základom Ya. 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, ktorá spočíva v tom, že s nárastom počtu nukleónov v jadre, sp. nukleóny zostávajú približne konštantné (obr. 1). To vedie k možnosti existencie jadrovej hmoty.

Keďže sa nukleóny v jadre pohybujú spravidla relatívne nízkou rýchlosťou (3-4 krát nižšou ako rýchlosť svetla), na zostavenie modelu SW nukleónov v jadrách je možné použiť nerelativistickú teóriu a približne ju opísať. potenciálom, ktorým je vzdialenosť f-tion r medzi nukleónmi. Na rozdiel od Coulombovej a gravitačnej potenciálov, nepriamo úmerných vzdialenosti, I. s. záleží na r oveľa ťažšie. Okrem toho potenciál Ya. závisí od spinov nukleónov a orbitálnej hybnosti L relatívny pohyb nukleónov.

Nerelativistický potenciál Áno. obsahuje niekoľko komponenty: centrálny Vc, tenzor V T , spin-orbitálny VLS a kvadratický spin-orbitálny potenciál VLL. Naíb. najdôležitejší z nich - centrálny - je kombináciou silného odpudzovania na krátke vzdialenosti (t.j. jadrovej hmoty). Existujú modely SW nukleónov s nekonečným („tvrdým“) jadrom (napríklad fenomenologický potenciál Hamada – Johnston), ale aj realistickejšie. modely s konečným („mäkkým“) jadrom (napr. Reidov potenciál, obr. 2). Z kon. 50. roky 20. storočia boli urobené pokusy vybudovať potenciál Ya. na základe teórie poľa interakcie mezón-nukleón. Zjavné ťažkosti takejto teórie sú spojené s veľkou silou interakcie a neaplikovateľnosťou teórie porúch a metód na nej založených. Veľmi populárny semifenomenologický potenciál „jednobozónovej výmeny“, založenej na konceptoch teórie mezón-nukleónového poľa, ale s použitím najjednoduchšieho modelu výmeny jedného mezónu. Ukázalo sa, že s cieľom opísať príťažlivosť na stredné vzdialenosti, okrem známych mezóny p, p, w,... zavádzajú aj zámenu neexistujúceho s-mezónu, ktorá sa interpretuje ako ef. účtovanie výmeny dvoch p-mezónov. Interakčné konštanty mezón-nukleón sa považovali za fenomenologické. parametre, ktoré boli zvolené tak, aby potenciál opísal experiment. fázy nukleón-nukleónového rozptylu. Ukázalo sa, že w- a r-mezóny sú zodpovedné za odpudzovanie na krátky dosah a za príťažlivosť na veľké vzdialenosti - 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 - spin Pauliho matrice. Ako je možné vidieť z výrazov (1), (2), jednopiónový výmenný potenciál klesá exponenciálne vo vzdialenosti rádovo Comptonovej dĺžky piónu. DR. členy jednobozónového výmenného potenciálu majú rovnaký exponenciálny typ. faktorov, ale s Comptonovými dĺžkami zodpovedajúcich bozónov, to-raže vo viacerých. krát menší ako pion. Na takéto vzdialenosti výmena niekoľkých. piony môžu byť rovnako významné ako výmena jedného ťažkého mezónu. To vysvetľuje, prečo sú termíny zodpovedajúce výmene ťažkých mezónov vnímané ako semifenomenologické. Zároveň formu potenciálu I. s bezpochyby na veľké vzdialenosti opisujú výrazy (1), (2). Taká asymptotická všetky bez výnimky majú formu fenomenologickej. potenciály. V súčasnosti naíb. takzvaný. parížsky a bonnský potenciál, do žita spájajú črty fenomenologického. soft-core potenciály a potenciál výmeny jedného bozónu.

Moderné koncepcie charakteru SW založeného na QCD nastolili problém výpočtu SW potenciálu nukleónov v rámci QCD, ktorý však ešte nie je vyriešený, keďže nie je vyriešený ani jednoduchší problém konštrukcie teórie jedného nukleónu. . Je ich viacero kvarkové modely hadróny, z ktorých najviac. známy model tašiek v dekomp. možnosti. Umožňuje kvalitatívne pochopiť povahu odpudivého jadra, odhadnúť jeho polomer a výšku, ale neumožňuje vypočítať formu potenciálu na veľké vzdialenosti. Z pohľadu QCD sa ako veľká otázka ukazuje postavenie mezónov (s výnimkou p-mezónu) pri tvorbe potenciálu SW nukleónov: výmena ťažkých mezónov medzi nukleónmi prebieha už pri tak malých vzdialenosti, pri ktorých sa ich kvark-gluónová povaha stáva významnou. Osobitné miesto v teórii QCD SW patrí mezónu p. Podľa moderných reprezentácií sa interpretuje ako kolektívne vákuum, pozostávajúce z veľkého počtu kvark-antikvark ( zlatý kameň, spojené so spontánnou poruchou v QCD chirálna symetria). Preto vo väčšine moderných Všetky ostatné hadróny sa považujú za tvorené malým počtom kvarkov (antikvarky, gluóny) a n-mezón je zavedený dodatočne ako nezávislá častica. Z tohto pohľadu je pochopiteľný stav potenciálov (1), (2) ako opisujúcich „chvost“ nukleónového interakčného potenciálu.

Pretože porov. Keďže vzdialenosť medzi nukleónmi v jadre (1,8 fm) veľmi nepresahuje akčný rádius jadra, potom v jadrách pôsobia mnohočasticové (predovšetkým 3-časticové) sily vznikajúce pri výmene kvarkov a gluónov medzi niekoľkými . nukleóny takmer súčasne. Z hľadiska hadrónov to zodpovedá takým procesom výmeny mezónov napríklad medzi tromi nukleónmi, ktoré nemožno zredukovať na súbor po sebe nasledujúcich párových výmen. Ch. úlohu pri tvorbe 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 DOS. úlohu.

Ch. časť el.-mag. Interakcia nukleónov je Coulombovo odpudzovanie medzi protónmi. Na veľké vzdialenosti ju určujú iba náboje protónov. SV vedie k tomu, že el. Protón nie je bod, ale je distribuovaný vo vzdialenostiach 1 fm (efektívna hodnota polomeru protónu je 0,8 fm; pozri obr. "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 protónmi. Neutróny sú vo všeobecnosti elektricky neutrálne, ale v dôsledku náboja CB vo vnútri neutrónu tiež existuje, čo vedie k elektrickému náboju. interakcia medzi dvoma neutrónmi a medzi neutrónom a protónom. Magn. interakcia medzi neutrónmi rovnakého rádu ako medzi protónmi, kvôli veľkej hodnote anomálny magnetický moment, podmienený SW. Menej jasná je situácia so slabou interakciou nukleónov. Hoci je slabá interakcia dobre známa, SW vedie k renormalizácii zodpovedajúcich interakčných konštánt (analogicky k anomálnemu magnetickému momentu) a vzhľadu tvarové faktory. Rovnako ako v prípade el.-mag. interakcie, slabé interakčné účinky nemožno spoľahlivo vypočítať, ale v tomto prípade nie sú známe ani experimentálne. Dostupné údaje o veľkosti nekonzervačných účinkov parity v 2-nukleónovom systéme umožňujú stanoviť intenzitu tejto interakcie, ale nie jej štruktúru. Je ich viacero alternatívne modely slabej interakcie nukleónov, do žita rovnako dobre opisujú 2-nukleónové experimenty, ale vedú k rozkladu. 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 držiace 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 iba vo vzdialenostiach nie väčších ako 10 13 cm, prevyšujú silu interakcie elektrických nábojov 100 1000-krát 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 ... ... Marine Dictionary

JADROVÉ SILY- cm… Veľká polytechnická encyklopédia

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

jadrové sily- Sily krátkeho dosahu viažuce protóny a neutróny v atómových jadrách; majú vlastnosť nábojovej nezávislosti. [A.S. Goldberg. Anglický ruský energetický slovník. 2006] Témy energie vo všeobecnosti EN jadrové sily … Technická príručka prekladateľa

Naša úloha: oboznámiť so základnými vlastnosťami jadrových síl vyplývajúcich z dostupných experimentálnych údajov.

Začnime zoznamom známych vlastností jadrových síl, aby sme neskôr mohli pristúpiť k ich zdôvodneniu:

• Toto sú sily príťažlivosti.
• Majú krátke trvanie.
• Sú to sily veľkej veľkosti (v porovnaní s elektromagnetickými, slabými a gravitačnými).
• Majú vlastnosť nasýtenia.
• Jadrové sily závisia od vzájomnej orientácie interagujúcich nukleónov.
• Nie sú centrálne.
• Jadrové sily nezávisia od náboja interagujúcich častíc.
• Závisia od vzájomnej orientácie spinu a orbitálnej hybnosti.
• Jadrové sily sú výmenného charakteru.
• Na krátke vzdialenosti ( r m) sú odpudivé sily.

Niet pochýb o tom, že jadrové sily sú sily príťažlivosti. Inak by Coulombovské odpudivé sily protónov znemožnili existenciu jadier.

Saturačná vlastnosť 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, t.j. A(A-1)/2~A2. Potom bola väzbová energia na nukleón úmerná A. V skutočnosti, ako je zrejmé z obrázku, je približne konštantná ~ 8 MeV. To je dôkazom obmedzeného počtu 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 vlastnosti deuterónu známe z experimentov.

• Väzbová energia nukleónov v deuteróne Gd = 2,22 MeV.
• Nemá vzrušené stavy.
• Rotácia deuterónu 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

V 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). Získajte

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

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

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

Obr.1 Grafické riešenie rovnice (1) Obr.

Dosadenie hodnôt do poslednej rovnice k, k 1 a za predpokladu E = -Gd získame rovnicu týkajúcu sa väzbovej energie Gd, hĺbka studne U 0 a jeho šírka a

Pravá strana, berúc do úvahy malosť väzbovej energie, 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, samostatne hodnoty U 0 a a nemožno získať). čuduje sa rozumné a = 210-15 m (vyplýva z experimentov o rozptyle neutrónov, viac neskôr), pre hĺbku potenciálnej studne dostaneme približne 33 MeV.

Ľavú a pravú stranu rovnice (1) vynásobíme a a zaviesť pomocné premenné x = ka a y = k1a. Rovnica (1) má tvar

Základné vlastnosti. Povaha síl, ktoré držia nukleóny v jadrách, ešte nebola úplne objasnená. Zároveň sa získalo množstvo údajov o fyzikálnych vlastnostiach jadier, ako aj o interakcii voľných nukleónov pri zrážkach vo veľmi širokom rozsahu kinetických energií od 10 -4 do 10 11 eV. Analýza pozorovaných javov umožňuje vyvodiť niektoré závery o silách pôsobiacich medzi nukleónmi, ktoré sa zmenšujú na nasledujúce. Jadrové sily sú silné príťažlivé sily, ktoré pôsobia len na krátke vzdialenosti. Majú saturačné vlastnosti, v súvislosti s ktorými sa pripisujú jadrové sily výmenný charakter jadrové sily závisia od rotácie, nezávisia od elektrického náboja a nie sú centrálnymi silami.

Coulombov a jadrový potenciál jadra. Jadrové sily sú považované za silné sily v tom zmysle, že sú najmenej 100-krát väčšie ako Coulombove sily, keď sa vezmú do úvahy pri jadrových vzdialenostiach ~10 -13 cm, kde sú tiež veľmi veľké. Úzka interakcia jadrových síl vedie k ostrému vymedzeniu oblastí, v ktorých sa prejavujú buď len coulombovské sily s dlhým dosahom, alebo len nukleárne sily, keďže nukleárne sily potláčajú na krátke vzdialenosti. V tomto prípade je prítomnosť jedného z interagujúcich telies vyjadrená potenciálom ako funkciou vzdialenosti od stredu telesa a silou pôsobiacou zo strany prvého telesa na druhú v bode. r, sa nachádza ako derivácia potenciálu vzhľadom na priestorové súradnice v tomto bode. Elektrický potenciál φ poplatok Ze(jadrá s Z protóny) je:

kde ε 0 je elektrická konštanta a potenciálna energia interakcie nábojov Ze a e(jadro a protón) sa rovná:

, (2.13)

tie. sa od potenciálu líši len konštantou, a teda priestorovými závislosťami U(r) a φ(r) zápas. V tomto ohľade sa namiesto potenciálu zvyčajne používa potenciálna energia. Potom môžu byť v rovnakých súradniciach znázornené rôzne sily, v tomto prípade Coulomb a jadrové. Rastúce s klesajúcimi súradnicami r potenciál opisuje odpudivosť, zatiaľ čo klesajúci opisuje príťažlivosť. Výberom nuly v nekonečne je potenciálna energia kladná pre odpudzovanie a záporná pre príťažlivosť. Interakcia protón s jadrom môže byť znázornené ako na obr. 2.5. Vo vzdialenosti polomeru pôsobenia jadrových síl, t.j. na okraji jadra R, Coulombov odpor sa okamžite zmení na príťažlivosť. Pravdepodobne v oblasti priestorových súradníc R prechod od odpudzovania k príťažlivosti nastáva, aj keď rýchlo, ale nepretržite. Avšak prudká zmena energie z U k predtým -U 0 blízko k pravde as určitým stupňom priblíženia je jadrový potenciál znázornený ako obdĺžniková potenciálová studňa.

Výška Coulombovej bariéry pre protón U k možno vypočítať, pretože polomer jadra má určitú hodnotu. Rovná sa hodnote potenciálu (2.12) at r=R, vynásobený elementárnym nábojom protónu e:

(MeV), (2,14)

tie. Výška Coulombovej bariéry U k pre protón je približne 1 MeV pre najľahšie jadro a dosahuje 15 MeV pre jadro uránu. Coulombova bariéra pre α - častice s nábojom 2 2 krát vyššia.

Ryža. 2.5. Grafické znázornenie jadrového a Coulombovho potenciálu

Treba zdôrazniť, že Coulombova bariéra vypočítaná podľa vzorca (2.14) sa vzťahuje na bodčastica s protónovým nábojom. Pri výpočte bariéry pre skutočné jadrá je potrebné vziať do úvahy, že každé jadro má konečný polomer R. Takže Coulombova bariéra jadier deutéria a trícia je asi 1/3 MeV.

Coulombova potenciálna bariéra bráni kladne nabitým časticiam priblížiť sa k atómovým jadrám a bráni priebehu jadrových reakcií. Ak je ich kinetická energia pod bariérou, potom pri zrážke s jadrami dôjde buď k ich Coulombovmu rozptylu, alebo k reakcii v dôsledku subbariérového mechanizmu.

Neutróny nemajú elektrický náboj, sú bez Coulombovej interakcie a voľne sa približujú k jadrám. Jadrový potenciál neutrónu je rovnaký ako potenciál protónu. Preto sa energia interakcie neutrónu s jadrom rovná:

U = -U 0 na 0< r < R

U=0 pre r > R.

Hodnota U 0 meranie nie je dostupné a je definované ako atribút teórie. Vypočítava sa z danej potenciálnej energie. V skutočnosti sa takéto výpočty vykonali pre deuterón, najjednoduchšie jadro pozostávajúce z jedného protónu a jedného neutrónu, a poskytli výsledok U 0 = 35 MeV. Rovnaká hodnota zaisťuje súhlas so skúsenosťami s výpočtom prierezov pre rozptyl neutrónov jadrami. Nakoniec bola kinetická energia nukleónov vo vnútri jadier určená znížením prahu produkcie častíc pri zrážke protónov, po prvé, s voľnými pokojovými protónmi a po druhé, s nukleónmi pohybujúcimi sa vo vnútri jadier. Ukázalo sa, že je približne rovný 25 MeV, čo pri väzbovej energii 8 MeV tiež dáva potenciál asi 35 MeV (pozri obr. 2.5).

Všetky nukleóny jadier majú veľmi blízke väzbové energie, čo priamo naznačuje nezávislosť jadrového potenciálu od priestorových súradníc. Ak by totiž potenciál klesol a teda pri približovaní sa k stredu jadra vzrástla príťažlivosť, potom by existovali stavy s oveľa nižšou celkovou energiou, t.j. s vyššou väzbovou energiou ako majú periférne nukleóny. To by okamžite ovplyvnilo hodnotu priemernej väzbovej energie nukleónov v jadrách rôznych veľkostí.

Modely jadra. Experimentálne údaje svedčia o stálosti potenciálu vo vnútri jadra. A takýmto potenciálom je potenciál kvapky kvapaliny: derivácia vzhľadom na priestorovú súradnicu (teda sila) sa vo vnútri jadra rovná nule a na povrchu má veľký význam. V dôsledku toho sa častice vo vnútri jadra kvapky musia správať ako voľné.

Popis modelu však nie je úplný. Každý model, rovnako ako model kvapkania, je navrhnutý tak, aby opísal iba niektoré vlastnosti jadra a vedie k mylným predstavám, ktoré presahujú použiteľnosť modelu. Modelový prístup je zároveň nevyhnutný pri absencii konzistentnej teórie jadrových síl a každý predložený problém možno vyriešiť iba v rámci vlastného modelu.

V jadre, ako kvantovom mechanickom systéme, všetky nukleóny interagujú s určitou energiou a mechanickým momentom a nemôže tu nastať chaos kvapky kvapaliny. Toto je primárne indikované magické čísla jadrá:

2, 8, 20, 50, 82, 126

Ak sa počet protónov alebo neutrónov jadra zhoduje s jedným z magických čísel, jadro má vlastnosti systému s uzavretými obalmi. Každý obal predstavuje skupinu stavov s rovnakou alebo podobnou energiou a je uzavretý, ak sú všetky úrovne obalu obsadené časticami. Uzavreté mušle majú dokonalú štruktúru, a preto sú obzvlášť stabilné. Zodpovedajúce magické jadrá majú tiež špeciálne vlastnosti. Ich väzbová energia je vyššia ako väzbová energia HH jadrá. Takéto jadrá sú veľmi neochotné absorbovať protóny alebo neutróny a protón alebo neutrón presahujúci magické číslo má vždy anomálne nízku väzbovú energiu. Situácia pripomína ideálne elektronické kombinácie inertných plynov.

Séria magických čísel jadier sa líši od zodpovedajúcej atómovej série. Ako sa ukázalo, ich nesúlad je spôsobený interakciou spin-orbita, ktorá v prípade nukleónov generuje veľký rozdiel v energii dvoch stavov, ktoré sa líšia orientáciou spinu častice vzhľadom na jej vlastnú orbitálnu hybnosť, a je pre elektróny bezvýznamné. Účtovanie tejto interakcie umožnilo výpočtom získať množstvo magických čísel a to bolo potvrdením štruktúry obalu jadra.

Existencia usporiadaného pohybu vo vnútri jadra a distribúcia nukleónov v obaloch nie sú v rozpore s potenciálom na obr. 2.5. V obyčajnej kvapke kvapaliny sú častice skutočne voľné a pri zrážkach si vymieňajú energiu. V jadre sú nukleóny v najnižších energetických stavoch, a preto sú zrážky s výmenou energie nemožné jednoducho preto, že tam nie je prebytok energie. Jadro je úplne zamrznutá kvapka, v ktorej môže byť len usporiadaný pohyb, ktorý je vlastný stavom s nižšou energiou.

Model obalu umožňuje vysvetliť mnohé skutočnosti súvisiace s jadrami v stave základnej energie. Takže α - rozpad ťažkých jadier končí v jadrách Pb a Bi, keďže ide o magické jadrá a jedno z nich je 2 08 Pb- dvojité magické jadro. Najväčší počet izotopov v prvku sn, pretože má mágiu Z = 50, a najväčší počet izotónov zodpovedá magickému počtu neutrónov 82. Model obalu umožňuje pochopiť množstvo jadrových izomérov a vykonať niektoré výpočty pre základné stavy jadier.

výmenné sily. Stálosť špecifickej väzbovej energie dostáva prirodzené vysvetlenie v kvantovom mechanickom prístupe k interakcii častíc. Interakciu možno opísať nie pomocou potenciálu, ale prostredníctvom výmeny virtuálnych častíc, ktoré pre nukleóny sú π -mezóny. V tomto prípade sa každý akt interakcie realizuje, keď prvý nukleón emituje π -mezón a jeho absorpcia druhým nukleónom. Pravdepodobnosť takejto výmeny s dvoma partnermi naraz je nepravdepodobná a nikdy sa nerealizuje so všetkými časticami, ktoré sú v okruhu pôsobenia síl. Nasleduje teda saturácia so všetkými dôsledkami: stálosť špecifickej väzbovej energie, rast objemu je úmerný počtu častíc, nezávislosť potenciálu od súradníc. Preto hovoria, že ak sú sily zo svojej podstaty nasýtené, potom majú výmenný charakter. Výmena neznamená žiadne nové sily, je to znak prejavu síl – elektrických alebo jadrových.

Výmena virtuálnych častíc nie je predpokladaný mechanizmus, nie spôsob abstraktného opisu interakcie, ale skutočný proces. Bolo to možné pozorovať v experimente pri zrážke nukleónov, pretože nukleóny sú prítomné v dvoch rôznych stavoch: protón a neutrón. Keď boli urýchľovače postavené na energiu rádovo 100 MeV, ktorá je oveľa väčšia ako interakčná energia nukleónov (35 MeV), bolo možné rozlíšiť zrýchlenú hmotnosť od hmotnosti cieľa v pokoji pomocou kinematiky expanzia kolidujúcich častíc bez ohľadu na to, ktorú časticu hmotnosť predstavuje. Ukázalo sa, že takmer polovica vysokoenergetických neutrónov sa po zrážke s protónmi zmenila na protóny a cieľové protóny na neutróny. To je možné len vďaka výmene nukleónov kvantovými stavmi, t.j. prostredníctvom výmennej interakcie.

Závislosť od točenia. Príťažlivosť nukleónov závisí od toho, ako sú orientované ich spiny. Ak sú nukleóny rovnakého mena, potom najväčšiu príťažlivosť pozorujeme v prípade antiparalelnej orientácie ich spinov, keď sa ich celkový spin rovná nule. Práve takáto vlastnosť interakcie nukleónov vysvetľuje účinok párovania väzbovej energie. Naopak, príťažlivosť pre na rozdiel od nukleónov je účinnejšia pri paralelných spinoch, čo naznačuje najmä základný stav deuterónu, ktorého spin sa rovná jednote.

Väzbová energia deuterónu je taká nízka, že v potenciálovej studni nie je jediná excitovaná hladina. Ale ako ukázali výpočty, prvá excitovaná hladina leží tesne nad okrajom potenciálnej studne pri energii 0,07 MeV. Táto úroveň zodpovedá antiparalelnej orientácii spinov protónov a neutrónov a keďže jej energia je kladná, nie je možné ju realizovať. Ide o takzvanú virtuálnu úroveň. Pri zrážke voľného neutrónu a protónu s energiou blízkou indikovanej hodnote však potenciálnosť viazaného stavu vedie k zväčšeniu prierezu interakcie, samozrejme len pre nulový celkový spin.

Jadrové sily závisia aj od veľkosti spinu, ktorého najlepším príkladom je rozptyl nízkoenergetických neutrónov molekulárne vodík. Prierez rozptylu neutrónov molekulou ortovodíka, ktorej jadrový spin sa rovná jednotke, sa ukázal byť 30-krát väčší ako prierez rozptylu molekuly vodíka pary, ktorej spin sa rovná nule.

Poplatková nezávislosť. Dôkladné štúdium interakcie nukleónov ako vo voľných stavoch pri zrážkach, tak aj vo viazaných, t.j. v zložení jadier ukázali, že prostredníctvom jadrových síl je interakcia párov nukleónov (pp), (pn), (nn) absolútne identická. Preto jadrové sily nezávisia od elektrického náboja.

tenzorové sily. Elektrické kvadrupólové momenty jadier naznačujú, že jadrové sily nemusia byť nevyhnutne sféricky symetrické. Sila závisí od orientácie polomerového vektora nukleónu vzhľadom na spinový vektor jadra. Potenciál na obr. 2.5 je centrálna a následne sa tam táto vlastnosť jadrových síl neberie do úvahy, rovnako ako sa neberie do úvahy závislosť síl od rotácie. Nesférický potenciál je reprezentovaný tenzorom, preto sa jadrové sily nazývajú aj tenzorové sily.

Téma 3

Jadrové transformácie. Rádioaktivita. Skazový zákon. Charakteristiky rozpadu. Alfa rozpad. Beta rozpad. Základné pojmy a charakteristiky. Jadrové reakcie. Zákon zachovania energie. Zákon zachovania hybnosti. Zákon zachovania mechanického momentu. Jadrové reakcie zahŕňajúce neutróny.