1.3.1 . Ο πυρήνας οποιουδήποτε ατόμου έχει πολύπλοκη δομή και αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται νουκλεόνια. Υπάρχουν δύο τύποι νουκλεονίων γνωστοί - πρωτόνια και νετρόνια .
Πρωτόνια - νουκλεόνια με μάζα 1 amu. με θετικό φορτίο ίσο με μονάδα, δηλαδή το στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρονίου.
Νετρόνια -ηλεκτρικά ουδέτερονουκλεόνια με μάζα 1 amu.
*) Αυστηρά μιλώντας, οι υπόλοιπες μάζες πρωτονίων και νετρονίων είναι κάπως διαφορετικές: m p = 1,6726. 10 -24 σολκαι m n = 1,67439. 10 -24 σολ. Αυτή η διαφορά θα συζητηθεί αργότερα.

1.3.2. Δεδομένου ότι η μάζα του πυρήνα πρακτικάισούται με Α, το φορτίο του πυρήνα είναι z και οι μάζες του πρωτονίου και του νετρονίου σχεδόν ίσαΜε τέτοιες ιδέες θα πρέπει να θεωρείται δεδομένο ότι ο πυρήνας ενός ηλεκτρικά ουδέτερου σταθερού ατόμου αποτελείται από z πρωτόνια και (ΕΝΑ - z ) νετρόνια.Επομένως, ο ατομικός αριθμός ενός στοιχείου δεν είναι τίποτα άλλο από φορτίο πρωτονίου του πυρήνα ενός ατόμου, που εκφράζεται σε στοιχειώδη φορτία ενός ηλεκτρονίου.Με άλλα λόγια, z - αυτός είναι ο αριθμός πρωτόνια στον πυρήνα ενός ατόμου.


1.3.3 . Η παρουσία πρωτονίων (σωματίδια με ηλεκτρικό φορτίο ίδιου πρόσημου) στον πυρήνα, λόγω των δυνάμεων απώθησης Coulomb μεταξύ τους, θα πρέπει να οδηγήσει στη διασπορά των νουκλεονίων. Στην πραγματικότητα αυτό δεν συμβαίνει. Η ύπαρξη πολλών σταθερών πυρήνων στη φύση οδηγεί στο συμπέρασμα ότι την ύπαρξη μεταξύ νουκλεονίων πυρήνων ισχυρότερων από εκείνους του Κουλόμπ, πυρηνικές δυνάμεις αξιοθεατο, τα οποία, ξεπερνώντας την άπωση των πρωτονίων Coulomb, έλκουν τα νουκλεόνια σε μια σταθερή δομή - τον πυρήνα.

1.3.4. Οι διαστάσεις των ατομικών πυρήνων, που προσδιορίζονται από τον τύπο (1.4), είναι της τάξης των 10 -13 cm. Εξ ου και η πρώτη ιδιότητα των πυρηνικών δυνάμεων (σε αντίθεση με τον Coulomb, βαρυτική και άλλες) -. σύντομη δράση: Οι πυρηνικές δυνάμεις δρουν μόνο σε μικρές αποστάσεις, συγκρίσιμες κατά σειρά μεγέθους με το μέγεθος των ίδιων των νουκλεονίων.
Ακόμη και χωρίς να γνωρίζουμε ακριβώς τι είδους σχηματισμός υλικού είναι ένα πρωτόνιο ή ένα νετρόνιο, μπορεί κανείς να τα εκτιμήσει αποτελεσματικόςδιαστάσεις ως η διάμετρος μιας σφαίρας, στην επιφάνεια της οποίας η πυρηνική έλξη δύο γειτονικών πρωτονίων εξισορροπείται από την απόκρουσή τους Coulomb. Πειράματα σε επιταχυντές σχετικά με τη σκέδαση ηλεκτρονίων από τους πυρήνες κατέστησαν δυνατή την εκτίμηση της ενεργού ακτίνας νουκλεονίου Rn ≈ 1,21. 10 -13 cm.

1.3.5 . Από τη σύντομη δράση των πυρηνικών δυνάμεων ακολουθεί η δεύτερη ιδιότητά τους, που ονομάζεται συνοπτικά κορεσμός . Αυτό σημαίνει ότι οποιοδήποτε νουκλεόνιο στον πυρήνα δεν αλληλεπιδρά με όλα τα άλλα νουκλεόνια, αλλά μόνο με έναν περιορισμένο αριθμό νουκλεονίων που είναι οι άμεσοι γείτονές του.


1.3.6. Η τρίτη ιδιότητα των πυρηνικών δυνάμεων - δικα τους ισημερία. Δεδομένου ότι θεωρείται ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ νουκλεονίων και των δύο τύπων είναι δυνάμεις της ίδιας φύσης, θεωρείται έτσι ότι σε ίσες αποστάσεις της τάξης των 10 -13 cm αλληλεπιδρούν δύο πρωτόνια, δύο νετρόνια ή ένα πρωτόνιο με ένα νετρόνιο το ίδιο.


1.3.7. Ελεύθερο πρωτόνιο (δηλαδή εκτός ατομικών πυρήνων ) σταθερός . Ένα νετρόνιο δεν μπορεί να υπάρχει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ελεύθερη κατάσταση: υφίσταται διάσπαση σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνομε χρόνο ημιζωής Τ 1/2 = 11,2 min. σύμφωνα με το σχέδιο:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Αντινετρίνο (n) - ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο ύλης με μηδενική μάζα ηρεμίας.

1.3.8. Έτσι, οποιοσδήποτε πυρήνας θεωρείται πλήρως εξατομικευμένη, αν είναι γνωστά τα δύο κύρια χαρακτηριστικά του - ο αριθμός των πρωτονίων z και ο αριθμός μάζας A, αφού η διαφορά (A - z) καθορίζει τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα. Οι εξατομικευμένοι ατομικοί πυρήνες ονομάζονται γενικά νουκλεΐδια.
Μεταξύ των πολλών νουκλεϊδίων (και περισσότερα από 2000 από αυτά είναι επί του παρόντος γνωστά - φυσικά και τεχνητά) υπάρχουν εκείνα στα οποία το ένα από τα δύο αναφερόμενα χαρακτηριστικά είναι το ίδιο και το άλλο είναι διαφορετικό σε μέγεθος.
Τα νουκλίδια με το ίδιο z (αριθμός πρωτονίων) ονομάζονται ισότοπα. Δεδομένου ότι ο ατομικός αριθμός καθορίζει, σύμφωνα με τον Περιοδικό Νόμο του D.I Mendeleev, μόνο την ατομικότητα χημική ουσίαιδιότητες του ατόμου ενός στοιχείου, γίνεται πάντα λόγος για ισότοπα με αναφορά στο αντίστοιχο χημικό στοιχείο στον Περιοδικό Πίνακα.
Για παράδειγμα, τα 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U είναι όλα ισότοπα ουρανίου, το οποίο έχει ατομικό αριθμό z = 92 στον Περιοδικό Πίνακα Στοιχείων.
Ισότοπα οποιοδήποτε χημικό στοιχείο όπως βλέπουμε , έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων.

Νουκλίδια ίσης μάζας (ΕΝΑ ), αλλά με διαφορετικά φορτία τα z ονομάζονται ισοβαρείς . Οι ισοβαρείς, σε αντίθεση με τα ισότοπα, είναι νουκλίδια διαφόρων χημικών στοιχείων.
Παραδείγματα. 11 B 5 και 11 C 4 - ισοβαρείς νουκλεΐδια βορίου και άνθρακα. 7 Li 3 και 7 Be 4 - ισοβαρείς νουκλεΐδια λιθίου και βηρυλλίου. 135 J 53, 135 Xe 54 και 135 Cs 55 είναι επίσης ισοβαρείς ιωδίου, ξένου και καισίου, αντίστοιχα.

1.3.9 . Από τον τύπο (1.4) μπορεί κανείς να υπολογίσει την πυκνότητα των νουκλεονίων στους πυρήνες και την πυκνότητα μάζας της πυρηνικής ύλης. Θεωρώντας ότι ο πυρήνας είναι μια σφαίρα με ακτίνα R και με τον αριθμό των νουκλεονίων στον όγκο του ίσο με Α, βρίσκουμε τον αριθμό των νουκλεονίων ανά μονάδα όγκου του πυρήνα ως:
N n = A/V i = 3A/4pR 3 = 3A/4p (1,21. 10 -13 A 1/3) 3 = 1,348. 10 38 nucl/cm 3,
α, αφού η μάζα ενός νουκλεονίου είναι 1 amu. = 1,66056. 10 -24 σολ, τότε η πυκνότητα της πυρηνικής ύλης βρίσκεται ως:
γ rav = Nm n = 1,348. 10 38 .1.66056. 10 -24 ≈ 2.238. 10 14 g/cm 3.= 223 800 000 t/cm 3
Η διαδικασία του παραπάνω υπολογισμού δείχνει ότι Η πυκνότητα της πυρηνικής ύλης είναι ίδια στους πυρήνες όλων των χημικών στοιχείων.
Ενταση ΗΧΟΥ. ανά 1 νουκλεόνιο στον πυρήνα, V i/A = 1/N = 1/1.348. 10 38 = 7.421. 10 -39 cm 3
- επίσης το ίδιο για όλους τους πυρήνες,Επομένως, η μέση απόσταση μεταξύ των κέντρων των γειτονικών νουκλεονίων σε οποιονδήποτε πυρήνα (που μπορεί να ονομαστεί συμβατικά μέση διάμετρος ενός νουκλεονίου) θα είναι ίση με
D n = (V i) 1/3 = (7.421. 10 -39) 1/3 = 1.951. 10 -13 εκ .

1.3.10. Μέχρι τώρα, λίγα είναι γνωστά για την πυκνότητα των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα ενός ατόμου. Δεδομένου ότι τα πρωτόνια, σε αντίθεση με τα νετρόνια, υπόκεινται όχι μόνο σε πυρηνική και βαρυτική έλξη, αλλά και σε απώθηση Coulomb, μπορεί να υποτεθεί ότι το φορτίο πρωτονίων του πυρήνα είναι λίγο πολύ ομοιόμορφα κατανεμημένο στον πυρήνα του. επιφάνειες.

Στο τέλος των σπουδών τους, πολλοί μαθητές Λυκείου, οι γονείς τους και χιλιάδες νέοι επαγγελματίες αντιμετωπίζουν μια δύσκολη επιλογή - την επιλογή ενός ιδρύματος τριτοβάθμιας εκπαίδευσης (ΑΕΙ). Είναι αρκετά δύσκολο να πλοηγηθείς και να μην μπερδευτείς στην πολυμορφία των πανεπιστημίων, των ινστιτούτων και των σχολών. Διαβάστε τις κριτικές σχετικά με το πανεπιστήμιο που άφησαν φοιτητές, καθηγητές και απόφοιτοι πριν λάβετε. Η επιλογή του σωστού εκπαιδευτικού ιδρύματος είναι το κλειδί για την επιτυχία στη μελλοντική σας καριέρα!

Πυρηνικές δυνάμεις(eng. Nuclear force) είναι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ νουκλεονίων στον ατομικό πυρήνα. Μειώνονται γρήγορα με την αύξηση της απόστασης μεταξύ των νουκλεονίων και γίνονται σχεδόν αόρατα σε αποστάσεις πάνω από 10 -12 cm.

Από την άποψη της θεωρίας πεδίου των στοιχειωδών σωματιδίων, οι πυρηνικές δυνάμεις είναι κυρίως οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των μαγνητικών πεδίων των νουκλεονίων στην κοντινή ζώνη. Σε μεγάλες αποστάσεις, η δυναμική ενέργεια μιας τέτοιας αλληλεπίδρασης μειώνεται σύμφωνα με το νόμο 1/r 3 - αυτό εξηγεί τη φύση τους μικρής εμβέλειας. Σε απόσταση (3 ∙ 10 -13 cm) οι πυρηνικές δυνάμεις γίνονται κυρίαρχες και σε αποστάσεις μικρότερες από (9,1 ∙ 10 -14 cm) μετατρέπονται σε ακόμη πιο ισχυρές απωθητικές δυνάμεις. Ένα γράφημα της δυνητικής ενέργειας αλληλεπίδρασης μεταξύ των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων δύο πρωτονίων, που δείχνει την παρουσία πυρηνικών δυνάμεων, φαίνεται στο σχήμα.

Οι αλληλεπιδράσεις πρωτονίου - πρωτονίου, πρωτονίου - νετρονίου και νετρονίων - νετρονίων θα είναι κάπως διαφορετικές αφού η δομή των μαγνητικών πεδίων του πρωτονίου και του νετρονίου είναι διαφορετική.

Υπάρχουν πολλές βασικές ιδιότητες των πυρηνικών δυνάμεων.

1. Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι δυνάμεις έλξης.

2. Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι βραχείας δράσης. Η επίδρασή τους εκδηλώνεται μόνο σε αποστάσεις περίπου 10-15 m.

Καθώς η απόσταση μεταξύ των νουκλεονίων αυξάνεται, οι πυρηνικές δυνάμεις μειώνονται γρήγορα στο μηδέν και σε αποστάσεις μικρότερες από την ακτίνα δράσης τους ((1,5 2,2) 1 0 ~ 15 m), αποδεικνύονται ότι είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερες από τις δυνάμεις Coulomb που δρουν μεταξύ πρωτόνια στην ίδια απόσταση.

3. Οι πυρηνικές δυνάμεις εμφανίζουν ανεξαρτησία φορτίου: η έλξη μεταξύ δύο νουκλεονίων είναι σταθερή και δεν εξαρτάται από την κατάσταση φορτίου των νουκλεονίων (πρωτόνιο ή νετρόνιο). Αυτό σημαίνει ότι οι πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι ηλεκτρονικές.

Η ανεξαρτησία φορτίου των πυρηνικών δυνάμεων είναι εμφανής από τη σύγκριση των ενεργειών δέσμευσης σε πυρήνες καθρέφτη. Αυτό είναι το όνομα που δίνεται στους πυρήνες στους οποίους ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων είναι ο ίδιος ο αριθμός των πρωτονίων στο ένα είναι ίσος με τον αριθμό των νετρονίων στο άλλο.

4. Οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν την ιδιότητα του κορεσμού, δηλαδή κάθε νουκλεόνιο στον πυρήνα αλληλεπιδρά μόνο με έναν περιορισμένο αριθμό νουκλεονίων που βρίσκονται πιο κοντά του. Ο κορεσμός εκδηλώνεται στο γεγονός ότι η ειδική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων στον πυρήνα παραμένει σταθερή όσο αυξάνεται ο αριθμός των νουκλεονίων. Σχεδόν πλήρης κορεσμός των πυρηνικών δυνάμεων επιτυγχάνεται στο σωματίδιο άλφα, το οποίο είναι πολύ σταθερό.

5. Οι πυρηνικές δυνάμεις εξαρτώνται από τον αμοιβαίο προσανατολισμό των σπιν των νουκλεονίων που αλληλεπιδρούν.

6. Οι πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι κεντρικές, δηλαδή δεν δρουν κατά μήκος της γραμμής που συνδέει τα κέντρα των νουκλεονίων που αλληλεπιδρούν.

Η πολυπλοκότητα και η διφορούμενη φύση των πυρηνικών δυνάμεων, καθώς και η δυσκολία της ακριβούς επίλυσης των εξισώσεων κίνησης όλων των νουκλεονίων σε έναν πυρήνα (ένας πυρήνας με αριθμό μάζας Α είναι ένα σύστημα σωμάτων Α, δεν κατέστησαν δυνατή την ανάπτυξη ενός ενιαίου , συνεκτική θεωρία του ατομικού πυρήνα μέχρι σήμερα.

35. Ραδιενεργή διάσπαση. Νόμος του ραδιενεργού μετασχηματισμού.

Ραδιενεργή διάσπαση(από λατ. ακτίνα κύκλου«δοκάρι» και āctīvus"αποτελεσματικό") - μια αυθόρμητη αλλαγή στη σύνθεση ασταθών ατομικών πυρήνων (φορτίο Z, αριθμός μάζας Α) μέσω της εκπομπής στοιχειωδών σωματιδίων ή πυρηνικών θραυσμάτων. Η διαδικασία της ραδιενεργής διάσπασης ονομάζεται επίσης ραδιοενέργεια, και τα αντίστοιχα στοιχεία είναι ραδιενεργά. Οι ουσίες που περιέχουν ραδιενεργούς πυρήνες ονομάζονται επίσης ραδιενεργές.

Έχει διαπιστωθεί ότι όλα τα χημικά στοιχεία με αύξοντα αριθμό μεγαλύτερο από 82 είναι ραδιενεργά (δηλαδή ξεκινώντας από το βισμούθιο) και πολλά ελαφρύτερα στοιχεία (προμέθιο και τεχνήτιο δεν έχουν σταθερά ισότοπα και ορισμένα στοιχεία, όπως το ίνδιο, το κάλιο ή ασβέστιο, έχουν κάποια φυσικά κάποια ισότοπα είναι σταθερά, άλλα είναι ραδιενεργά).

Φυσική ραδιενέργεια- αυθόρμητη αποσύνθεση πυρήνων στοιχείων που βρίσκονται στη φύση.

Τεχνητή ραδιενέργεια- αυθόρμητη διάσπαση πυρήνων στοιχείων που λαμβάνονται τεχνητά μέσω κατάλληλων πυρηνικών αντιδράσεων.

νόμος της ραδιενεργής διάσπασης- ένας φυσικός νόμος που περιγράφει την εξάρτηση της έντασης της ραδιενεργής διάσπασης από τον χρόνο και τον αριθμό των ραδιενεργών ατόμων στο δείγμα. Ανακαλύφθηκε από τον Frederick Soddy και τον Ernest Rutherford,

Στην αρχή ο νόμος διατυπώθηκε ως εξής :

Σε όλες τις περιπτώσεις όπου ένα από τα ραδιενεργά προϊόντα διαχωρίστηκε και μελετήθηκε η δραστηριότητά του, ανεξάρτητα από τη ραδιενέργεια της ουσίας από την οποία σχηματίστηκε, διαπιστώθηκε ότι η δραστηριότητα σε όλες τις μελέτες μειώθηκε με το χρόνο σύμφωνα με το νόμο της γεωμετρικής προόδου.

από τι με τη βοήθεια Θεωρήματα Bernoulli Επιστήμονες κατέληξε στο συμπέρασμα [ πηγή δεν προσδιορίζεται 321 ημέρες ] :

Ο ρυθμός μετασχηματισμού είναι πάντα ανάλογος με τον αριθμό των συστημάτων που δεν έχουν ακόμη υποστεί μετασχηματισμό.

Υπάρχουν διάφορες διατυπώσεις του νόμου, για παράδειγμα, με τη μορφή μιας διαφορικής εξίσωσης:

που σημαίνει ότι ο αριθμός των διασπάσεων που συμβαίνουν σε σύντομο χρονικό διάστημα είναι ανάλογος με τον αριθμό των ατόμων στο δείγμα.

Ένας ατομικός πυρήνας, που αποτελείται από έναν ορισμένο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, είναι ένα ενιαίο σύνολο λόγω ειδικών δυνάμεων που δρουν μεταξύ των νουκλεονίων του πυρήνα και ονομάζονται πυρηνικός.Έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν πολύ μεγάλες τιμές, πολύ μεγαλύτερες από τις δυνάμεις ηλεκτροστατικής απώθησης μεταξύ πρωτονίων. Αυτό εκδηλώνεται στο γεγονός ότι η ειδική ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων στον πυρήνα είναι πολύ μεγαλύτερη από το έργο που γίνεται από τις δυνάμεις απώθησης Coulomb. Ας εξετάσουμε τα κύρια χαρακτηριστικά των πυρηνικών δυνάμεων.

1. Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι ελκτικές δυνάμεις μικρής εμβέλειας . Εμφανίζονται μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ νουκλεονίων της τάξης των 10–15 m Μια απόσταση της τάξης των (1,5 – 2,2)· 10–15 m ονομάζεται ακτίνα δράσης των πυρηνικών δυνάμεων , οι πυρηνικές δυνάμεις μειώνονται γρήγορα. Σε απόσταση της τάξης των (2-3) m, η πυρηνική αλληλεπίδραση μεταξύ νουκλεονίων πρακτικά απουσιάζει.

2. Οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν την ιδιοκτησία κορεσμός, εκείνοι. κάθε νουκλεόνιο αλληλεπιδρά μόνο με έναν ορισμένο αριθμό πλησιέστερων γειτόνων. Αυτή η φύση των πυρηνικών δυνάμεων εκδηλώνεται στην κατά προσέγγιση σταθερότητα της ειδικής ενέργειας δέσμευσης των νουκλεονίων στον αριθμό φορτίου ΕΝΑ>40. Πράγματι, αν δεν υπήρχε κορεσμός, τότε η ειδική ενέργεια δέσμευσης θα αυξανόταν με τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα.

3. Χαρακτηριστικό των πυρηνικών δυνάμεων είναι και αυτές χρέωση ανεξαρτησίας , δηλ. δεν εξαρτώνται από το φορτίο των νουκλεονίων, επομένως οι πυρηνικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων είναι οι ίδιες. Η ανεξαρτησία φορτίου των πυρηνικών δυνάμεων είναι ορατή από τη σύγκριση των ενεργειών δέσμευσης πυρήνες καθρέφτη . Αυτό είναι το όνομα που δίνεται στους πυρήνες στους οποίους ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων είναι ο ίδιος, αλλά ο αριθμός των πρωτονίων στο ένα είναι ίσος με τον αριθμό των νετρονίων στο άλλο. Για παράδειγμα, οι ενέργειες δέσμευσης του ηλίου και των βαρέων πυρήνων υδρογόνου - τριτίου είναι αντίστοιχα 7,72 MeVκαι 8,49 MeV. Η διαφορά στις ενέργειες δέσμευσης αυτών των πυρήνων, ίση με 0,77 MeV, αντιστοιχεί στην ενέργεια της απώθησης του Κουλόμπ δύο πρωτονίων στον πυρήνα. Υποθέτοντας ότι αυτή η τιμή είναι ίση με , μπορούμε να βρούμε ότι η μέση απόσταση rμεταξύ πρωτονίων στον πυρήνα είναι 1,9·10 –15 m, που είναι σύμφωνο με την ακτίνα δράσης των πυρηνικών δυνάμεων.

4. Πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι κεντρικά και εξαρτώνται από τον αμοιβαίο προσανατολισμό των σπιν των νουκλεονίων που αλληλεπιδρούν. Αυτό επιβεβαιώνεται από τη διαφορετική φύση της σκέδασης νετρονίων από μόρια ορθο- και παραϋδρογόνου. Σε ένα μόριο ορθοϋδρογόνου, τα σπιν και των δύο πρωτονίων είναι παράλληλα μεταξύ τους, ενώ σε ένα μόριο παραυδρογόνου είναι αντιπαράλληλα. Πειράματα έδειξαν ότι η σκέδαση νετρονίων στο παραϋδρογόνο είναι 30 φορές μεγαλύτερη από τη σκέδαση στο ορθόυδρο.

Η περίπλοκη φύση των πυρηνικών δυνάμεων δεν επιτρέπει την ανάπτυξη μιας ενιαίας, συνεπούς θεωρίας της πυρηνικής αλληλεπίδρασης, αν και έχουν προταθεί πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις. Σύμφωνα με την υπόθεση του Ιάπωνα φυσικού H. Yukawa, που πρότεινε το 1935, οι πυρηνικές δυνάμεις προκαλούνται από ανταλλαγή - μεσόνια, δηλ. στοιχειώδη σωματίδια των οποίων η μάζα είναι περίπου 7 φορές μικρότερη από τη μάζα των νουκλεονίων. Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, ένα νουκλεόνιο στο χρόνο Μ- μάζα μεσονίου) εκπέμπει ένα μεσόνιο, το οποίο, κινούμενο με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός, καλύπτει μια απόσταση , μετά την οποία απορροφάται από το δεύτερο νουκλεόνιο. Με τη σειρά του, το δεύτερο νουκλεόνιο εκπέμπει επίσης ένα μεσόνιο, το οποίο απορροφάται από το πρώτο. Στο μοντέλο του H. Yukawa, επομένως, η απόσταση στην οποία αλληλεπιδρούν τα νουκλεόνια καθορίζεται από το μήκος διαδρομής του μεσονίου, το οποίο αντιστοιχεί σε απόσταση περίπου Μκαι κατά σειρά μεγέθους συμπίπτει με την ακτίνα δράσης των πυρηνικών δυνάμεων.

Ας στραφούμε στην εξέταση της αλληλεπίδρασης ανταλλαγής μεταξύ νουκλεονίων. Υπάρχουν θετικά, αρνητικά και ουδέτερα μεσόνια. Ο συντελεστής φορτίου - ή - μεσονίων είναι αριθμητικά ίσος με το στοιχειώδες φορτίο μι. Η μάζα των φορτισμένων μεσονίων είναι ίδια και ίση με (140 MeV), η μάζα μεσονίου είναι 264 (135 MeV). Το σπιν τόσο των φορτισμένων όσο και των ουδέτερων μεσονίων είναι 0. Και τα τρία σωματίδια είναι ασταθή. Η διάρκεια ζωής των - και - μεσονίων είναι 2,6 Με, - μεσόνιο – 0,8·10 -16 Με. Η αλληλεπίδραση μεταξύ νουκλεονίων πραγματοποιείται σύμφωνα με ένα από τα ακόλουθα σχήματα:

(22.7)
1. Τα νουκλεόνια ανταλλάσσουν μεσόνια:

Σε αυτή την περίπτωση, το πρωτόνιο εκπέμπει ένα μεσόνιο, το οποίο μετατρέπεται σε νετρόνιο. Το μεσόνιο απορροφάται από ένα νετρόνιο, το οποίο κατά συνέπεια μετατρέπεται σε πρωτόνιο, τότε η ίδια διαδικασία συμβαίνει προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι, κάθε ένα από τα αλληλεπιδρώντα νουκλεόνια περνά ένα μέρος του χρόνου σε μια φορτισμένη κατάσταση και ένα μέρος σε μια ουδέτερη κατάσταση.

2. Ανταλλαγή νουκλεονίων - μεσόνια:

3. Τα νουκλεόνια ανταλλάσσουν μεσόνια:

. (22.10)

Όλες αυτές οι διαδικασίες έχουν αποδειχθεί πειραματικά. Συγκεκριμένα, η πρώτη διαδικασία επιβεβαιώνεται όταν μια δέσμη νετρονίων διέρχεται από υδρογόνο. Στην δέσμη εμφανίζονται κινούμενα πρωτόνια και στον στόχο ανιχνεύεται αντίστοιχος αριθμός νετρονίων που πρακτικά ηρεμούν.

Μοντέλα πυρήνα.Η απουσία μαθηματικού νόμου για τις πυρηνικές δυνάμεις δεν επιτρέπει τη δημιουργία μιας ενοποιημένης θεωρίας του πυρήνα. Οι προσπάθειες δημιουργίας μιας τέτοιας θεωρίας συναντούν σοβαρές δυσκολίες. Εδώ είναι μερικά από αυτά:

1. Έλλειψη γνώσης για τις δυνάμεις που δρουν μεταξύ νουκλεονίων.

2. Η ακραία δυσκινησία του προβλήματος των κβαντικών πολλών σωμάτων (πυρήνας με μαζικό αριθμό ΕΝΑείναι ένα σύστημα του ΕΝΑτηλ).

Αυτές οι δυσκολίες μας αναγκάζουν να ακολουθήσουμε το δρόμο της δημιουργίας πυρηνικών μοντέλων που καθιστούν δυνατή την περιγραφή ενός συγκεκριμένου συνόλου πυρηνικών ιδιοτήτων χρησιμοποιώντας σχετικά απλά μαθηματικά μέσα. Κανένα από αυτά τα μοντέλα δεν μπορεί να δώσει μια απολύτως ακριβή περιγραφή του πυρήνα. Επομένως, πρέπει να χρησιμοποιήσετε πολλά μοντέλα.

Κάτω από μοντέλο πυρήνα στην πυρηνική φυσική κατανοούν ένα σύνολο φυσικών και μαθηματικών υποθέσεων με τη βοήθεια των οποίων είναι δυνατός ο υπολογισμός των χαρακτηριστικών ενός πυρηνικού συστήματος που αποτελείται από ΕΝΑνουκλεόνια. Πολλά μοντέλα διαφορετικού βαθμού πολυπλοκότητας έχουν προταθεί και αναπτυχθεί. Θα εξετάσουμε μόνο τα πιο διάσημα από αυτά.

Υδροδυναμικό (στάγδην) μοντέλο του πυρήνααναπτύχθηκε το 1939. Ο N. Bohr και ο Σοβιετικός επιστήμονας J. Frenkel. Βασίζεται στην υπόθεση ότι, λόγω της υψηλής πυκνότητας των νουκλεονίων στον πυρήνα και της εξαιρετικά ισχυρής αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, η ανεξάρτητη κίνηση μεμονωμένων νουκλεονίων είναι αδύνατη και ο πυρήνας είναι μια σταγόνα φορτισμένου υγρού με πυκνότητα . Όπως συμβαίνει με μια κανονική σταγόνα υγρού, η επιφάνεια του πυρήνα μπορεί να ταλαντωθεί. Εάν το πλάτος των δονήσεων γίνει αρκετά μεγάλο, λαμβάνει χώρα η διαδικασία της πυρηνικής σχάσης. Το μοντέλο σταγονιδίων κατέστησε δυνατή τη λήψη ενός τύπου για την ενέργεια δέσμευσης των νουκλεονίων στον πυρήνα και εξήγησε τον μηχανισμό ορισμένων πυρηνικών αντιδράσεων. Ωστόσο, αυτό το μοντέλο δεν εξηγεί τα περισσότερα από τα φάσματα διέγερσης των ατομικών πυρήνων και την ειδική σταθερότητα ορισμένων από αυτά. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το υδροδυναμικό μοντέλο αντικατοπτρίζει πολύ κατά προσέγγιση την ουσία της εσωτερικής δομής του πυρήνα.

Μοντέλο κελύφους του πυρήνα αναπτύχθηκε το 1940-1950 από τον Αμερικανό φυσικό M. Geppert - Mayer και τον Γερμανό φυσικό H. Jensen. Υποθέτει ότι κάθε νουκλεόνιο κινείται ανεξάρτητα από τα άλλα σε κάποιο μέσο δυναμικό πεδίο (δυναμικό πηγάδι που δημιουργείται από τα υπόλοιπα νουκλεόνια του πυρήνα. Στο πλαίσιο του μοντέλου φλοιού, η συνάρτηση δεν υπολογίζεται, αλλά επιλέγεται έτσι ώστε η καλύτερη συμφωνία με μπορούν να επιτευχθούν πειραματικά δεδομένα.

Το βάθος του πηγαδιού δυναμικού είναι συνήθως ~ (40-50) MeVκαι δεν εξαρτάται από τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, τα νουκλεόνια σε ένα πεδίο βρίσκονται σε ορισμένα διακριτά ενεργειακά επίπεδα. Η κύρια υπόθεση των δημιουργών του μοντέλου κελύφους σχετικά με την ανεξάρτητη κίνηση των νουκλεονίων σε ένα μέσο δυναμικό πεδίο έρχεται σε αντίθεση με τις βασικές διατάξεις των δημιουργών του υδροδυναμικού μοντέλου. Επομένως, τα χαρακτηριστικά του πυρήνα, τα οποία περιγράφονται καλά από το υδροδυναμικό μοντέλο (για παράδειγμα, η τιμή της ενέργειας δέσμευσης), δεν μπορούν να εξηγηθούν στο πλαίσιο του μοντέλου του κελύφους και το αντίστροφο.

Γενικευμένο μοντέλο πυρήνα , που αναπτύχθηκε το 1950-1953, συνδυάζει τις κύριες διατάξεις των δημιουργών των μοντέλων υδροδυναμικής και κελύφους. Στο γενικευμένο μοντέλο, θεωρείται ότι ο πυρήνας αποτελείται από ένα εσωτερικό σταθερό μέρος - τον πυρήνα, ο οποίος σχηματίζεται από τα νουκλεόνια των γεμισμένων κελυφών και τα εξωτερικά νουκλεόνια που κινούνται στο πεδίο που δημιουργείται από τα νουκλεόνια του πυρήνα. Από αυτή την άποψη, η κίνηση του πυρήνα περιγράφεται από ένα υδροδυναμικό μοντέλο και η κίνηση των εξωτερικών νουκλεονίων από ένα μοντέλο κελύφους. Λόγω της αλληλεπίδρασης με εξωτερικά νουκλεόνια, ο πυρήνας μπορεί να παραμορφωθεί και ο πυρήνας μπορεί να περιστραφεί γύρω από έναν άξονα κάθετο στον άξονα παραμόρφωσης. Το γενικευμένο μοντέλο κατέστησε δυνατή την εξήγηση των κύριων χαρακτηριστικών των φασμάτων περιστροφής και δόνησης των ατομικών πυρήνων, καθώς και των υψηλών τιμών της τετραπολικής ηλεκτρικής ροπής ορισμένων από αυτούς.

Εξετάσαμε τα κυριότερα φαινομενολογικά, δηλ. περιγραφικά, μοντέλα πυρήνα. Ωστόσο, για να κατανοήσουμε πλήρως τη φύση των πυρηνικών αλληλεπιδράσεων που καθορίζουν τις ιδιότητες και τη δομή του πυρήνα, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια θεωρία στην οποία ο πυρήνας θα θεωρείται ως ένα σύστημα αλληλεπιδρώντων νουκλεονίων.

Το καθήκον μας:εισάγουν τις βασικές ιδιότητες των πυρηνικών δυνάμεων που προκύπτουν από τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα.

Ας ξεκινήσουμε απαριθμώντας τις γνωστές ιδιότητες των πυρηνικών δυνάμεων, ώστε στη συνέχεια να προχωρήσουμε στην αιτιολόγησή τους:

• Αυτές είναι οι δυνάμεις έλξης.
• Είναι σύντομης δράσης.
• Αυτές είναι δυνάμεις μεγάλου μεγέθους (σε σύγκριση με τις ηλεκτρομαγνητικές, τις ασθενείς και τις βαρυτικές).
• Έχουν την ιδιότητα του κορεσμού.
• Οι πυρηνικές δυνάμεις εξαρτώνται από τον αμοιβαίο προσανατολισμό των νουκλεονίων που αλληλεπιδρούν.
• Δεν είναι κεντρικά.
• Οι πυρηνικές δυνάμεις δεν εξαρτώνται από το φορτίο των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων.
• Εξαρτήστε τον σχετικό προσανατολισμό του σπιν και την τροχιακή ορμή.
• Οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν χαρακτήρα ανταλλαγής.
• Σε μικρές αποστάσεις ( r m) είναι απωστικές δυνάμεις.

Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι πυρηνικές δυνάμεις είναι δυνάμεις έλξης. Διαφορετικά, οι δυνάμεις του Κουλόμπ για την απώθηση των πρωτονίων θα καθιστούσαν αδύνατη την ύπαρξη πυρήνων.

Η ιδιότητα του κορεσμού των πυρηνικών δυνάμεων προκύπτει από τη συμπεριφορά της εξάρτησης της ειδικής δεσμευτικής ενέργειας από τον μαζικό αριθμό (βλ. διάλεξη).

Εξάρτηση της ενέργειας δέσμευσης ανά νουκλεόνιο από τον μαζικό αριθμό

Εάν τα νουκλεόνια σε έναν πυρήνα αλληλεπιδράσουν με όλα τα άλλα νουκλεόνια, η ενέργεια αλληλεπίδρασης θα ήταν ανάλογη με τον αριθμό των συνδυασμών ΕΝΑ 2 το καθένα, δηλ. A(A-1)/2 ~ A 2. Τότε η ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο ήταν ανάλογη με ΕΝΑ. Στην πραγματικότητα, όπως φαίνεται από το σχήμα, είναι περίπου σταθερό ~8 MeV. Αυτό υποδηλώνει περιορισμένο αριθμό δεσμών νουκλεονίων στον πυρήνα.

Ιδιότητες που προκύπτουν από τη μελέτη της δεσμευμένης κατάστασης - το δευτερόνιο

Το δευτερόνιο 2 1 H είναι η μόνη δεσμευμένη κατάσταση δύο νουκλεονίων - ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου. Δεν υπάρχουν δεσμευμένες καταστάσεις πρωτόνιο - πρωτόνιο και νετρόνιο - νετρόνιο. Ας απαριθμήσουμε τις πειραματικά γνωστές ιδιότητες του δευτερονίου.

• Ενέργεια δέσμευσης νουκλεονίων σε δευτερόνιο G d = 2,22 MeV.
• Δεν έχει ενθουσιασμένες καταστάσεις.
• Δευτερόνιο σπιν J=1, η ισοτιμία είναι θετική.
• Μαγνητική ροπή του δευτερονίου μ d = 0,86 μ i, Εδώ μ i = 5,051·10 -27 J/T - πυρηνικό μαγνητόνιο.
• Η τετραπολική ηλεκτρική ροπή είναι θετική και ίση με Q = 2,86·10 -31 m 2.

Σε μια πρώτη προσέγγιση, η αλληλεπίδραση των νουκλεονίων σε ένα δευτερόνιο μπορεί να περιγραφεί από ένα ορθογώνιο φρεάτιο δυναμικού

Εδώ μ - μειωμένη μάζα ίση με μ = m p m n /(m p +m n).

Αυτή η εξίσωση μπορεί να απλοποιηθεί με την εισαγωγή της συνάρτησης χ = r*Ψ(r). Παίρνουμε

Επιλύουμε ξεχωριστά για τις περιοχές r και r > α(λάβετε υπόψη το E για τη δεσμευμένη κατάσταση που αναζητούμε)

Συντελεστής σιπρέπει να οριστεί ίσο με το μηδέν, διαφορετικά όταν r → 0κυματική συνάρτηση Ψ = χ/rγυρίζει στο άπειρο. και συντελεστής Β 1 = 0, διαφορετικά η λύση αποκλίνει στο r → ∞.

Τα διαλύματα πρέπει να συρράπτονται μεταξύ τους r = α, δηλ. εξισώνουν τις τιμές των συναρτήσεων και των πρώτων παραγώγων τους. Αυτό δίνει

Εικ.1 Γραφική λύση της εξίσωσης (1)

Αντικατάσταση των τιμών στην τελευταία εξίσωση κ, κ 1και πιστεύοντας E = -Gdπαίρνουμε μια εξίσωση που σχετίζεται με την ενέργεια δέσμευσης Gd, βάθος λάκκου U 0και το πλάτος του ένα

Η δεξιά πλευρά, δεδομένης της χαμηλής ενέργειας δέσμευσης, είναι ένας μικρός αρνητικός αριθμός. Επομένως, το επιχείρημα συνεφαπτομένης είναι κοντά στο π/2και το ξεπερνά ελαφρώς.

Αν πάρουμε την πειραματική τιμή της ενέργειας δέσμευσης του δευτερονίου G d = 2,23 MeV, μετά για το προϊόν a 2 ·U 0παίρνουμε ~2,1·10 -41 m 2 J (δυστυχώς, μεμονωμένες τιμές U 0Και έναδεν μπορεί να ληφθεί). Αναρωτιέμαι λογικό α = 2·10 -15 m (ακολουθεί από πειράματα για τη σκέδαση νετρονίων, περισσότερα για αυτό αργότερα), για το βάθος του δυναμικού φρεατίου λαμβάνουμε περίπου 33 MeV.

Ας πολλαπλασιάσουμε την αριστερή και τη δεξιά πλευρά της εξίσωσης (1) επί ένακαι εισάγουμε βοηθητικές μεταβλητές x = καΚαι y = k 1 α. Η εξίσωση (1) παίρνει τη μορφή