Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на расстояниях см друг от друга, несмотря на сильное кулоновское отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил.
1. Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия имеет порядок . На расстояниях, существенно меньших , притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.
2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеют одинаковую величину. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.
3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода дейтрон (или дейтон) только в том. случае, если их спины параллельны друг другу.
4. Ядерные силы не являются центральными. Их нельзя представлять направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Нецентральность ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов.
5. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растет, а остается примерно постоянной. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов (см. формулу (66.8)).
По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов. Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рассмотрим прежде, как выглядит электромагнитное взаимодействие с точки зрения квантовой электродинамики.
Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле. Мы знаем, что это поле может быть представлено как совокупность фотонов.
Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. В этом смысле виртуальные частицы можно назвать воображаемыми.
Чтобы лучше понять смысл термина «виртуальный», рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить уравнением
Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое уравнением (69.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике энергия состояния, существующего время оказывается определенной лишь с точностью , удовлетворяющей соотношению неопределенности:
(см. формулу (20.3)). Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения АЕ, длительность которых не должна превышать значения, определяемого условием (69.2). Следовательно, если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени (где ), то нарушение вакона сохранения энергии не может быть обнаружено.
При сообщении электрону дополнительной энергии (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном) вместо виртуального может быть испущен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.
За определяемое условием (69.2) время виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными расстоянием
Энергия фотона может быть сколь угодно мала (частота изменяется от 0 до ). Поэтому радиус действия электрод магнитных сил является неограниченным.
Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу , то радиус действия соответствующих сил был бы ограничен величиной
где - комптоновскан длина волны данной частицы (см. (11.6)). Мы положили, что частица - переносчик взаимодействия - движется со скоростью с.
В 1934 г. И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц - электрон - обладает комптонозской длиной волны (см. (11.7)), на два порядка превышающей радиус действия ядерных сил. Кроме того, величина сил, которые могли бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой. Таким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной.
В 1935 г. японский физик X. Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200-300 раз большей массы электрона, и что эти то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжелыми фотонами. В связи с тем, что по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впоследствии были названы мезонами (греческое «мезос» означает средний),
В 1936 г. Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой, равной . Вначале полагали, что эти частицы, получившие название -мезонов, или мюонов, и есть переносчики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впоследствии выяснилось, что мюоны очень слабо взаимодействуют с нуклонами, так что не могут быть ответственными за ядерные взаимодействия. Только в 1947 г. Оккиалини и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезонов - так называемые -мезоны, или пионы, которые оказались носителями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юкавой.
Существуют положительный отрицательный и нейтральный мезоны. Заряд и -мезонов равен элементарному заряду . Масса заряженных пионов одинакова и равна , масса -мезона равна .
Спин как заряженных, так и нейтрального -мезона равен нулю Все три частицы нестабильны. Время жизни и -мезонов составляет , -мезона - .
Подавляющая часть заряженных -мезонов распадается по схеме
( - положительный и отрицательный мюоны, v - нейтрино, -антинейтрино). В среднем 2,5 распада из миллиона протекают по другим схемам (например, и т. п., причем в случае образуется т. е. позитрон, а в случае возникает т. е. электрон).
В среднем -мезонов распадаются на два -кванта:
Остальные распадов осуществляются по схемам:
Частицы, называемые -мезонами или мюонами, принадлежат к классу лептонов (см. § 74), а не мезонов. Поэтому в дальнейшем мы будем называть их мюонами. Мюоны имеют положительный или отрицательный заряд, равный элементарному заряду (нейтрального мюона не существует). Масса мюона равна , спин - половине . Мюоиы, как и -мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме:
Время жизни обоих мюонов одинаково и равно .
Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов
нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных -мезонов, образующих поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, которое осуществляется по одной из следующих схем:
Соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени. Совершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов. Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных -мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превращается в нейтрон (рис. 69.2).
Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе -мезона, то виртуальный -мезон может стать реальным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном --кванта. При очень больших энергиях соударяющихся растиц может возникнуть несколько реальных
В физике понятием «сила» обозначают меру взаимодействия материальных образований между собой, включая взаимодействия частей вещества (макроскопических тел, элементарных частиц) друг с другом и с физическими полями (электромагнитным, гравитационным). Всего известно четыре типа взаимодействия в природе: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное, и каждому соответствует свой вид сил. Первому из них отвечают ядерные силы, действующие внутри атомных ядер.
Что объединяет ядра?
Общеизвестно, что ядро атома является крошечным, его размер на четыре-пять десятичных порядков меньше размера самого атома. В связи с этим возникает очевидный вопрос: почему оно настолько мало? Ведь атомы, состоящие из крошечных частиц, все же гораздо больше, чем частицы, которые они содержат.
Напротив, ядра не сильно отличаются по размеру от нуклонов (протонов и нейтронов), из которых они сделаны. Есть ли причина этому или это случайность?
Между тем, известно, что именно электрические силы удерживают отрицательно заряженные электроны вблизи атомных ядер. Какая же сила или силы удерживают частицы ядра вместе? Эту задачу выполняют ядерные силы, являющиеся мерой сильных взаимодействий.
Сильное ядерное взаимодействие
Если бы в природе были только гравитационные и электрические силы, т.е. те, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, то атомные ядра, состоящие зачастую из множества положительно заряженных протонов, были бы нестабильны: электрические силы, толкающие протоны друг от друга будут во много миллионов раз сильнее, чем любые гравитационные силы, притягивающие их друг к другу. Ядерные силы обеспечивают притяжение еще более сильное, чем электрическое отталкивание, хотя лишь тень их истинной величины проявляется в структуре ядра. Когда мы изучаем строение самих протонов и нейтронов, то видим истинные возможности того явления, которое известно как сильное ядерное взаимодействие. Ядерные силы есть его проявление.
На рисунке выше показано, что двумя противоположными силами в ядре являются электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами и сила ядерного взаимодействия, которая притягивает протоны (и нейтроны) вместе. Если число протонов и нейтронов не слишком отличается, то вторые силы превосходят первые.
Протоны - аналоги атомов, а ядра - аналоги молекул?
Между какими частицами действуют ядерные силы? Прежде всего между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре. В конце концов они действуют и между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона. Это неудивительно, когда мы признаем, что протоны и нейтроны являются внутренне сложными.
В атоме крошечные ядра и еще более мелкие электроны находятся относительно далеко друг от друга по сравнению с их размерами, а электрические силы, удерживающие их в атоме, действуют довольно просто. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размерами атомов, так что внутренняя сложность последних вступает в игру. Разнообразная и сложная ситуация, вызванная частичной компенсацией внутриатомных электрических сил, порождает процессы, в которых электроны могут на самом деле перейти от одного атома к другому. Это делает физику молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Аналогичным образом и расстояние между протонами и нейтронами в ядре сопоставимо с их размерами - и также, как и с молекулами, свойства ядерных сил, удерживающих ядра вместе, намного сложнее, чем простое притяжение протонов и нейтронов.
Нет ядра без нейтрона, кроме как у водорода
Известно, что ядра некоторых химических элементов стабильны, а у других они непрерывно распадаются, причем диапазон скоростей этого распада весьма широк. Почему же прекращают свое действие силы, удерживающие нуклоны в ядрах? Давайте посмотрим, что мы можем узнать из простых соображений о том, какие имеются свойства ядерных сил.
Одно из них то, что все ядра, за исключением наиболее распространенного изотопа водорода (который имеет только один протон), содержат нейтроны; то есть нет ядра с несколькими протонами, которые не содержат нейтронов (см. рис. ниже). Итак, ясно, что нейтроны играют важную роль в оказании помощи протонам держаться вместе.
На рис. выше показаны легкие стабильные или почти устойчивые ядра вместе с нейтроном. Последний, как и тритий, показаны пунктиром, указывающим, что они в конечном итоге распадаются. Другие комбинации с малым числом протонов и нейтронов не образуют ядра вовсе, либо образуют чрезвычайно нестабильные ядра. Кроме того, показаны курсивом альтернативные названия, часто даваемые некоторым из этих объектов; Например, ядро гелия-4 часто называют α-частицей, название, данное ему, когда оно было первоначально обнаружено в первых исследованиях радиоактивности в 1890 годах.
Нейтроны в роли пастухов протонов
Наоборот, нет ядра, сделанного только из нейтронов без протонов; большинство легких ядер, таких как кислорода и кремния, имеют примерно то же самое число нейтронов и протонов (рисунок 2). Большие ядра с большими массами, как у золота и радия, имеют несколько больше нейтронов, чем протонов.
Это говорит о двух вещах:
1. Не только нейтроны необходимы, чтобы протоны держались вместе, но и протоны нужны, чтобы удержать нейтроны тоже вместе.
2. Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, то электрическое отталкивание протонов должно быть скомпенсировано добавлением нескольких дополнительных нейтронов.
Последнее утверждение проиллюстрировано на рисунке ниже.
На рисунке выше показаны стабильные и почти устойчивые атомные ядра как функция P (числа протонов) и N (числа нейтронов). Линия, показанная черными точками обозначает стабильные ядра. Любое смещение от черной линии вверх или вниз означает уменьшение жизни ядер - вблизи нее срок жизни ядер составляет миллионы лет или более, по мере удаления внутрь синей, коричневой или желтой областей (разные цвета соответствует разным механизмам ядерного распада) время их жизни становится все короче, вплоть до долей секунды.
Обратите внимание, что стабильные ядра имеют P и N, примерно равные для малых P и N, но N постепенно становится больше, чем P более чем в полтора раза. Отметим также, что группа стабильных и долгоживущих нестабильных ядер остается в достаточно узкой полосе для всех значений P вплоть до 82. При большем их числе известные ядра в принципе являются нестабильными (хотя и могут существовать миллионы лет). По-видимому, отмеченный выше механизм стабилизации протонов в ядрах за счет добавления к ним нейтронов в этой области не имеет стопроцентной эффективности.
Как размер атома зависит от массы его электронов
Как же влияют рассматриваемые силы на строение атомного ядра? Ядерные силы влияют прежде всего на его размер. Почему же все-таки ядра так малы по сравнению с атомами? Чтобы выяснить это, давайте начнем с простейшего ядра, которое имеет как протон, так и нейтрон: это второй наиболее распространенной изотоп водорода, атом которого содержит один электрон (как и все изотопы водорода) и ядро из одного протона и одного нейтрона. Этот изотоп часто называют "дейтерий", а его ядро (см. рисунок 2) иногда называют "дейтрон." Как мы можем объяснить, что держит дейтрон вместе? Ну, можно представить себе, что он не так уж отличается от атома обычного водорода, который также содержит две частицы (протон и электрон).
На рис. выше показано, что в атоме водорода ядро и электрон очень далеки друг от друга, в том смысле, что атом гораздо больше, чем ядро (а электрон еще меньше.) Но в дейтроне расстояние между протоном и нейтроном сравнимо с их размерами. Это отчасти объясняет, почему ядерные силы являются гораздо более сложными, чем силы в атоме.
Известно, что электроны имеют небольшую массу по сравнению с протонами и нейтронами. Отсюда следует, что
- масса атома, по существу близка к массе его ядра,
- размер атома (по существу размер электронного облака) обратно пропорционален массе электронов и обратно пропорционален общей электромагнитной силе; принцип неопределенности квантовой механики играет решающую роль.
А если ядерные силы аналогичны электромагнитным
Что же с дейтроном? Он так же, как и атом, сделан из двух объектов, но они почти одинаковой массы (массы нейтрона и протона отличаются лишь части примерно на одну 1500-ю часть), так что обе частицы в равной степени важны в определении массы дейтрона и его размера. Теперь предположим, что ядерная сила тянет протон к нейтрону так же, как электромагнитные силы (это не совсем так, но представьте себе, на мгновение); а затем, по аналогии с водородом, мы ожидаем, размер дейтрона обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорциональным величине ядерной силе. Если ее величина была такой же (на определенном расстоянии), как у электромагнитной силы, то это будет означать, что так как протон примерно в 1850 раз тяжелее электрон, то дейтрон (и действительно любое ядро) должно быть по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у водорода.
Что дает учет существенной разницы ядерных и электромагнитных сил
Но мы уже догадались, что ядерная сила намного больше электромагнитной (на том же расстоянии), потому что, если это не так, она была бы не в состоянии предотвратить электромагнитное отталкивание между протонами вплоть до распада ядра. Так что протон и нейтрон под ее действием сближаются вместе еще более плотно. И поэтому не удивительно, что дейтрон и другие ядер не просто в одну тысячу, но в сто тысяч раз меньше, чем атомы! Опять же, это только потому, что
- протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее, чем электроны,
- на этих расстояниях, большая ядерная сила между протонами и нейтронами в ядре во много раз больше, чем соответствующие электромагнитные силы (в том числе электромагнитного отталкивания между протонами в ядре.)
Эта наивная догадка дает примерно правильный ответ! Но это не полностью отражает сложность взаимодействия между протоном и нейтроном. Одна из очевидных проблем состоит в том, что сила, подобная электромагнитной, но с большей притягивающей или отталкивающей способностью, должна очевидно проявляться в повседневной жизни, но мы не наблюдаем ничего подобного. Так что, что-то в этой силе должно отличаться от электрических сил.
Короткий диапазон ядерной силы
Что их отличает, так это то, что удерживающие от распада атомное ядро ядерные силы являются очень важными и большими для протонов и нейтронов, находящихся на очень коротком расстоянии друг от друга, но на определенном расстоянии (так называемом "диапазоне" силы), они падают очень быстро, гораздо быстрее, чем электромагнитные. Диапазон, оказывается, может также быть размером с умеренно большое ядро, только в несколько раз больше, чем протон. Если поместить протон и нейтрон на расстоянии, сравнимом с этим диапазоном, они будут притягиваться друг к другу и образуют дейтон; если их разнести на большее расстояние, они едва ли будут ощущать какое-либо притяжение вообще. На самом деле, если их поместить слишком близко друг к другу, так, что они начнут перекрываться, то они будут на самом деле отталкиваются друг от друга. В этом и проявляется сложность такого понятия, как ядерные силы. Физика продолжает непрерывно развиваться в направлении объяснения механизма их действия.
Физический механизм ядерного взаимодействия
У всякого материального процесса, включая и взаимодействие между нуклонами, должны быть материальные же переносчики. Ими являются кванты ядерного поля - пи-мезоны (пионы), из-за обмена которыми и возникает притяжение между нуклонами.
Согласно принципам квантовой механики, пи-мезоны, то и дело возникая и тут же исчезая, образуют вокруг «голого» нуклона что-то вроде облака, называемого мезонной шубой (вспомните об электронных облаках в атомах). Когда два нуклона, окруженные такими шубами, оказываются на расстоянии порядка 10 -15 м, происходит обмен пионами подобно обмену валентными электронами в атомах при образовании молекул, и между нуклонами возникает притяжение.
Если же расстояния между нуклонами становятся меньше 0,7∙10 -15 м, то они начинают обмениваться новыми частицами - т.наз. ω и ρ-мезонами, вследствие чего между нуклонами возникает не притяжение, а отталкивание.
Ядерные силы: строение ядра от простейшего к большему
Резюмируя все вышесказанное, можно отметить:
- сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее, чем электромагнетизм на расстояниях, значительно больших, чем размер типичного ядра, так что мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни; но
- на коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее - сила притяжения (при условии, что расстояние не слишком короткое), способна преодолеть электрическое отталкивание между протонами.
Итак, эта сила имеет значение только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра. На рисунке ниже показан вид ее зависимости от расстояния между нуклонами.
Большие ядра удерживаются вместе с помощью более или менее той же силы, что держит дейтрон вместе, но детали процесса усложняются, так что их непросто описать. Они также не в полной мере понятны. Хотя основные очертания физики ядра были хорошо изучены в течение десятилетий, многие важные детали все еще активно исследуются.
Между составляющими ядро нуклонами действуют ядерные силы , значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. С точки зрения полевой теории элементарных частиц ядерные силы, в основном, являются силами взаимодействия магнитных полей нуклонов в ближней зоне. На больших расстояниях потенциальная энергия такого взаимодействия убывает по закону 1/r 3 - этим объясняется их короткодействующий характер. На расстоянии (3 ∙10 -13 см) ядерные силы становятся доминирующими, а на расстояниях менее (9,1 ∙10 -14 см) они превращаются в еще более мощные силы отталкивания.
Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10 –15 м. Длина (1,5 – 2,2)·10 –15 м называется радиусом действия ядерных сил.
Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость : притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нейтронного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи зеркальных ядер . Так называются ядра , в которых одинаково общее число нуклонов , но число протонов в одном равно числу нейтронов другом . Например, ядра гелия и тяжелого водорода – трития . Энергии связи этих ядер составляют 7,72 МэВ и 8,49 МэВ.
Разность энергий связи ядер, равная 0,77 МэВ, соответствует энергии кулоновского отталкивания двух протонов в ядре .
Ядерные силы обладают свойством насыщения , которое проявляется в том , что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов . Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел A . Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов . Это подтверждается различным характером рассеяния нейтронов молекулами орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода спины обоих протонов параллельны друг другу, а в молекуле параводорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтронов на параводороде в 30 раз превышает рассеяние на ортоводороде. Ядерные силы не являются центральными .
Взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения квантов ядерного поля – π-мезонов . Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами.
Энергия связи
Прочность ядер характеризуется энергией связи . По своей величине энергия связи равна той работе, которую необходимо затратить для разрушения ядра на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии . Такое же количество энергии освобождается при образовании ядра из нуклонов. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Количество заключенной в веществе энергии непосредственно связано с его массой соотношением Эйнштейна
E = mc 2 .
В соответствии с этим соотношением масса и энергия представляют собой разные формы одного и того же явления. Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного вида в другой, т.е. любому изменению массы m системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии Е .
Разность между суммой масс свободных нуклонов и массой ядра называется дефектом массы атомного ядра . Если ядро с массой m образовано из Z протонов с массой m p и из (А – Z ) нейтронов с массой m n , то дефект массы Δ m определяется соотношением
При образовании ядра из частиц последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом гамма-кванты как раз обладают энергией Е св и массой m .
По дефекту массы, с помощью уравнения Эйнштейна (Е = mc 2 ) можно определить энергию, выделившуюся в результате образования ядра, т.е. энергию связи (Е cв ):
Е cв = Δ mc 2
Энергия связи, приходящаяся на один нуклон (т. е. полная энергия связи поделенная на число нуклонов в ядре), называется удельной энергией связи :
Чем больше по абсолютной величине удельная энергия связи, тем сильнее взаимодействие между нуклонами и тем прочнее ядро. Наибольшая энергия связи, приходящаяся на один нуклон, порядка 8,75 МэВ, присуща элементам средней части таблицы Менделеева.
Ядерные спектры
Атомное ядро, как и другие объекты микромира, является квантовой системой. Это означает, что теоретическое описание его характеристик требует привлечения квантовой теории. В квантовой теории описание состояний физических систем основывается на волновых функциях, или амплитудах вероятности ψ(α,t). Квадрат модуля этой функции определяет плотность вероятности обнаружения исследуемой системы в состоянии с характеристикой α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2 . Аргументом волновой функции могут быть, например, координаты частицы.
Квантовый характер атомных ядер проявляется в картинах их спектров возбуждения. Ядра обладают дискретными спектрами возможных энергетических состояний. Таким образом, квантование энергии и ряда других параметров является свойством не только атомов, но и атомных ядер. Состояние атомного ядра с минимальным запасом энергии называется основным , или нормальным, состояния с избыточной энергией (по сравнению с основным состоянием) называются возбужденными .
Спектр состояний ядра 12 С
Атомы обычно находятся в возбужденных состояниях примерно 10 -8 секунды, а возбужденные атомные ядра избавляются от избытка энергии за гораздо более короткое время - порядка 10 -15 - 10 -16 секунды. Как и атомы, возбужденные ядра освобождаются от избытка энергии, испуская кванты электромагнитного излучения. Эти кванты называются гамма-квантами (или гамма-лучами). Дискретному набору энергетических состояний атомного ядра соответствует дискретный спектр частот излучаемых ими гамма-квантов.
Многие закономерности в ядерных спектрах можно объяснить, если воспользоваться так называемой оболочечной моделью строения атомного ядра. Согласно этой модели, нуклоны в ядре не перемешаны в беспорядке, а, подобно электронам в атоме, располагаются связанными группами, заполняя разрешенные ядерные оболочки. При этом протонные и нейтронные оболочки заполняются независимо друг от друга. Максимальные числа нейтронов: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 и протонов: 2, 8, 20, 28, 50, 82 в заполненных оболочках получили название магических. Ядра с магическими числами протонов и нейтронов обладают многими замечательными свойствами: повышенным значением удельной энергии связи, меньшей вероятностью вступления в ядерное взаимодействие, устойчивостью по отношению к радиоактивному распаду и т. п. "Дважды магическими" являются, например, ядра 4 He , 16 O , 28 Si . Именно из-за своей особо высокой стабильности эти ядра максимально распространены в природе.
Переход ядра из основного состояния в возбужденное и возвращение его в основное состояние, с точки зрения оболочечной модели, объясняется переходом нуклона с одной оболочки на другую и обратно.
Спонтанные переходы ядер из более высоких возбужденных состояний дискретного спектра ядра в более низкие (в том числе в основное состояние) реализуются, как правило, путем излучения γ-квантов, т.е. за счет электромагнитных взаимодействий . В области больших энергий возбуждения, когда E > E отд, ширины уровней возбужденного ядра резко возрастают. Дело в том, что в отделении нуклона от ядра главную роль играют ядерные силы - т.е. сильные взаимодействия. Вероятность сильных взаимодействий на порядки выше вероятности электромагнитных, поэтому ширины распада по сильным взаимодействиям велики и уровни ядерных спектров в области E > E отд перекрываются – спектр ядра становится непрерывным. Главным механизмом распада высоковозбужденных состояний из этой области энергий является испускание нуклонов и кластеров (α-частиц и дейтронов). Излучение γ-квантов в этой области высоких энергий возбуждения E > E отд происходит с меньшей вероятностью, чем испускание нуклонов. Возбужденное ядро имеет, как правило, несколько путей, или каналов , распада.
(связанных состояний нуклонов). Само существование атомных ядер заставляет предположить, что в ядерных силах имеется существенное притяжение, которое и обеспечивает энергию связиЭнергия связи - разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше по абсолютной величине, чем прочнее система. Энергия связи с обратным знаком равна минимальной работе, которую нужно затратить, чтобы разделить систему на составляющие ее частицы. нуклонов в ядрах порядка нескольких МэВ на . Кроме того, с увеличением числа нуклонов A в ядре на нуклон остается примерно постоянной, а объем ядра растет пропорционально A . Про системы с такими свойствами говорят, что в них имеется насыщение сил, и потому ядерные силы называют насыщающими. Они приводят к возможности существования ядерной материи (Нейтронные звездыНейтронные звезды - компактные астрофизические объекты с массами около 1,4 массы Солнца и радиусами около 10 км, образующиеся из массивных звезд после вспышки сверхновой. Нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов. Нейтронные звезды являются одними из самых интересных астрофизических объектов с физической точки зрения. Для них характерны такие явления и свойства как: сверхтекучесть, сверхпроводимость, сверхсильные магнитные поля, излучение нейтрино, эффекты специальной и общей теории относительности. В недрах нейтронных звезд могут существовать экзотические формы материи (конденсаты различных элементарных частиц, кварковое вещество). ), плотность энергии которой не зависит от полного числа нуклонов и составляет примерно 16 МэВ на нуклон (если пренебречь электромагнитными (кулоновским) и гравитационными взаимодействиями). В общем случае можно представить себе, что ядерные силы – это притяжение только между нуклонами — ближайшими соседями, поэтому и энергия связи ядра пропорциональна числу в ядре.
Обычно предполагают, что потенциал ядерных сил в произвольной системе нуклонов можно свести к сумме потенциалов парных сил, т.е. сил, действующих между парой нуклонов (влиянием всех остальных нуклонов на данную пару пренебрегают). Хотя кроме парных взаимодействий нуклонов наверняка существуют многочастичные нуклонные взаимодействия, последние проявляются значительно слабее и их пока нельзя однозначно выделить в эксперименте. Поэтому под ядерными силами обычно подразумевают парные ядерные силы.
Совершенно иная ситуация возникает в системе, где преимущественно действуют кулоновские или гравитационныеГравитация - (от латинского gravitas - тяжесть), то же, что тяготение. Тяготение — гравитационное взаимодействие), универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи (обычным веществом, любыми полями физическими). Если это взаимодействие относительно слабое и тела движутся медленно по сравнению со скоростью света в вакууме с, то справедлив всемирного тяготения закон Исаака Ньютона. В случае сильных полей и скоростей, сравнимых с c, необходимо пользоваться созданной Альбертом Эйнштейном общей теорией относительности, являющейся обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной относительности теории. силы. Из-за того, что потенциал этих сил очень медленно спадает с расстоянием r между частицами (как 1 / r), во взаимодействии с данной частицей принимают участие не только ближайшие соседи, но и все частицы системы. Поэтому энергия взаимодействия растет гораздо быстрее, чем число частиц, и насыщения сил не возникает. Ненасыщенные свойства гравитационный сил и является причиной гравитационного коллапсаГравитационный коллапс - катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать ее дальнейшему сжатию и превращению в черную дыру. массивных звезд.
Ядерные силы описывают при помощи потенциала, который является функцией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитационного потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, ядерный потенциал зависит от r гораздо сложнее. Например, на расстоянии 1 ферми (1 ферми=10 -13 см) ядерное притяжение максимально и превышает кулоновское взаимодействие (потенциал) в несколько десятков раз, а гравитационное — в 10 38 раз, однако с увеличением расстояния до r =6 ферми ядерное притяжение убывает в 200 раз, тогда как кулоновское и гравитационное только в 6 раз.
Из-за такого различия ядерных, кулоновских и гравитационных сил их относительный эффект зависит от полного числа частиц в системе. В ядрах с А?300 несущественны, а кулоновские силы отталкивания пропорциональны квадрату числа протонов (Z 2) и уменьшают полную энергию связи примерно на 25% для средних и тяжелых ядер (А?300, Z ~ А / 2). Кулоновские силы приводят также к спонтанному делению тяжелых ядер, потому что суммарная кулоновская энергия отталкивания в ядрах — продуктах деления — меньше, чем в исходном ядре. Эти же кулоновские силы делают невозможным существование равновесной ядерной материи с примерно одинаковым числом протонов и нейтронов, поскольку энергия связи за счет ядерных сил растет как A , а отталкивание за счет кулоновских сил растет как Z 2 ~ A 2 .
Нейтронная ядерная материя в отсутствие гравитационных сил не может существовать, так как, по теоретическим оценкам, притяжения между нейтронами чуть-чуть не хватает для образования связанного состояния. С ростом числа нуклонов в системе, а следовательно ее массы, гравитационные силы становятся все более важными. При суммарной массе нуклонов, сравнимой с массой нейтронной звезды (), гравитационная энергия превышает 15% массы покоя всех нуклонов (в энергетическом выражении); при этом гравитационные силы создают давление, необходимое для существования нейтронной материи в центре нейтронной звезды.
Еще одно свойство потенциала ядерных сил состоит в том, что если кулоновский и гравитационные потенциалы в нерелятивистском приближении зависят только от зарядов и масс частиц соответственно, то потенциал ядерных сил зависит от гораздо большего числа переменных. Определим эти переменные. Нуклоны обладают , зарядом Q и движутся относительно друг друга с орбитальным моментом количества движения L . Кроме того, за счет ядерных сил возможен обмен зарядом между протонами p и нейтронами n.
Количество различных членов в потенциале ядерных силах зависит от всех комбинаций переменных, но уменьшается за счет изотопической и вращательной инвариантности потенциала ядерных сил. Согласно , существуют два различных типа ядерного взаимодействия: одно для симметричных по заряду состояний пары нуклонов pp или nn (ему соответствует так называемый I =0). Согласно вращательной инвариантности, потенциал ядерных сил зависит от ориентации спинов нуклонов относительно друг друга и определенного направления в системе: спины могут быть параллельными или антипараллельными, соответственно суммарный S равен единице или нулю.
При S =1 в потенциале ядерных сил имеется зависимость от ориентации спина относительно направления линии, соединяющей нуклоны. Соответствующий член в потенциале ядерных сил называется потенциалом тензорных сил. Кроме того, спин S =1 может быть по-разному ориентирован относительно плоскости орбиты нуклонов. Член в потенциале, содержащий эту зависимость, называют потенциалом спин-орбитальных сил. Таким образом, основные составляющие части потенциала ядерных сил включают четыре типа потенциала центральных сил (то есть зависящих только от r — расстояния между нуклонами, но не от направления их движения): два по значению полного спина и два по значению изоспина. Имеются также два тензорных потенциала (I =0,1) и два спин-орбитальных (I =0,1). Кроме того, потенциал ядерных сил может зависеть от L 2 и от P 2 — квадрата импульса нуклонов.
Прямое экспериментальное определение парных ядерных сил состоит в опытах по рассеянию нуклонов (протонов или нейтронов) на нуклонной мишени. Для определения зависимости ядерных сил от ориентации спинов требуются опыты с поляризованными нуклонами и поляризованными мишенями. Эти опыты выполнены, и имеются прецизионные данные в интервале энергий до 1000 МэВ (в лабораторной системе отсчета — системе координат, связанной с покоящимся нуклоном).
На основании экспериментальных данных можно утверждать следующее.
1) Все члены в потенциале ядерных сил сравнимы по величине. Главным остается потенциал центральных сил; спин-орбитальные и тензорные силы оказываются меньше, но всего в несколько раз. Для сравнения заметим, что для кулоновских сил в атоме зависящая от спинов часть потенциала составляет около 1% от центральной части (~ Q 1 Q 2 /r ).
2) Ядерные силы обладают конечным радиусом действия, поэтому их называют короткодействующими по сравнению с кулоновскими или гравитационными.
3) На расстоянии 1-1,5 ферми центральная часть взаимодействия является притягивающей — глубина потенциала притяжения (потенциальной ямы) 30-50 МэВ; однако по законам квантовой механики энергия связанного состояния оказывается гораздо меньше (она отличается от глубины ямы на среднюю кинетическую энергию, равную примерно , где r 0 — ширина ямы притяжения, m — масса нуклона). Из-за малого радиуса действия ядерных сил (1,5-2 ферми) притяжение оказывается достаточным для возникновения только одного связанного состояния протона и нейтрона с параллельными спинами () с энергией связи 2,2 МэВ. Два нейтрона (или два протона) вообще не образуют связанного состояния. Для сравнения укажем, что в молекуле водорода над основным состоянием возникает целый спектр возбужденных колебательных и вращательных состояний.
Заметим еще, что энергию ядер или ядерной материи нельзя определить как энергию связи пары (2,2 МэВ), умноженную на полное число пар или число возможных связей; правильный расчет гораздо сложнее и, напр., приводит к большой энергии связи среднего по массе ядра, даже когда энергия связи пары равна нулю.
4) При больших энергиях нуклонов в экспериментах по рассеянию частиц (что эквивалентно малым расстояниям, r < 1 ферми) все компоненты ядерных сил дают сильное отталкивание («кор», от английского core — сердцевина). Величина потенциала ядерных сил на достигнутых малых расстояниях составляет около 1000 МэВ=1 ГэВ. Наличие кора оказывается решающим фактором для насыщения ядерных сил. Если бы величина отталкивающей части потенциала в к’оре была всего в три раза меньше, то нуклоны могли бы коллапсировать на один или несколько центров и ядерной материи в обычном понимании не существовало.
Схематическое поведение потенциала центральных сил V r как функции r показано на рис 1. Оно несколько напоминает поведение потенциала двух нейтральных атомов. В качестве иллюстрации приведем аналитическую зависимость от расстояния r для потенциала Рида, характеризующего взаимодействие двух нейтронов в состоянии с орбитальным моментом, равным нулю:
где и . Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что нуклоны взаимодействуют как весьма сложные объекты.
Теоретическая интерпретация экспериментов по исследованию ядерн. сил осложнена тем, что еще не создана последовательная теория сильных взаимодействий.
Рис. 1. Схематическое поведение потенциала центральных сил V r как функции r
Разработка теории ядерных сил была начата в 1935 году японским физиком Хидэки ЮкавойЮкава Хидэки (1907-1981) - японский физик, иностранный член АН СССР (1966). Предсказал (1935) существование мезонов, развил основные положения мезонной теории. Предсказал (1936, совместно с С. Сакатой) электронный захват. Нобелевская премия (1949). Золотая медаль им. Михаила Васильевича Ломоносова АН СССР (1964). , который предположил, что ядерные силы возникают за счет того, что нуклоны обмениваются?- мезоном с массой 140 МэВ (? -мезон был открыт 10 лет спустя). Такой механизм объясняет конечный радиус действия ядерных сил (он оказывается равным около ферми) и приблизительную величину притяжения на больших расстояниях (r > 1,5 ферми).
В течение 60-х годов 20 века, когда были открыты более тяжелые (r и w), их также включили в схему обмена между нуклонами. Это позволило качественно объяснить возникновение спин-орбитальных сил и отталкивательного кора.
Для объяснения притяжения нужной силы на расстоянии около 1 ферми вводятся гипотетические скалярные мезоны. В настоящее время вместо скалярных мезонов вводится обмен парой скоррелированных -мезонов.
Расчет энергий связи ядер 3 H, 3 He, 4 He с использованием парных потенциалов проводится теперь с точностью около 3%. Оказалось, что такой расчет систематически приводит к недосвязанности ядер (по сравнению с экспериментом). Например, для 3 H и 3 He расчет дает энергию связи на 20% меньше экспериментальной величины, для 4 He — на 30-40% меньше. Расчеты сечений реакций в трех- четырехнуклонных системах в среднем лучше согласуются с опытом в области малых энергий (до 20 МэВ).
Все это в сочетании с трудностью теоретического объяснения величины кора заставляет признать теоретическую картину ядерных сил не вполне удовлетворительной. Возникшая в последние годы кварк-глюонная картина строения частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (), представляет нуклон как систему из трех валентных кварковКварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы - из трех кварков, мезоны - из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1 / 2 , барионным зарядом 1 / 3 , электрическими зарядами -2 / 3 , и +1 / 3 , заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались. , взаимодействующих за счет обмена и находящихся внутри некоторого «пузыря» (обычно называемого кварковым мешком), окруженного давящим на него снаружи вакуумом. В такой картине ядерные силы на малых расстояниях доминирует механизм слипания двух нуклонных мешков с образованием общего шестикваркового менка. Поэтому два нуклона не могут быть рядом, на расстоянии, меньшем размеров общего мешка, что позволяет просто и количественно точно объяснить возникновение отталкивательного кора в ядерных силах (а также и ряд других характеристик яд. сил). Несомненно, кварк-глюонная картина ядерных сил является наиболее фундаментальной, однако в ее конкретном осуществлении делаются только первые шаги.
Дополнительные сведения о ядерных силах смотрите в литературе:
Блатт Дж., Виктор Фредерик ВайскопфВиктор Фредерик Вайскопф (родился в 1908 году) - американский физик-теоретик, иностранный член РАН (1991; иностранный член АН СССР с 1976). Родился в Австрии, работал в Германии и Дании, с 1937 в США. В 1961-65 директор Европейского центра ядерных исследований. Основные труды по физике атомного ядра и элементарных частиц, квантовой теории поля и квантовой электродинамике. , Теоретическая ядерная , перевод с английского, М., 1954; Оге БорОге Бор (родился 19 июня 1922 года, в Копенгагене) - датский физик. Сын Нильса Бора. Член датской АН (1950), Норвежской АН (1962), Шведской АН (1965), Американской академии искусств и наук (1965). Нобелевская премия по физике (1975, совместно с Бенжамином Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером). , , Структура атомного ядра, перевод с английского, т. 1-2, М., 1971-77; Калоджеро Ф., Симонов Ю.А., Ядерные силы, насыщение и структура ядер, в сборнике Будущее науки, в. 9, М., 1976.
Ядерные силы (англ. Nuclear forces) являются силами взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Они стремительно убывают с ростом расстояния междунуклонами и становятся практически незаметными на расстояниях выше 10 -12 см.
С точки зрения полевой теории элементарных частиц ядерные силы, в основном, являются силами взаимодействия магнитных полей нуклонов в ближней зоне. На больших расстояниях потенциальная энергия такого взаимодействия убывает по закону 1/r 3 - этим объясняется их короткодействующий характер. На расстоянии (3 ∙10 -13 см) ядерные силы становятся доминирующими, а на расстояниях менее (9,1 ∙10 -14 см) они превращаются в еще более мощные силы отталкивания. График потенциальной энергии взаимодействия электрического и магнитного полей двух протонов демонстрирующий наличие ядерных сил приведен на рисунке.
Протон - протонные, протон - нейтронные и нейтрон - нейтронные взаимодействия будут несколько отличаться поскольку структура магнитных полей протона инейтрона разная.
Существует несколько, основных свойств ядерных сил.
1. Ядерные силы - силы притяжения.
2. Ядерные силы являются коротко действующими. Их действие проявляется только на расстояниях примерно 10-15 м.
При увеличении расстояния между нуклонам я ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия ((1,5 2,2) 1 0 ~15 м),-оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии.
3. Ядерные силы проявляют зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами постоянно и не зависит от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтронного). Это означает, что ядерные силы имеют неэлектронную природу.
Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, это число протонов в одном равно числу нейтронов в другом.
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов остается постоянной. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у а-частицы, которая является очень устойчивой.
5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.
6. Ядерные силы не являются центральными, то есть не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.
Сложность и неоднозначный характер ядерных сил, а также трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел, не позволили разработать до сегодняшнего дня единую стройную теорию атомного ядра.
35. Радиоактивный распад. Закон радиоактивного превращения.
Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z,массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов . Процесс радиоактивного распада также называютрадиоакти́вностью , а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.
Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).
Естественная радиоактивность - самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.
Искусственная радиоактивность - самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующиеядерные реакции.
акон радиоактивного распада - физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом,
Сперва закон был сформулирован так :
Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.
из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод [ источник не указан 321 день ] :
Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.
Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:
которое означает, что число распадов , произошедшее за короткий интервал времени , пропорциональнo числу атомов в образце .
