Ядерные силы. Состав ядра

Состав ядра, ядерные силы

Экспериментальные методы ядерной физики. Состав ядра. Заряд и массовое число ядра. Ядерные силы.

Ядра атомов построены из частиц, которые имеют общее название "нуклоны". Два типа нуклонов, протона и нейтронов, различаются прежде всего за электрическим зарядом. Протон имеет позитивный заряд, который равняется элементарному заряду Кл., тогда как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, является нейтральным.

Впрочем у нуклонов есть возможность взаимного превращения: нейтрон вне ядра достаточно быстро распадается на пару: протон электрон (плюс еще одна микрочастица, которая забирает излишек энергии и имеет название антинейтрино), а превращение ядерного протона на нейтрон с излучением позитрона (антиэлектрона) наблюдается во время радиоактивных разложений искусственно радиоактивных ядер.

Все нуклоны имеют одинаковый, и к тому же квантованный, собственный механический (но пропорциональный к нему магнитный) момент импульса, который называется спином: его проекции на произвольную полярную ось принимают лишь два возможных значения, а квадрат модуля спинового механического момента равняется, как и в електрона. Следовательно, нуклоны являются типичными фермионами, на которые распространяется принцип запрета Пауле.

Частица Масса покоя (а.о. м) Масса покоя (МеВ) Электрический заряд (Кл) Спиновый момент:

протон 1.007596 938,2 1.6х10-19

нейтрон 1.008986 939,5 0

Близкими являются также массы нуклонов : масса протону представляет 1836,1 электронных масс, а масса нейтрона немного больше и превосходит электронную массу в 1838,6 раз. Массу нуклонов часто определяют в так называемых атомных единицах массы: одна такая а.о.м. равняется 1/12 массы ядра углерода. Или в энергетических единицах, умножая массу на квадрат скорости света (пользуясь пропорциональностью массы и энергии). Одной атомной единице массы отвечает энергия в 931 МеВ.

Количество нуклонов в ядре будет помечать целым числом (массовым числом), количество протонов - числом, которое совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице Мендєлєєва и количеством электронов в атоме. Количество нейтронов, понятно, равняется. Для существующих в природе ядер число принимает все значения от 1 до 92 (от водорода к урану). Ядра с одинаковым числом могут содержать разное количество нейтронов, однако, при этом они отвечают одному химическому элементу и содержатся в одной клеточке таблицы Мендєлєєва.

Такие ядра называют изотопами.

Совершенной теории ядерных сил в физике еще нет. Впрочем относительно взаимодействия нуклонов в составе ядра кое-что установлено достаточно надежно. Например, можно утверждать, что системы из двух протонов, или из двух нейтронов, и даже пары типа, имеют почти одинаковые по своим свойствам квантовые состояния. О таком свойстве ядерных сил говорят как об их зарядовой независимости.

Так называемые зеркальные ядра, или ядра, которые отличаются друг от друга лишь заменой всех протонов на нейтроны, демонстрируют чрезвычайную близость большинства своих физических свойств как вот, например, энергии связи, энергетического спектра, и тому подобное. Этот факт является подтверждением зарядовой независимости ядерных сил (или зарядовой симметрии).

Специфические ядерные силы, которые действуют между нуклонами в составе ядра, в первую очередь известные как короткодействующие силы, они демонстрируют экспоненциальное уменьшение с характерным радиусом. Ядерные силы притяжения между нуклонами в ядре значительно превосходят кулоновские электрические силы отталкивания между протонами, однако только в пределах ядра. Вне пределов ядра ситуация изменяется: кулоновские силы доминируют над короткодействующим ядерными силами.

Типичные значения модулей скорости нуклонов в ядре приближаются до четверти от скорости света. Оценку для неопределенности скорости легко получить из принципа неопределенности Гейзенберга

если в подставить массу нуклона и типичное значение диаметра ядра г. Более легкие частицы, например электрон, или позитрон, не могут быть локализованы в пределах атомного ядра (для них). В нерелятивистском приближении можно говорить, что ядерные силы не зависят от скоростей движения нуклонов и принадлежат к потенциальным силам.

Потенциальная энергия взаимодействия двух нуклонов зависит не только от расстояния между ними, но также от взаимной ориентации векторов их спинов, причем спиновая зависимость потенциальной энергии ядерных сил вовсе не является слабой.

Ядерные силы вообще не являются адитивными. Это значит, что взаимодействую в системе, которая состоит из свыше двух нуклонов, нельзя возвести к сумме попарных взаимодействий нуклонов.

Опытные результаты также свидетельствуют о том, что с увеличением количества нуклонов в ядре, система нуклонов постепенно начинает вести себя как своеобразное "ядерное вещество", объем и энергия которой растет пропорционально к количеству нуклонов. Свойство ядерных сил, связанное с этим явлением, называют насыщением ядерных сил. Термин "насыщение" значит также, что определенный нуклон в ядре взаимодействует не со всеми другими нуклонами ядра, а лишь с небольшим количеством своих ближайших соседей по общей оболочке.

Подытоживая можно констатировать, что ядерные силы есть:

- короткодействующими,

- зарядовый независимыми,

- спиновый зависимыми,

- насыщенными.