Какие силы действуют между нуклонами в ядре?

16 ответов на вопрос “Какие силы действуют между нуклонами в ядре?”

  1. Pr1meR_M1n1steR Ответить

    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.

  2. Balanim Ответить

    Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
    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 . Полагая эту величину равной , можно найти, что среднее расстояние r между протонами в ядре равно 1,9·10–15 м, что согласуется с величиной радиуса ядерных сил.
    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 ?-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.
    Итак, перечислим общие свойства ядерных сил:
    · малый радиус действия ядерных сил (R ~ 1 Фм);
    · большая величина ядерного потенциала U ~ 50 МэВ;
    · зависимость ядерных сил от спинов взаимодействующих частиц;
    · тензорный характер взаимодействия нуклонов;
    · ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинового и орбитального моментов нуклона (спин-орбитальные силы);
    · ядерное взаимодействие обладает свойством насыщения;
    · зарядовая независимость ядерных сил;
    · обменный характер ядерного взаимодействия;
    · притяжение между нуклонами на больших расстояниях (r > 1 Фм), сменяется отталкиванием на малых (r < 0,5 Фм). взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения квантов ядерного поля – ?-мезонов. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами. Взаимодействие между нуклонами, возникающее в результате обмена квантами массы m, приводит к появлению потенциала Uя(r):
    .
    Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
    Деление ядер. Радиоактивность.
    Атомная электростанция.

    Энергия связи ядер. Дефект массы
    Радиоактивность

  3. Smoking Ответить


    (1.9.2)
    Ядерное взаимодействие между ядром и частицей аппроксимируется отвесной линией. Нейтроны не имеют электрического заряда и потому беспрепятственно сближаются с ядрами, т.е. для них отсутствует кулоновский барьер (жирная горизонтальная линия на рис. 1.9.1б в области r > R). Ядерный потенциал у нейтрона оказывается таким же (с точностью до различия в массах), как и у протона (см. ниже п.5).
    4. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов и от взаимной ориентации орбитального и спинового моментов каждого из нуклонов. Это означает, что внутри ядра следует учитывать спин-орбитальное взаимодействие нуклонов. Зависимость ядерных сил от спина хорошо видна на примере дейтона, который имеет спин, равный единице, т.е. нейтрон и протон могут существовать в связанном состоянии только при параллельных спинах. При антипараллельных спинах нейтрон и протон не образует связанной системы, но притяжение между ними все же существует, что приводит к значительной эффективности рассеяния нейтронов на протонах. Поэтому рассеяние нейтронов на водородосодержащих средах оказывается также эффективным и широко используется для замедле­ния нейтронов в ядерных реакторах.
    Если нуклоны одноименные, то наибольшее притяжение между ними наблюдается в случае антипараллельной ориентации их спинов, а для разноименных нуклонов – в случае параллельной ориентации спинов. Как раз этой особенностью объясняется эффект спаривания нуклонов (см. §1.4 п.3).
    5. Интенсивность ядерного взаимодействия не зависит от электрического заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами (р – р), протоном и нейтроном (р – n) и двумя нейтронами (n – n), находящихся в одинаковых пространственных и спиновых состояниях, одинаковы по величине. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил. Другими словами, протон и нейтрон оказываются равноправными относительно ядерного взаимодействия. Это, конечно, не означает, что взаимное кулоновское отталкивание протонов не играет роли внутри ядра или при рассеянии двух свободных протонов. На рис. 1.9.2 изображена схема энергетических уровней двух зеркальных ядер и . Зеркальными называются ядра изобаров, количество протонов в одном из которых равно количеству нейтронов в другом и наоборот. В зеркальных ядрах число (р – n) связей остается постоянным, а (р – р) связи заменены на (n – n) связи. Энергии основных состояний у них сдвинуты друг относительно друга на величину разности ?Uкул кулоновской энергии ядер и разность ?mнук нуклонов (mn > mp)

    (1.9.3)
    Из рисунка видно, что соответствующие уровни энергии (энергетические спектры ядер) очень близки, а спины и четности уровней совпадают. Однако, строго говоря, приведенная информация не является прямым доказательством зарядовой независимости ядерных сил, так как сопоставляются не процессы парных взаимодействий между нуклонами отдельных типов, а рассматриваются свойства сложных нуклонных систем. Непосредственное доказательство гипотезы о зарядовой независимости ядерных сил получено в прямых опытах по изучению (р – р) и (n – р) рассеяния.
    6. Постоянство средней энергии связи на нуклон (рис. 1.4.2) указывает на свойство насыщения ядерных сил. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом соседних нуклонов. Свойство насыщения ядерных сил имеет парный характер. Например, пара нейтронов и пара протонов образует одно из самых прочных легких ядер – a–частицу. Присоединение еще одного нейтрона к a-частице оказывается невозможным.
    7. Ядерные силы имеют нецентральный характер. Центральными называются силы, которые действуют вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела. Центральные силы могут зависеть от относительной ориентации спинов частиц, но не должны зависеть от ориентации спинов относительно линии, соединяющей частицы. Рассмотрим некоторые свойства простейшего ядра , которое имеет такое же значение в ядерной физике, как атом водорода – в атомной физике. Спины нейтрона и протона в дейтоне параллельны (см. п.4), поэтому магнитный момент дейтона должен определяться алгебраической сумме магнитных моментов протона и нейтрона, равной ?d + ?d = 2,79 – 1,91 = 0,88. Измеренное значение магнитного момента дейтона ?d = 0,86 (см. таблицу 1.6.1) немного отличается, хотя величина расхождения намного превышает точность измерений. Различие можно объяснить только наличием у протона орбитального момента. Дейтон имеет квадрупольный момент +0,0028·10?24 см2 (таблица 1.6.2), т.е. распределение плотности электрического заряда (а следовательно и ядерного вещества) отлично от сферически симметричного и вытянуто вдоль спина. Таким образом, система из протона и нейтрона имеет наибольшую энергию связи только тогда, когда спины обоих нуклонов направлены вдоль оси дейтона. Это свидетельствует о том, что ядерные силы в общем случае имеют нецентральный характер, так как они зависят не только от расстояния между нуклонами, но и от ориентации спинов относительно линии, соединяющей нуклоны. Макроскопическим аналогом такого явления служит характер взаимодействия между двумя одинаково намагниченными шариками (рис. 1.9.3). При параллельных векторах магнитной индукции каждого из шариков между ними могут действовать как силы притяжения, так и отталкивания, в зависимости от ориентации векторов магнитной индукции относительно вектора, проходящего через центры инерции шариков.
    8. Ядерные силы имеют обменный характер. Это означает, что взаимодействие между двумя нуклонами вызвано обменом третьей частицей – пи-мезоном. Такую гипотезу высказали в 1934 г. И. Тамм и в 1935 г. Х. Юкава по аналогии с представлением о взаимодействии между электрическими зарядами, принятым в квантовой электродинамике. Взаимодействие между зарядами осуществляется через электромагнитное поле, которое может быть представлено как совокупность квантов энергии – фотонов. Каждый заряд создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Процесс взаимодействия между двумя зарядами заключается в обмене виртуальными, а не реальными фотонами. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Рассмотрим на примере покоящегося электрона процесс создания им в окружающем пространстве электрического поля:

    (1.9.4)
    Превращение, описываемое уравнением (1.9.4), сопровождается нарушением закона сохранения энергии:

    (1.9.5)
    где – энергия виртуального фотона. Изменение энергии системы должно удовлетворять квантовомеханическому соотношению неопределенностей:

    (1.9.6)
    Если до истечения времени

    (1.9.7)
    виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном, то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено. Если же электрону сообщить дополнительную энергию (от электрического поля или при соударении с другим зарядом), то может быть испущен реальный фотон, время существования которого неограниченно.
    За время виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенных расстоянием

    (1.9.8)
    Так как энергия виртуального фотона может быть сколь угодно мала (если ), то радиус действия электромагнитных сил неограничен. Однако, если масса покоя виртуальной частицы отлична от нуля, то радиус взаимодействия соответствующих сил будет ограничен величиной (предполагая, что ее скорость )

    (1.9.9)
    Полагая в (1.9.9) радиус r действия ядерных сил равным 1,3·10-13 см, получим, что кванты поля ядерных сил должны иметь массу покоя Таким образом, для образования свободных (не виртуальных) квантов ядерного поля необходима энергия не менее 140 Мэв. Эти частицы были впоследствии открыты в составе космических лучей (1947 г., Оккиалини и Поуэлл) и были названы ?-мезонами (пионами).
    Существует три типа пионов – положительный (?+) пион с зарядом +е, отрицательный (?-) с зарядом –е и нейтральный (?0). Все три частицы нестабильны. Заряженные пионы имеют одинаковую массу, равную 273mе (140 МэВ), и время жизни ? = 2,55·10-8 с. Масса нейтрального пиона составляет 264mе (135 МэВ), а время жизни ? = 2,1·10-16 с. Спин любого из пиона равен нулю.
    В результате аналогичных (1.9.4) виртуальных процессов

    (1.9.10)

    (1.9.11)

    (1.9.12)
    нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных ?-мезонов, которые образуют поле ядерных сил. Поглощение этих пионов другими нуклонами приводит к сильному взаимодействию между нуклонами и происходит по одной из следующих схем:

    (1.9.13)

    (1.9.14)

    (1.9.15)
    Процесс (1.9.13) находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах. После прохождения пучка нейтронов через мишень, содержащую ядра 1Н, в пучке появляются протоны, которые имеют ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Количество таких протонов намного превышает возможность образования протонов в результате упругого взаимодействия нейтронов с протонами мишени. Соответствующее количество нейтронов обнаруживается и в мишени. Остается признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи ядер 1Н захватывает виртуальные ?+-мезоны и превращается в протоны.
    Орбитальное движение ? –мезонов в виртуальном процессе (1.9.11) вызывает возникновение у нейтрона отрицательного магнитного момента (см. таб. 1.6.1), так как нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии . Аномальный магнитный момент протона (вместо одного ядерного магнетона, см. §1.6 п.2) можно также объяснить орбитальным движением ?+-мезонов в течение того времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (1.9.10).
    Оценим время виртуального процесса как

    (1.9.16)
    где радиус действия ядерных сил, а v – скорость пиона. Полагая кинетическую энергию пиона равной средней энергии связи нуклона в ядре МэВ, получим

    (1.9.17)
    Эту величину часто называют характерным временем ядерного взаимодействия.
    В рамках обменной теории оказывается маловероятным обмен пионами между одним и двумя другими нуклонами, находящимися в пределе радиуса действия ядерных сил. Отсюда вытекает свойство насыщения ядерных сил со всеми вытекающими последствиями: постоянство удельной энергии связи, рост объема ядра пропорционально числу частиц нуклонов в ядре, независимость потенциала от координаты внутри ядра. Мезонная теория содержит в своей основе глубокое и правильное описание природы ядерных сил, но выяснилось, что расчеты в этой теории настолько сложны, что никому еще не удалось их проделать. И до настоящего времени не существует надежных способов решения уравнений этой теории. Это является одной из причин создания большого числа разнообразных моделей ядра в ядерной физике (см. гл.2 §1).

  4. Danius Ответить

    Нейтрон и протон имеют приблизительно одинаковые массы, поэтому их соударение при низких энергиях происходит примерно так же, как и у бильярдных шаров. При высоких энергиях из-за необходимости использования релятивистской механики расчёты осложняются, и результаты получаются не такими простыми, как при низких энергиях. Тем не менее до измерений было ясно, что вперёд должно лететь значительно больше нейтронов, чем протонов.
    Это связано с тем, что даже очень интенсивные ядер- ные силы не могут отклонить быстрый нейтрон на большой угол от первоначального направления. Между тем опыт показал, что в направлении первичного пучка летят как нейтроны, так и протоны, и примерно в одинаковых количествах. Объяснить этот результат можно было, только предположив, что в процессе ядерного взаимодействия нейтрон и протон как бы обмениваются электрическими зарядами, после чего нейтрон летит в качестве протона, а протон – в качестве нейтрона. Описанное явление называют рассеянием нуклонов с перезарядкой, а ядерные силы, ответственные за перезарядку, называют обменными. Если такой обмен происходит для каждой пары взаимодействующих нуклонов, то вперёд должны лететь преимущественно протоны, если же обмен происходит только в половине случаев, то вперёд будут лететь как протоны, так и нейтроны (и при том примерно в одинаковых количествах).
    Возникает вопрос: в чём заключается механизм обмена зарядом? Впервые идея этого механизма была сформулирована Таммом, который предположил, что в процессе ядерного взаимодействия нуклоны испускают и поглощают заряженные частицы. По предположению Тамма, нейтрон в процессе ядерного взаимодействия с протоном испускает электрон, превращаясь в протон, а протон, поглотивший электрон, становится нейтроном. Однако сам же Тамм показал, что электроны слишком легки для того, чтобы с их помощью можно было одновременно объяснить два основных свойства ядерных сил: короткодей- ствие и большую интенсивность.
    Следующий шаг был сделан Юкавой, который показал, какова должна быть масса у подходящей частицы, т.е. фактически предсказал существование в природе заряженных частиц тяжелее электрона. Эти предполагаемые частицы были названы мезонами (от греческого слова «мезос» – средний), что подчёркивает промежуточное значение их массы по сравнению с массами электронов и протонов.
    Рассуждения Юкавы можно пояснить с помощью соотношения неопределённостей:

    Из (1.8) следует: на короткое время At энергия системы может измениться на величину

    Если время At очень мало, то АЕ может быть достаточно большим. Выберем это время таким, чтобы частица, движущаяся со скоростью порядка скорости света с, успевала пролетать расстояние, равное радиусу действия ядерных сил г = (1 -н 2) • 10″15м :

    Подставив это время в (1.9), получим:

    Так как энергии Д? = 150МэВ соответствует масса
    АЕ ,ЛЛ
    т = — » 300 те, полученный результат можно интерпретировать как возникновение на короткое время 0,5 • 10-23 с частицы массой 300 те, которая за время своего существования успевает пролететь расстояние между двумя взаимодействующими нуклонами (1 2)10“|5м.
    Итак, согласно этой идее (соответствующей современным представлениям), ядерное взаимодействие двух нуклонов, находящихся на расстоянии, равном радиусу действия ядерных сил, заключается в том, что один нуклон испускает частицу массой т ~ 300 те, а другой поглощает её через ядерное время 10_23с. Частицы, которые существуют в районе действия ядерных сил в течение ядерного времени, называют виртуальными. Виртуальные частицы нельзя представлять себе существующими вне области ядерного взаимодействия, отдельно от нуклонов. Для того, чтобы виртуальная частица могла превратиться в реальную, т.е. такую, которая способна отделиться от своих «родителей» нуклонов и вести самостоятельный образ жизни за пределами области ядерного взаимодействия, нуклоны должны обладать достаточным запасом кинетической энергии, часть которой при их столкновении могла бы преобразоваться в массу покоя мезона.
    Описанные мезоны получили название я-мезонов. Они были открыты в 1947 г.
    Существуют положительный (/г+), отрицательный (я’) и нейтральный (я0) мезоны. Заряд п+ и п~ мезонов равен элементарному заряду е = 1,6 • 10“19 Кл. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273 те (140 МэВ), масса л°-мезона равна 264 те[ 135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтрального я-мезона равен нулю (7 = 0) . Все три частицы нестабильны. Время жизни заряженных мезонов составляет 2,6 • 10″8с, я°-мезона -0,8 • 10″16с.
    Подавляющая часть заряженных я-мезонов распадается по схеме:

    где и ц~ – положительный и отрицательный мюоны;
    V и v – соответственно мюонное нейтрино и антинейтрино.
    В среднем 98,8 % я°-мезонов распадается на два кванта:

    Вернёмся к описанию обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов

    нуклон оказывается окружённым облаком виртуальных я-мезонов, образующих поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, которое осуществляется по одной из следующих схем:
    .р + п±>п + 7г+ + п±>п+р. Протон испускает виртуальный к+ -мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Каждый из взаимодействующих нуклонов проводит часть времени в заряженном состоянии, а часть – в нейтральном.
    2. п+р^р + п° + п^р + п. Протон и нейтрон обмениваются л-мезонами.
    3. р + п р + к0 + п р + п;
    р+р^р + 7г°+р^р+р’,
    П + П^П + 7Г°+П^П + П.
    Теперь мы имеем возможность объяснить существование магнитного момента у нейтрона и аномальную величину магнитного момента протона.
    В соответствии с процессом (1.13) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии (/? + тт). Орбитальное движение л~ -мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона (2,19ря, вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением л+ -мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (/2 + 7Г+) (1.12).

  5. TITETEPI Ответить

    Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны. Модуль заряда – или – мезонов численно равен элементарному заряду e. Масса заряженных – мезонов одинакова и равна (140 МэВ), масса – мезона равна 264 (135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтральных – мезонов равен 0. Все три частицы нестабильны. Время жизни – и – мезонов составляет 2,6 с, – мезона – 0,8·10-16 с. Взаимодействие между нуклонами осуществляется по одной из следующих схеме:
    (22.6)
    (22.7)
    1. Нуклоны обмениваются мезонами: . (22.8)
    В этом случае протон испускает – мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон, затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть в нейтральном.
    2. Нуклоны обмениваются – мезонами:
    . (22.9)
    3. Нуклоны обмениваются – мезонами:
    , (22.10)
    Все эти процессы доказаны экспериментально. В частности, первый процесс подтверждается при прохождении пучка нейтронов через водород. В пучке появляются движущиеся протоны, а соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени.
    Модели ядра. Под моделью ядра в ядерной физике понимают совокупность физических и математических предположений с помощью которых можно рассчитать характеристики ядерной системы, состоящей из А нуклонов.
    Гидродинамическая (капельная) модель ядраВ ее основу положено предположение о том, что благодаря большой плотности нуклонов в ядре и чрезвычайно сильному взаимодействию между ними независимое движение отдельных нуклонов является невозможным и ядро представляет собой каплю заряженной жидкости плотностью .
    Оболочечная модель ядра В ней предполагается, что каждый нуклон движется независимо от других в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме , создаваемом остальными нуклонами ядра.
    Обобщённая модель ядра, объединяет основные положения создателей гидродинамической и оболочечной моделей. В обобщенной модели предполагается, что ядро состоит из внутренней устойчивой части – остова, который образован нуклонами заполненных оболочек, и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами остова. В связи с этим движение остова описывается гидродинамической моделью, а движение внешних нуклонов – оболочечной. За счет взаимодействия с внешними нуклонами остов может деформироваться, а ядро – вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси деформации.
    26. Реакции деления атомных ядер. Ядерная энергетика.
    Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с другими ядрами или элементарными частицами. Первое сообщение о ядерной реакции принадлежит Э.Резерфорду. В 1919г он обнаружил, что когда – частицы проходят через газообразный азот, некоторые из них поглощаются, причем одновременно происходит испускание протонов. Резерфорд пришел к выводу, что ядра азота превращались в ядра кислорода в результате ядерной реакции вида:
    , (22.11)
    где ? – частица; ? протон ( водород).
    Важным параметром ядерной реакции является ее энергетический выход , который определятся по формуле:
    (22.12)
    Здесь и – суммы масс покоя частиц до реакции и после нее. При ядерные реакции протекают с поглощением энергии, поэтому они называются эндотермическими,а при ? с выделением энергии. В этом случае они называются экзотермическими.
    В любой ядерной реакции всегда выполняются законы сохранения:
    ? электрического заряда;
    ? числа нуклонов;
    ? энергии;
    ? импульса.
    Первые два закона позволяют правильно записывать ядерные реакции даже в тех случаях, когда одна из частиц, участвующих в реакции, или один из его продуктов неизвестны. С помощью законов сохранения энергии и импульса можно определить кинетические энергии частиц, которые образуются в процессе реакции, а также направления их последующего движения.
    Для характеристики эндотермических реакций вводится понятие пороговая кинетическая энергия, или порог ядерной реакции , т.е. наименьшая кинетическая энергия налетающей частицы (в системе отсчета, где ядро-мишень покоится), при которой ядерная реакция становится возможной. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что пороговая энергия ядерной реакции рассчитывается по формуле:
    . (22.13)
    Здесь – энергия ядерной реакции (7.12); -масса неподвижного ядра – мишени; ? масса налетающей на ядро частицы.
    Реакции деления.В 1938г немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра приблизительно вдвое меньшие, чем исходное ядро урана. Это явление было названо делением ядра.
    Оно представляет собой первую экспериментально наблюдаемую реакцию ядерных превращений. Примером может служить одна из возможных реакций деления ядра урана-235:
    . (22.14)
    Процесс деления ядер протекает очень быстро за время ~10-12 с. Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (22.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.
    В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:
    +нейтроны. (22.15)
    Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 22.2).
    Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результате ядро деформируется, что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия. Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации, то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части, с испусканием нейтронов деления. Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до
    критической стадии деления и, испустив – квант, возвращается в основное
    состояние.

    Рис. 22.2
    Важной особенностью ядерной реакции деления является возможность реализовать на ее основе самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Это обусловлено тем, что при каждом акте деления выделяется в среднем больше одного нейтрона. Масса, заряд и кинетическая энергия осколков Х и У, образующихся в процессе реакции деления типа (22.15), различны. Эти осколки быстро тормозятся средой, вызывая ионизацию, нагревание и нарушение ее структуры. Использование кинетической энергии осколков деления за счет нагревания ими среды является основой превращения ядерной энергии в тепловую. Осколки деления ядра находятся после реакции в возбужденном состоянии и переходят в основное состояние путем испускания ? – частиц и –квантов.
    Управляемая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе и сопровождается выделением энергии. Первый ядерный реактор был построенв 1942 г в США под руководством физика Э.Ферми. В СССР первый ядерный реактор создан в 1946 г под руководством И. В. Курчатова. Затем, после накопления опытов управления ядерными реакциями, начали строить атомные электростанции.

  6. MaRFiX_WoLF Ответить

    Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. Какими же силами сдерживаются нуклоны в ядре, и почему ядро не разлетается сразу же на составные части, несмотря на огромное взаимное отталкивание протонов, сближенных до расстояний ~ 1 фм? Наблюдаемая устойчивость атомных ядер означает, что кроме электростатического отталкивания между ядерными частицами действуют ещё силы притяжения. Это не могут быть силы гравитационного притяжения, потенциальная энергия которых ничтожно мала (не превышает 10 эВ). Следовательно, в случае атомных ядер мы сталкиваемся с особым видом взаимодействия, с новыми силами. Это взаимодействие называется сильным (см.п.5.2.), а отвечающие ему силы – ядерными.
    Полная теория ядерных сил не построена, однако целый ряд их качественных и количественных характеристик изучен. Основные сведения о них были получены при изучении рассеяния нейтронов и протонов друг на друге при низких и высоких энергиях этих частиц.
    Перечислим основные свойства ядерных сил:
    1. Ядерные силы являются короткодействующими.
    В отличие от кулоновских и гравитационных сил, которые убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между точечными источниками (электрическими зарядами, массами), – ядерные силы убывают гораздо быстрее. Они очень велики на расстояниях ~1фм (расстояние между частицами в ядре), но на r > 3фм уже почти не заметны. Длина R ~ (1,5¸2,2)фм называется радиусом действия ядерных сил.
    2. Ядерные силы в отличие от сил между точечными (или сферическими) зарядами, не являются центральными. Их нельзя представить в виде сил, действующих от одного центра сил. Это связано с наличием у нуклона спина.
    Интенсивность ядерных сил зависит от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов: при параллельных спинах ядерные силы оказываются » вдвое больше. Только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образовать дейтрон – ядро изотопа Н.
    3. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость: нейтрон с нейтроном, нейтрон с протоном и два протона взаимодействуют внутри ядра одинаково, независимо от зарядов этих частиц. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу.
    4. Ядерным силам свойственно насыщение, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Это свойство аналогично валентности химических сил.
    5. Ядерные силы обусловлены существованием материального ядерного поля, подобно тому, как электрические силы обусловлены существованием материального электромагнитного поля. Источниками ядерного поля являются нуклоны, которые в процессе взаимодействия могут обмениваться квантами ядерного поля – p-мезонами (p+, p0, p-) и другими характеристиками.
    Эта идея принадлежит японскому физику Юкаве (1935 г.). В процессе ядерного взаимодействия один нуклон испускает виртуальный p-мезон, а другой поглощает его. Виртуальными называются частицы, которые существуют в радиусе R действия ядерных сил в течение ядерного времени. Виртуальные частицы нельзя представлять себе существующими вне области ядерного взаимодействия, отдельно от нуклонов. Для того чтобы виртуальный p-мезон превратился в реальный, т.е. такой, который способен отделиться от своих «родителей» – нуклонов и выйти за пределы области ядерного взаимодействия, он должен получить дополнительную энергию, например, поглотив фотон. Реальные p-мезоны имеют массы покоя, равные ~270me.
    Существенный вклад в ядерные силы вносит обмен и более тяжелыми мезонами.
    Точная зависимость ядерных сил от расстояния между двумя нуклонами и относительная интенсивность ядерных сил разного типа с определённостью не установлены.

  7. MiemiE Ответить


    Лекция: Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы
    Итак, из прошлой темы мы определились, что любое ядро состоит из нуклонов. Но благодаря чему ядра не распадаются? Казалось бы, в ядре всех элементов, кроме легкого водорода, содержится по несколько протонов. Как мы знаем, одноименные заряды отталкиваются, но этого не происходит в ядре. Более того, оно считается стабильным, а силы в нем самыми большими, в сравнении со всеми возможными. Можно предположить, что частицы держаться благодаря гравитационным силам. Все это можно проверить.
    Предположим, что в ядре некоторого элемента содержится два протона (например, это гелий). Давайте определим, как относятся силы гравитационного взаимодействия к кулоновским силам. В формулах нам важно знать массу и величину заряда протона, а, как известно, это постоянные величины.


    Судя из данных расчетов, электрические силы отталкивания во много раз больше гравитационных сил. А это значит, что существуют другие силы, позволяющие удерживать ядро целостным. Эти силы называются ядерными.
    Ядерные силы
    До этого момента нами были изучены два вида сил: гравитационные и электромагнитные. Существует другое взаимодействие, которое называется сильным. Именно оно присутствует в ядре.
    Свойства ядерных сил:
    1. Данные силы имеются между всеми нуклонами в ядре (нейтронами и протонами).
    2. Данные силы в 102 раз больше, чем электромагнитные. Не существует иных сил, которые превосходили бы ядерные силы.
    3. Ядерные силы действуют на расстоянии не более 10-15м.  Если расстояние увеличить, то силы гаснут, если же уменьшить, то они способствуют отталкиванию частиц.

    Атомная единица массы
    Достаточно неудобно рассчитывать ядерные массы в килограммах, поскольку масса любого ядра очень маленькая. Именно поэтому в качестве измерения массы ввели новую единицу, которая называется атомной единицей массы (а.е.м.). Именно данная величина указана в таблице Менделеева.
    Точное значение а.е.м было принято за 1/12 величину массы углерода и оно равно:

    Итак, всем нам известно, что любое покоящееся тело имеет энергию, которую можно рассчитать по формуле Е = mc2. Для упрощения счета некоторых величин, перемножим величину скорости света на 1 а.е.м. Энергия 1 а.е.м любого тела равна:

    Чтобы не получать постоянно такие малые величины энергии, в ядерной физике используют другие единицы измерения, а именно электрон-вольты:

    А это значит, что энергия 1 а.е.м. равна:

    Для известных нам частиц можно так же рассчитать постоянное значение энергии:

    Дефект масс. Энергия связи
    Существует огромное количество таблиц, в которых можно определить точное значение массы того или иного изотопа. Но Вы можете спросить, зачем они нужны, ведь можно просто взять и сложить массы всех частиц ядра и получить конечное его значение. До некоторого времени так и делали, пока не стало известно, что сумма масс всех нуклонов не совпадает с массой ядра. Масса ядра всегда меньше, чем сумма масс всех нуклонов. Разность этих масс называется дефектом масс.
    Дефект масс находится по формуле:

    Обратите внимание, в данной формуле М – это масса ядра. Однако, в таблице Менделеева и других таблицах указана масса всего атома. Поэтому из известного значения следует вычесть массу всех имеющихся электроном.
    Например, давайте рассмотрим ядро Гелия и найдем для него дефект масс. Для начала найдем значение массы атома гелия и вычтем из нее массы двух имеющихся электронов:

    Далее найдем массу всех нуклонов гелия:

    В результате получим величину дефекта масс:

    Разность энергий в таком случае находится следующим образом:

    Данная разность называется энергией связи. Она определяется работой, которую прикладывают к ядру для расщепления его на составные единицы (нуклоны).
    Удельная энергия связи
    Насколько прочное ядро характеризует удельная энергия связи. Эта величина показывает, какую работу следует приложить для отщепления одного нуклона из ядра. Находится данная величина по формуле:

    Измеряется она в МэВ на нуклон.
    На графике можно наблюдать зависимость величины удельной энергии от количества нуклонов в ядре:

    Чем легче ядра и больше количество нуклонов, тем больше удельная энергия. Однако для тяжелых ядер данная зависимость является обратной.
    Предыдущий урок
    Следующий урок

  8. Turan Ответить

    Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами.
    С помощью экспериментальных данных (рассеяние нуклонов на ядрах, ядерные превращения и т.д.) доказано, что ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.
    Перечислим основные свойства ядерных сил:
    1) ядерные силы являются силами притяжения;
    2) ядерные силы являются короткодействующими – их действие проявляется только на расстояниях примерно 10-15м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;
    3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;
    4) ядерным силам свойственно насыщение,т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной;
    5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа Н) только при условии параллельной ориентации их спинов;
    6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.
    Сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел) не позволили до настоящего времени разработать единую последовательную теорию атомного ядра. Поэтому на данной стадии прибегают к рассмотрению приближенных ядерных моделей, в которых ядро заменяется некоторой модельной системой, довольно хорошо описывающей только определенные свойства ядра и допускающей более или менее простую математическую трактовку. Из большого числа моделей, каждая из которых обязательно использует подобранные произвольные параметры, согласующиеся с экспериментом, рассмотрим две: капельную и оболочечную.
    I. Капельная модель ядра (1936; Н. Бор и Я. И. Френкель). Капельная модель ядра является первой моделью. Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами — молекулами в жидкости и нуклонами в ядре, — являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Для капли жидкости при данных внешних условиях характерна постоянная плотность ее вещества. Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией связи и постоянной плотностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре. Наконец, объем капли, так же как и объем ядра (см. (251.1)), пропорционален числу частиц. Существенное отличие ядра от капли жидкости в этой модели заключается в том, что она трактует ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной), подчиняющуюся законам квантовой механики. Капельная модель ядра позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакции делении ядер. Однако эта модель не смогла, например, объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.
    2. Оболочечная модель ядра (1949—-1950; американский физик М. Гепперт-Майер (1906—1975) и немецкий физик X. Иенсен (1907—1973)). Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют.
    Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания легких и средних ядер, а также для ядер, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии.
    По мере дальнейшего накопления экспериментальных данных о свойствах атомных ядер появлялись все новые факты, не укладывающиеся в рамки описанных моделей. Так возникли обобщенная модель ядра(синтез капельной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и т. д.

  9. Ваше имя.COM Ответить

    ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ
    – силы взаимодействия между нуклонами; обеспечивают большую величину энергии связи ядер по сравнению с др. системами. Я. с. являются наиб. важным и распространённым примером сильного взаимодействия (СВ). Когда-то эти понятия были синонимами и сам термин “сильное взаимодействие” был введён для подчёркивания огромной величины Я. с. по сравнению с др. известными в природе силами: эл.-магн., слабыми, гравитационными. После открытия p-,r– идр. мезонов, гиперо-нов и др. адронов термин “сильное взаимодействие” стали применять в более широком смысле – как взаимодействие адронов. В 1970-х гг.
    квантовая хромодинамика (КХД) утвердилась как общепризнанная микроскопич. теория СВ. Согласно этой теории, адроны являются составными частицами, состоящими из кварков и глюонов, а под СВ стали понимать взаимодействие этих фундам. частиц.
    С др. стороны, Я. с. как силы взаимодействия между нуклонами включают не только СВ, но и эл.-магн., слабое и гравитац. взаимодействия нуклонов. С точки зрения совр. теории, эл.-магн. и слабое взаимодействия являются проявлениями одного, более фундаментального, электрослабого взаимодействия. Однако при тех пространственно-временных масштабах (~10-13 см, ~10-23 с), с к-рыми обычно имеют дело в атомных ядрах, единая природа эл.-магн. и слабых сил практически не проявляется и их можно рассматривать как независимые. Эти взаимодействия, будучи гораздо слабее СВ, в большинстве ядерных процессов малосущественны, но возможны ситуации, когда их роль становится определяющей. Так, эл.-магн. взаимодействие (наиб. существ. часть к-рого – кулоновское отталкивание между протонами), в отличие от СВ, является дальнодействующим. Поэтому обусловленная им положит. кулоновская энергия ядра растёт с увеличением числа частиц А в ядре быстрее, чем отрицат. часть ядерной энергии, обусловленная СВ. В результате тяжёлые ядра становятся при больших А нестабильными – сначала по отношению к делению (см. Деление ядер), а затем и абсолютно нестабильными. Со слабым взаимодействием нуклонов связано такое явление, как несохранение чётности в нуклон-нуклонном рассеянии и в др. ядерных явлениях (см. Несохранение чётности в ядрах). Гравитац. силы, действующие между нуклонами, пренебрежимо малы во всех ядерных явлениях и существенны только в астрофиз. условиях (см. Нейтронные звёзды).
    Основой Я. с. является сильное взаимодействие нуклонов. Сильное взаимодействие нуклонов в ядрах отличается от взаимодействия свободных нуклонов, однако последнее является фундаментом, на к-ром строится вся ядерная физика и теория Я. с. Это взаимодействие обладает изотопической инвариантностью. Суть её в том, что взаимодействие между 2 нейтронами, 2 протонами или между протоном и нейтроном в одинаковых квантовых состояниях одинаково. Поэтому можно говорить о взаимодействии между нуклонами, не уточняя, о каких нуклонах идёт речь (см. также Изотопическая инвариантность ядерных сил). Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~10-13 см) и обладают свойством насыщения, к-рое заключается в том, что с увеличением числа нуклонов в ядре уд. энергия связи нуклонов остаётся примерно постоянной (рис. 1). Это приводит к возможности существования ядерной материи.

    Поскольку нуклоны в ядре движутся, как правило, со сравнительно небольшими скоростями (в 3-4 раза меньше скорости света), то для построения модели СВ нуклонов в ядрах можно пользоваться нерелятивистской теорией и приближённо описывать его потенциалом, к-рый является ф-цией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитац. потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, потенциал Я. с. зависит от r гораздо сложнее. Кроме того, потенциал Я. с. зависит от спинов нуклонов и орбитального момента L относительного движения нуклонов.

    Нерелятивистский потенциал Я. с. содержит неск. компонентов: центральный VC, тензорный VT, спин-орбитальный VLS и квадратичный спин-орбитальный потенциал VLL. Наиб. важный из них – центральный – является комбинацией сильного отталкивания на малых расстояниях (т. < н. отталкивательный кор) и притяжения - на больших (см. рис. к ст. Ядерная материя). Существуют модели СВ нуклонов с бесконечным (“жёстким”) кором (напр., феноменологич. потенциал Хамады – Джонстона), а также более реалистич. модели с конечным (“мягким”) кором (напр., потенциал Рейда, рис. 2). С кон. 1950-х гг. было предпринято множество попыток построения потенциала Я. с. на основе полевой теории мезон-нуклонного взаимодействия. Очевидные трудности такой теории связаны с большой силой взаимодействия и неприменимостью теории возмущений и основанных на ней методов. Весьма популярен полуфеноменологич. потенциал “однобозонно-го обмена”, основанный на представлениях мезоннуклонной полевой теории, но использующий простейшую модель од-номезонного обмена. При этом оказалось, что для описания притяжения на промежуточных расстояниях необходимо помимо известных мезоновp, р, w,… вводить также обмен несуществующим s-мезоном, к-рый интерпретируют как эфф. учёт обмена двумя p-мезонами. Константы мезон-нуклонного взаимодействия рассматривались как феноменологич. параметры, к-рые подбирались так, чтобы потенциал описывал эксперим. фазы нуклон-нуклонного рассеяния. За короткодействующее отталкивание оказались ответственными w- и r-мезоны, а за дальнодействующее притяжение – пи-мезон. Член однопи-онного обмена вносит вклад в центральный и тензорный потенциалы:

    где fp NN – константа пион-нуклонного взаимодействия, тp– масса пиона, l= с/mp=1,4 Фм – комптоновская длина волны пиона, a s1, s2 -спиновые Паули матрицы. Как видно из выражений (1), (2), потенциал однопионного обмена экспоненциально спадает на расстоянии порядка комптоновской длины пиона. Др. члены потенциала одно-бозонного обмена имеют такого же типа экспоненц. факторы, но с комптоновскими длинами соответствующих бозонов, к-рые в неск. раз меньше пионной. На таких расстояниях обмен неск. пионами может быть столь же существенным, как и обмен одним тяжёлым мезоном. Это объясняет, почему члены, отвечающие обмену тяжёлыми мезонами, воспринимаются как полуфеноменологические. В то же время вид потенциала Я. с, на больших расстояниях, без сомнения, описывается выражениями (1), (2). Такой асимптотич. вид имеют и все без исключения феноменологич. потенциалы. В настоящее время наиб. точными считают т. н. парижский и боннский потенциалы, к-рые сочетают черты феноменологич. потенциалов с мягким кором и потенциала однобозонного обмена.
    Совр. представления о природе СВ, основанные на КХД, поставили задачу расчёта потенциала СВ нуклонов в рамках КХД, но она пока не решена, поскольку не решена и более простая задача о построении теории одного нуклона. Существует неск. кварковых моделей адронов, из к-рых наиб. известна модель мешков в разл. вариантах. Она позволяет качественно понять природу отталкива-тельного кора, оценить его радиус и высоту, но не позволяет рассчитать вид потенциала на больших расстояниях. Под большим вопросом, с точки зрения КХД, оказывается статус мезонов (за исключением p-мезона) в формировании потенциала СВ нуклонов: обмен тяжёлыми мезонами между нуклонами происходит на столь малых расстояниях, что их кварк-глюонная природа становится существенной. Особое место в КХД-теории СВ принадлежит p-мезону. Согласно совр. представлениям, он интерпретируется как коллективное возбуждение вакуума, состоящее из большого числа кварк-антикварковых пар ( голд-стоуновский бозон, связанный со спонтанным нарушением в КХД киральной симметрии). Поэтому в большинстве совр. моделей все остальные адроны считают состоящими из небольшого числа кварков (антикварков, глюонов), а я-мезон вводят дополнительно как независимую частицу. С такой точки зрения понятен статус потенциалов (1), (2) как описывающих “хвост” потенциала взаимодействия нуклонов.
    Поскольку ср. расстояние между нуклонами в ядре (1,8 Фм) не сильно превышает радиус действия Я. с., то в ядрах существуют многочастичные (прежде всего, 3-частичные) силы, возникающие из-за обмена кварками и глюонами между неск. нуклонами практически одновременно. В терминах адронов это отвечает таким процессам обмена мезонами между, напр., тремя нуклонами, к-рые нельзя свести к совокупности последовательных парных обменов. Гл. роль в формировании 3-частичных сил играет обмен p-мезонами, причём существ. вклад вносят и процессы виртуального возбуждения D-изобары – первого возбуждённого состояния нуклона. Т. о., пионы и D-изоба-ры являются основными ненуклонными степенями свободы, к-рые важны в ядерных процессах. Многочастичные силы в ядрах сравнительно невелики: их вклад в энергию связи не превышает 10-15%. Однако существуют явления, где они играют осн. роль.
    Гл. часть эл.-магн. взаимодействия нуклонов составляет кулоновское отталкивание между протонами. На больших расстояниях оно определяется только зарядами протонов. СВ приводит к тому, что электрич. заряд протона не является точечным, а распределён на расстояниях 1 Фм (среднеквадратичный радиус протона равен 0,8 Фм; см. “Размер” элементарной частицы). Электрич. взаимодействие на малых расстояниях зависит и от распределения заряда внутри протона. Это распределение совр. теория СВ не может надёжно рассчитать, но оно достаточно хорошо известно из эксперим. данных по рассеянию электронов на протонах. Нейтроны в целом электронейтральны, но из-за СВ распределение заряда внутри нейтрона также существует, что приводит к электрич. взаимодействию между двумя нейтронами и между нейтроном и протоном. Магн. взаимодействие между нейтронами такого же порядка, что и между протонами, из-за большой величины аномального магнитного момента, обусловленного СВ. Менее ясна ситуация со слабым взаимодействием нуклонов. Хотя гамильтониан слабого взаимодействия известен хорошо, СВ приводит к перенормировке соответствующих констант взаимодействия (аналог аномального магн. момента) и возникновению формфакторов. Как и в случае эл.-магн. взаимодействия, эффекты слабого взаимодействия не могут быть достоверно рассчитаны, но в этом случае они не известны и экспериментально. Имеющиеся данные о величине эффектов несохранения чётности в 2-нуклонной системе позволяют установить интенсивность этого взаимодействия, но не его структуру. Существует неск. альтернативных моделей слабого взаимодействия нуклонов, к-рые одинаково хорошо описывают 2-нуклонные эксперименты, но приводят к разл. следствиям для атомных ядер.
    Лит.: Бор О., Моттельсон Б., Структура атомного ядра, пер. с англ., т. 1-2, М., 1971-77; Калоджеро Ф., Симонов Ю. А., Ядерные силы, насыщение и структура ядер, в сб.: Будущее науки, в. 9, М., 1976. Э. Е. Саперштейн.

  10. милое олицетворение зла Ответить

    Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Это самые сильные из всех известных в физике взаимодействий. Ядерные силы, действующие между двумя нуклонами в ядре, по порядку величины в сто раз интенсивнее электростатического взаимодействия между протонами. Важным свойством ядерных сил является их изотопическая инвариантность, т. е. независимость от зарядового состояния нуклонов: ядерные взаимодействия двух протонов, двух нейтронов или нейтрона и протона одинаковы, если одинаковы состояния относительного движения этих пар частиц. Величина ядерных сил зависит от расстояния между нуклонами, от взаимной ориентации их спинов, от ориентации спинов относительно орбитального момента вращения и радиуса-вектора, проведённого от одной частицы к другой. В соответствии с этим различают ядерные силы центральные, спин-спиновые, спин-орбитальные и тензорные.
    Ядерные силы характеризуются определённым радиусом действия: потенциал этих сил убывает с расстоянием r между частицами быстрее, чем r-2, а сами силы — быстрее, чем r-3. Из рассмотрения физической природы ядерных сил следует, что они должны убывать с расстоянием экспоненциально. Радиус действия ядерных сил определяется т. н. комптоновской длиной волны r0 мезонов, которыми обмениваются нуклоны в процессе взаимодействия: здесь m, — масса мезона, — Планка постоянная, с — скорость света в вакууме. Наибольший радиус действия имеют силы, обусловленные обменом p-мезонами. Для них r0 = 1,41 ф (1 ф = 10-13 см). Межнуклонные расстояния в ядрах имеют именно такой порядок величины, однако существ, вклад в ядерные силы вносят обмены и более тяжёлыми мезонами (m-, r-, w-мезоны и др.). Точная зависимость ядерных сил между двумя нуклонами от расстояния и относит, вклад ядерных сил, обусловленных обменом мезонов разных типов, с определённостью не установлены. В многонуклонных ядрах возможны силы, которые не сводятся к взаимодействию только пар нуклонов. Роль этих т. н. многочастичных сил в структуре ядер остаётся пока не выясненной.

  11. Mr.PoZiTiV4iK Ответить

    Макеты страниц

    § 69. Ядерные силы

    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:

    Протои испускает виртуальный -мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон.
    Затем такой же процесс протекает в обратном направлении (рис. 69.1,а). Каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть — в нейтральном.

    Нейтрон-и протон обмениваются -мезонами (рис. 69.1,б),

    Нуклоны обмениваются -мезоиами (рис. 69.1,в).
    Первый из трех описанных выше процессов находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водород в этом пучке появляются протоны, многие из которых имеют ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны.

    Рис. 69,1.

    Рис. 69.2.
    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 -мезонов.
    Теперь мы имеем возможность объяснить существование магнитного момента у нейтрона и аномальную величину магнитного момента протона (см. § 66). В соответствии с процессом (69.7) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии Орбитальное движение -мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением -мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии

  12. Ariuris Ответить

    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/r3 – 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 короткодействующимисилами. 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 ?-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 – ?-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 = mc2.
    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 mp и из (А – Z) нейтронов с массой mn, то дефект массы ?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 Есв и массой m.
    По дефекту массы, с помощью уравнения Эйнштейна (Е = mc2) можно определить энергию, выделившуюся в результате образования ядра, т.е. энергию связи (Еcв):
    Еcв = ?mc2
    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 ?(?,t). Квадрат модуля этой функции определяет плотность вероятности обнаружения исследуемой системы в состоянии с характеристикой ? – ?(?,t) = |?(?,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 12С
    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 – 10-16секунды. 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, ядра4He,16O,28Si. 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 ?-квантов, т.е. за счет электромагнитных взаимодействий. В области больших энергий возбуждения, когда E > Eотд, 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 > Eотд перекрываются – спектр ядра становится непрерывным. Главным механизмом распада высоковозбужденных состояний из этой области энергий является испускание нуклонов и кластеров (?-частиц и дейтронов). Излучение ?-квантов в этой области высоких энергий возбуждения E > Eотд происходит с меньшей вероятностью, чем испускание нуклонов. Возбужденное ядро имеет, как правило, несколько путей, или каналов, распада.

  13. ZombiRaher Ответить

    83
    ЛЕКЦИЯ
    5
    Содержание
    Очевидные
    свойства ядерных (нуклон-нуклонных)
    сил.
    Дейтрон.
    Зависимость ядерных сил от спина. Их
    нецентральность. Волновая функция
    дейтрона.
    Зарядовая
    независимость ядерных сил.
    Спин-орбитальные
    силы.
    Обменный
    характер нуклон-нуклонных сил.
    Радиальная
    форма нуклон-нуклонных сил. Квант
    ядерного поля. Теория Юкавы.
    Изоспин
    частиц и ядер.
    1. Очевидные свойства ядерных (нуклон-нуклонных) сил
    Ряд
    свойств нуклон-нуклонных (NN) сил
    непосредственно следует из рассмотренных
    фактов:
    Это
    силы
    притяжения
    (следует из существования ядер).
    Это
    короткодействующие
    силы
    (из размеров ядер следует, что
    радиус
    нуклон-нуклонных сил rNN
    ?1
    фм).
    Это
    силы
    большой величины
    (глубина ядерного потенциала ?
    40 МэВ). Нуклон-нуклонные силы значительно
    превосходят силы
    другого
    типа (электромагнитные, слабые и
    гравитационные).
    Они
    обладают
    свойством насыщения
    (энергия связи ядра W пропорциональна
    числу нуклонов в ядре A, а не A2).
    Это свойство можно объяснить как
    обменным характером NN-сил, так и
    отталкиванием на малых расстояниях.

    2. Дейтрон. Зависимость ядерных сил от спина.

    Их
    нецентральность. Волновая функция
    дейтрона.
    Ряд
    свойств ядерных сил получается из
    характеристик простейшей системы
    связанных нуклонов – дейтрона. Дейтрон
    ()
    – это связанная система нейтрон-протон
    (np). Дейтрон стабилен и существует только
    в основном состоянии. Его наблюдаемые
    характеристики приведены в таблице 5.1
    Таблица
    5.1

    Характеристики дейтрона

    Масса
    (mc2)
    1876
    МэВ
    Энергия
    связи W
    2.224
    МэВ
    Спин
    J
    1
    Четность
    P
    +1
    Магнитный
    момент ?
    0.85742
    ?N
    Электрический
    квадрупольный момент Q
    0.282
    фм2
    Приведенные
    в таблице 5.1 значения ?
    и Q являются наблюдаемыми
    (квантовомеханическими), а не внутренними
    (классическими). Внутренний электрический
    квадрупольный момент Q0
    для дейтрона в 10 раз больше наблюдаемого
    (формула (3.34) для J=1):
    Q0
    = 10?Q
    = 2.82 фм2.
    Отсюда,
    используя связь между Q0
    и параметром деформации ?
    Q0
    =
    ,
    получаем,
    полагая
    =Rd
    ?
    4.3 фм (см. ниже), для дейтрона
    ?()
    =0.19.
    Эта
    величина дает наглядное представление
    о степени несферичности дейтрона.
    Спин
    дейтрона определяется формулой
    ()
    =p
    +
    n
    +
    ,
    где
    – относительный орбитальный момент
    нуклонов в дейтроне.
    Так
    как четность дейтрона
    P
    = ?p?
    ?n
    (-1)L
    = +1,
    то
    L – чётно (?p
    = ?n
    = +1).
    Антипараллельные
    спины нуклонов в дейтроне
    p
    +
    n
    =
    (??)
    невозможны,
    т.к. в этом случае L=J=1 и четность дейтрона
    должна была бы быть отрицательной, чего
    нет. Поэтому в дейтроне спины нуклонов
    параллельны (??)
    и
    p
    +
    n
    =
    .
    Здесь
    и везде, где число приводится в виде
    вектора (в данном случае
    )
    мы, как это обычно принято для вектора
    квантовомеханического момента,
    указываем в качестве этого числа
    максимальную величину проекции этого
    вектора в единицах,
    т.е. просто квантовое число j. На самом
    деле длина вектора равна.
    Для
    орбитального момента L, очевидно, есть
    лишь две возможности: L=0 (s-состояние) и
    L=2 (d-состояние). Спиновые и орбитальные
    моменты в этих двух случаях направлены
    следующим образом:


    Рис.
    5.1
    То,
    что дейтрон существует лишь в состоянии
    с параллельными спинами ??
    и не существует в состоянии ??
    указывает на зависимость ядерных сил
    от спина. Нуклоны в состоянии ??
    взаимодействуют иначе (притяжение в
    этом состоянии сильнее), чем в состоянии
    ??.
    Итак,
    пятое свойство ядерных сил

  14. Morlunis Ответить

    Особенности ядерных сил. Огромная энергия связи нукло­нов в ядрах (по сравнению с энергией связи электронов в атоме) означает, что между нуклонами действуют мощные ядерные силы притяжения, по сравнению с которыми электромагнит­ные силы отталкивания в сотни раз слабее.
    Отличительными особенностями ядерных сил являются сле­дующие.
    1.Эти силы являются короткодействующими с радиусом дей­ствия ~10-13 см. На существенно меньших расстояниях при­тяжение нуклонов сменяется их отталкиванием.
    2.Они обладают зарядовой независимостью, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов п—п, р-р, п—р.
    3.Эти силы не являются центральными. Их, образно говоря, нельзя представить направленными вдоль прямой, проходя­щей через центры взаимодействующих нуклонов.
    4.Обладают свойством насыщения: каждый нуклон в ядре взаи­модействует с ограниченным числом ближайших нуклонов.Это проявляется практически в независимости удельной энер­гии связи от массового числа А.
    Механизм взаимодействия нуклонов. Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется по­средством силовых полей. Так, покоящийся электрический за­ряд создает вокруг себя электрическое поле, которое воздейст­вует на другой заряд с некоторой силой.
    Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля: всякому полю должна соот­ветствовать определенная частица — квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодейст­вующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодейст­вий частиц и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуще­ствляются путем обмена фотонами).
    При взаимодействии нуклонов квантами поля являются ?-мезоны, существование которых было предсказано Юкавой (1935). По его оценке эти частицы занимали промежуточное положе­ние по массе между электроном и нуклоном. И такие частицы были экспериментально обнаружены.
    Квантовая природа подобных процессов взаимодействия за­ключается в том, что они могут происходить только благодаря со­отношению неопределенностей. По классическим законам такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии.
    Квантовая теория этот запрет устраняет. Согласно соотношению неопределенностей энергия—время ис­пущенный ?-мезон с энергией m?с2 (а это есть величина Е ) мо­жет существовать только конечное время, которое не больше, чем

    По истечении этого времени ?-мезон поглощается испустившим его нуклоном. Расстояние, на которое ?-мезон удаляется от нуклона, при этом составляет

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *