Лекция №15

(Буланчук О.Н., каф. физики ПГТУ )

Состав ядра.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Ядерная физика, ядерная спектроскопия, нейтронная физика—основа реакторостроения. В результате опытов Резерфорда было установлено, что размер ядра составляет м. После открытия Чэдвиком нейтрона (1932г.) Д.Д.Иваненко была выдвинута протонно нейтронная теория строения ядра, которая впоследствии была развита В.Гейзенбергом. В соответствии с этой гипотезой ядра состоят из протонов (масса протонакг, электрический заряд положительный и равен заряду электрона, магнитный моментАм) и нейтронов (нейтральных частиц с массойкг, магнитный моментАм). Протоны и нейтроны называются нуклонами. Ядро характеризуется:

1. Зарядовым числом , которое определяет число протонов и заряд ядра, а также порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

2. Массовым числом , которое определяет массу ядра и равно количеству нуклонов.

Символически ядро записывается в виде . Тогда, число нейтронов равно.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами называются изотопами. Водород имеет три изотопа: дейтерий, тритий. Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами (за исключением водорода) и почти одинаковыми физическими.

Ядра с одинаковыми массовыми числами называются изобарами. Например,,,. Эксперименты по рассеянию частиц на ядрах позволили получить эмпирическую формулу для радиуса ядра:

, м.

Из формулы следует, что ядерная плотность приблизительно постоянна:

кг/м.

Это означает, что нуклоны в ядре упакованы так же плотно, как молекулы в капле жидкости.

Дефект масс и энергия связи.

Массы ядер определяются с помощью масс-спектрометров: путем разделение пучка заряженных частиц с помощью ускорения электрическим и отклонения магнитным полем. Эти измерения показали, что масса ядра оказывается меньше, чем массы составляющих его нуклонов. Объяснение этого факта следует из принципа Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии . Покажем, что масса системы может быть меньше, чем масса составляющих ее частиц на примере атома водорода:

Уменьшение массы при образовании ядра получило название дефекта масс:

.

Изменение массы связано с энергией взаимодействия нуклонов, которая называется энергией связи.

Энергия связи численно равна энергии, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на составляющие части. При образовании ядра (или распаде) должна выделятся или поглощаться энергия. Для количественной характеристики энергии связи вводят понятие удельной энергии связи—энергия которая приходится на один нуклон (упаковочный коэффициент):

.

Из-за сложной природы ядерных сил энергия связи не строго пропорциональна массовому числу, поэтому —непостоянна (Рис.). Из рисунка видно, что удельная энергия связи имеет максимум при. Отсюда следует вывод, что энергетически выгодными будут два типа экзотермических реакций (избыток массы должен превратится в энергию):

1. Деление тяжелых ядер на более легкие (радиоактивный распад). При распаде ядра с на два одинаковых осколка выделяется энергияМэВ.

2. Слияние легких ядер в более тяжелые (термоядерный синтез). При слиянии двух дейтронов в ядро гелия выделяется энергия МэВ (при сгорании молекулы углерода выделяется энергияэВ).

Из наблюдений известно, что наиболее стабильными оказываются магические ядра, у которых число протонов или нейтронов равно одному из чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно стабильными оказываются дважды магические ядра:

, ,,,.

Ядерные силы и их свойства.

С помощью экспериментальных исследований: рассеяние нуклонов на ядрах, ядерных превращений удалось показать, что ядерные силы значительно сильнее электромагнитных и не сводятся к ним (поскольку протоны входящие в состав ядра отталкиваются). В описании этих процессов важную роль играет понятие эффективного сечения рассеяния. Эта величина характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество (которое называется мишенью) произойдет определенная реакция. Эффективное сечение определяется следующим образом:

,

где —изменение плотности потока частицпри прохождении в слое толщиной,—концентрация частиц (ядер) мишени.имеет размерность площади, единицей измерения является барн=м.

Основные свойства ядерных сил:

1. Ядерные силы являются короткодействующими. Эффективный радиус взаимодействия которых фм. На больших расстояниях ядерные силы не проявляются. Силы, интенсивность которых быстро ослабевает с расстоянием, называются короткодействующими. Ядерные силы в 100—1000 сильнее электромагнитных. На расстоянии 1 фм потенциальные энергии взаимодействия двух протонов:МэВ,МэВ.

2. Зарядовая симметрия и независимость (изотопическая инвариантность): практически нельзя различить ядерные силы, действующие между протонами и нейтронами.

3. Ядерные силы напоминают силы межмолекулярного взаимодействия: на больших расстояниях они являются силами притяжения, при сближении ядер они сменяются силами отталкивания, что означает существование “жесткой сердцевины” нуклона. Потенциальная энергия взаимодействия двух нуклонов имеет вид, показанный на Рис. В области притяжения, она может быть описана потенциалом Юкавы:, где—константа взаимодействия для ядерных сил,—характерный радиус действия ядерных сил,—масса пиона.

4. Ядерные силы не являются центральными. Сила взаимодействия зависит от угла между спином и вектором, который соединяет центры двух нуклонов. Они носят тензорный характер. В дейтроне эти силы являются силами притяжения, когда дейтрон имеет сигарообразную форму, и силами отталкивания—в дискообразной конфигурации.

5. Сила взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов. Этот вывод следует из того, что в природе нет ядра состоящего из двух нейтронов, но существут ядра состоящие из протона и нейтрона (дейтрон). В первом случае из-за принципа Паули спины нейтронов антипараллельны, а во втором спины нуклонов параллельны.

6. Ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон взаимодействует с ограниченным количеством нуклонов. Это можно представить так, как будто когда данный нуклон оказывается окружен определенным количеством нуклонов (тремя), то другие нуклоны, вне этого окружения, не“чувствуют”сил притяжения“окруженного”нуклона. Это следует из того, что удельная энергия связи при увеличениине увеличивается (если бы каждый нуклон взаимодействовал с каждым, то). Они носят обменный характер, в результате обмена виртуальными-мезонами протон превращается в нейтрон и наоборот:. Вокруг нуклонов существует облако виртуальныхмезонов, обладающих собственным магнитным моментом. Орбитальное движениевокруг нейтрона приводит к аномальной величине магнитного момента протона.