Az atommagok egymás közötti kölcsönhatása azt jelzi, hogy az atommagokban speciális nukleáris erők léteznek, amelyek nem redukálhatók a klasszikus fizikában ismert (gravitációs és elektromágneses) erőtípusok egyikére sem.

Nukleáris erők- ezek azok az erők, amelyek a nukleonokat az atommagban tartják, és az erős kölcsönhatás megnyilvánulását jelentik.

A nukleáris erők tulajdonságai:

• 1) rövid hatótávolságúak: ~1(H 5 m) nagyságrendű távolságban a nukleáris erők, mint vonzó erők, a protonok közötti Coulomb-taszítás ellenére is nukleonokat tartanak; rövidebb távolságokon a nukleonok vonzását taszítás váltja fel;
• 2) töltésfüggetlenek: bármely két nukleon közötti vonzás azonos (p-p, p-p, p-p);
• 3) a nukleáris erőket a telítettség jellemzi: az atommag minden nukleonja csak korlátozott számú, hozzá legközelebb eső nukleonnal lép kölcsönhatásba;
• 4) a nukleáris erők a kölcsönható nukleonok spineinek kölcsönös orientációjától függenek (például egy proton és egy neutron deuteront alkot - a deutérium izotóp magja ] N, csak akkor, ha a hátuk párhuzamos egymással);
• 5) a nukleáris erők nem központiak, i.e. nem a kölcsönható nukleonok központjait összekötő vonal mentén irányulnak, amint azt a nukleon spinek orientációjától való függésük bizonyítja.

A nukleon-nukleon szórással kapcsolatos kísérletek kimutatták, hogy az atommagban a nukleonok között ható nukleáris kölcsönhatási erők csere jellegűek, és a nukleáris erőtér kvantumainak cseréje, az úgynevezett n-mezonok (pionok, lásd 32.2 altéma) okozzák. A pion hipotézist a nukleáris kölcsönhatás mechanizmusának részletes kvantumelmélete keretein belül H. Yukawa japán fizikus javasolta (Nobel-díj, 1949). A Yukawa részecskét, a piont körülbelül 300 elektrontömegű tömeg jellemzi, és segít megmagyarázni a nukleáris erők rövid hatótávolságát és nagyságrendjét.

Az atommag modelljei. IN az atommag elmélete nagyon fontos szerepet olyan modellek játszanak, amelyek a nukleáris tulajdonságok egy bizonyos halmazát elég jól leírják, és viszonylag egyszerű matematikai értelmezést tesznek lehetővé. A nukleáris erők összetett természete és a magban lévő összes nukleon mozgásegyenleteinek pontos megoldásának nehézségei miatt a mai napig nincs olyan teljes elmélet az atommagról, amely megmagyarázná minden tulajdonságát.

Tekintsük a következő két alapmodellt - cseppecskét és héjat.

Csepegtető modell M. Born német tudós és J. Frenkel orosz tudós terjesztette elő 1936-ban. Ebben a modellben azt feltételezzük, hogy az atommag úgy viselkedik, mint egy csepp összenyomhatatlan töltött folyadék, amelynek sűrűsége megegyezik a nukleáriséval, és betartja a törvényeket. a kvantummechanika. Így a magot folytonos közegnek tekintjük, és az egyes nukleonok mozgását nem különböztetjük meg. Ez az analógia a folyadékcseppben lévő molekulák és a magban lévő nukleonok viselkedése között figyelembe veszi a nukleáris kölcsönhatások rövid hatótávolságát, a nukleáris erők telítési tulajdonságát és a nukleáris anyag azonos sűrűségét a különböző magokban. A cseppmodell elmagyarázta a magreakciók, különösen a maghasadási reakciók mechanizmusait, lehetővé tette egy fél-empirikus képlet előállítását a nukleonok kötési energiájára az atommagban, valamint leírta az atommag sugarának a tömegszámtól való függőségét is. .

Shell modell végül M. Goeppert-Mayer amerikai fizikus és J.H. német fizikus fogalmazta meg. Jensen 1949-1950-ben Ebben a modellben a nukleonokat úgy tekintjük, hogy egymástól függetlenül mozognak a mag fennmaradó nukleonjainak átlagosan centrálisan szimmetrikus mezőjében. Ennek megfelelően vannak diszkrét energiaszintek, tele van nukleonokkal a Pauli-elvet figyelembe véve. Ezek a szintek csoportosítva vannak kagylók, amelyek mindegyike tartalmazhat bizonyos számú nukleont. A nukleonok spin-pálya kölcsönhatását figyelembe veszik. A magokban, a legkönnyebbek kivételével, j-/"-kapcsolat.

A teljesen kitöltött héjú magok a legstabilabbak. Mágikus atommagoknak nevezzük, amelyek neutronjainak száma Nés/vagy a Z protonok száma megegyezik a mágikus számok egyikével:

2, 8, 20, 28, 50, 82 és TV = 126. A mágikus magok különböznek a többi magtól, például fokozott stabilitásukban, nagyobb elterjedtségükben a természetben.

Magok, amelyekhez Z és Z is varázslatos N, hívják kétszer varázslatos. A kétszeresen mágikus magok közé tartozik: hélium He, oxigén J> 6 0, kalcium joCa, ón jjfSn, ólom g^fPb. A He-mag különleges stabilitása abban nyilvánul meg, hogy egyetlen részecske, az ún. -részecske, nehéz atommagok által kibocsátott radioaktív bomlás során.

A mágikus számok előrejelzése mellett ez a modell lehetővé tette az atommagok alap- és gerjesztett állapotának forgási értékeinek, valamint azok értékeinek meghatározását. mágneses momentumok. Ez a modell különösen alkalmas könnyű és közepes atommagok, valamint alapállapotú magok leírására.

Az atomerők vonzást biztosítanak- ez a protonokból és neutronokból álló stabil atommagok létezésének tényéből következik.

Az atomerők abszolút nagysága nagy. Hatásuk kis távolságokon jelentősen meghaladja a természetben ismert összes erő hatását, beleértve az elektromágneseseket is.

Eddig négyféle interakciót ismerünk:

a) erős (nukleáris) kölcsönhatások;

b) elektromágneses kölcsönhatások;

c) gyenge kölcsönhatások, különösen azoknál a részecskéknél, amelyek nem mutatnak erős és elektromágneses kölcsönhatást (neutrínók);

d) gravitációs kölcsönhatások.

Az ilyen típusú kölcsönhatások erőinek összehasonlítása egy olyan mértékegységrendszer használatával érhető el, amelyben az ezeknek az erőknek megfelelő karakterisztikus kölcsönhatási állandók (a „töltések négyzete”) dimenzió nélküliek.

Így az összes ilyen erővel rendelkező két nukleon magján belüli kölcsönhatás esetén a kölcsönhatási állandók a következő sorrendben vannak:

A nukleáris erők biztosítják az atommagok létezését. Elektromágneses - atomok és molekulák. A magban lévő nukleon átlagos kötési energiája egyenlő, azaz ahol a nukleon nyugalmi energiája. Az elektron kötési energiája a hidrogénatomban csak annyi, hogy hol van az elektron nyugalmi energiája. Ezért ezen a skálán a kötési energiák jellemző állandókként kapcsolódnak egymáshoz:

A gyenge kölcsönhatások felelősek olyan finom hatásokért, mint a -bomláson és -befogáson keresztüli kölcsönös átalakulások (lásd 19. §), az elemi részecskék különféle bomlásai, valamint a neutrínók és az anyag közötti kölcsönhatások összes folyamata.

A kozmikus testek és rendszerek stabilitása a gravitációs kölcsönhatásokhoz kapcsolódik.

A második és negyedik típus kölcsönhatási ereje a távolsággal csökken, azaz meglehetősen lassan, ezért nagy hatótávolságúak. Az első és harmadik típusú kölcsönhatások nagyon gyorsan csökkennek a távolsággal, ezért rövid hatótávolságúak.

Az atomerők rövid hatótávolságúak. Ez következik: a) Rutherford kísérleteiből a -részecskék könnyű atommagok általi szórására (cm-t meghaladó távolságok esetén a kísérleti eredmények

a -részecskék és az atommag tisztán Coulomb-féle kölcsönhatásával magyarázzák, de kisebb távolságokon a Coulomb-törvénytől való eltérések előfordulnak a nukleáris erők miatt. Ebből következik, hogy a nukleáris erők hatástartománya mindenképpen kisebb

b) a nehéz atommagok bomlásának vizsgálatából (lásd 15. §);

c) a neutronok protonok és a protonok protonok általi szórásával kapcsolatos kísérletekből.

Nézzük meg őket egy kicsit részletesebben.

Rizs. 17. Részecske- és szórási cél

Alacsony neutronenergiáknál szóródásuk a tehetetlenségi rendszer középpontjában izotróp. Valójában egy klasszikus impulzusú részecske „bekapja” a nukleáris erők hatássugarával rendelkező szóródó célpontot, ha kisebb távolságra repül, azaz ha szögimpulzusának a pályasíkra merőleges komponense nem haladja meg hegyek (17. kép).

De Broglie incidens részecskére vonatkozó relációja szerint tehát

Egy részecske orbitális lendületének vetületének maximális értéke azonban csak ezért lehet egyenlő

Így egy a érték esetén a rendszer állapotát leíró hullámfüggvény gömbszimmetrikus c-ben. c. azaz ebben a rendszerben a szórásnak izotrópnak kell lennie.

Amikor a szórás már nem lesz izotróp. A beeső neutronok energiájának csökkentésével és ezáltal növelésével meg lehet találni azt az értéket, amelynél a szórási izotrópia elérhető. Ez becslést ad a nukleáris erők hatótávolságáról.

A maximális neutronenergia, amelynél a gömbszimmetrikus szórást továbbra is megfigyelték, egyenlő volt a Ez lehetővé tette a nukleáris erők hatássugarának felső határának meghatározását, amely egyenlő cm-rel.

Továbbá, amikor egy protonfluxus szóródik egy proton célponton, akkor kiszámítható a folyamat effektív keresztmetszetének várható értéke, ha csak Coulomb-erők hatnak. Amikor azonban a részecskék nagyon közel kerülnek egymáshoz, a nukleáris erők kezdenek dominálni

a Coulomb-ok felett, és megváltozik a szórt protonok eloszlása.

Az ilyen kísérletekből kiderült, hogy a nukleáris erők meredeken csökkennek a protonok közötti távolság növekedésével. Hatásterületük rendkívül kicsi, és nagyságrendileg is cm. Sajnos az alacsony energiájú nukleonok szóródásával kapcsolatos kísérletek eredményei nem adnak információt a nukleáris erők távolsággal való változásának törvényéről. A potenciálkút részletes alakja továbbra is bizonytalan.

A deuteronmagban lévő két kötött nukleon tulajdonságainak tanulmányozására irányuló kísérletek szintén nem teszik lehetővé, hogy egyértelműen megállapítsuk a nukleáris erőtér potenciáljában a távolság függvényében bekövetkező változás törvényét. Az ok a nukleáris erők szokatlanul kicsi hatássugarában és a hatás sugarán belüli igen nagy nagyságában rejlik. A deuteron tulajdonságait leíró potenciál első közelítéseként a különböző függvények meglehetősen széles körét vehetjük fel, amelyeknek a távolsággal meglehetősen gyorsan csökkenniük kell.

A kísérleti adatokat nagyjából kielégítjük például a következő függvényekkel.

Rizs. 18. A deuteron potenciálkút lehetséges alakjai: a - téglalap alakú kút; exponenciális kút; c a kút alakja a Yukawa potenciálnál; -jól potenciálon szilárd taszító központtal

1. Téglalap alakú potenciálkút (18a. ábra):

ahol a nukleáris erők hatássugara, két kölcsönhatásban lévő nukleon középpontja közötti távolság.

2. Exponenciális függvény (18. ábra,b):

3. Yukawa mezonpotenciál (18c. ábra):

4. Potenciál tömör taszító közepével (18d. ábra):

A szóródási szerkezet részletes vizsgálata és az elméleti számításokkal való összehasonlítás az utóbbi formák mellett szól. Jelenleg bonyolultabb formákat használnak a számításokhoz, amelyek jobb egyezést biztosítanak a kísérleti adatokkal.

A potenciálkút mélysége minden esetben több tízes nagyságrendű. Az érték a taszítóközéppontú potenciál esetén Fermi tized nagyságrendű.

A nukleáris erők nem függenek a kölcsönható részecskék elektromos töltésétől. A vagy közötti kölcsönhatási erők azonosak. Ez a tulajdonság a következő tényekből következik.

A fénystabil atommagokban, amikor az elektromágneses taszítás még elhanyagolható, a protonok száma megegyezik a neutronok számával, ezért a közöttük ható erők egyenlőek, különben eltolódás történne valamilyen irányba (vagy

A könnyű tükörmagok (például a neutronok protonokkal való helyettesítésével és fordítva kapott atommagok energiaszintje megegyezik.

A neutronok protonok és protonok protonok általi szórásával kapcsolatos kísérletek azt mutatják, hogy a proton és a neutron protonnal való nukleáris vonzásának nagysága megegyezik.

A nukleáris erők ezen tulajdonsága alapvető, és azt a mély szimmetriát jelzi, amely két részecske között létezik: a proton és a neutron között. Ezt töltésfüggetlenségnek (vagy szimmetriának) nevezték, és lehetővé tette, hogy a protont és a neutront ugyanazon részecske - a nukleon - két állapotának tekintsék.

Így a nukleonnak van némi további belső szabadságfoka - töltése -, amelyhez képest két állapot lehetséges: proton és neutron. Ez analóg a részecskék spintulajdonságaival: a spin a térbeli mozgás mellett a részecske belső szabadságfoka is, amelyhez képest az elektronnak (vagy nukleonnak) csak két lehetséges állapota van. Szekvenciális kvantummechanika

e két szabadságfok leírása: töltés és spin – formailag megegyezik. Ezért ennek megfelelően a töltés szabadsági fokát egy hagyományos háromdimenziós tér segítségével szokás vizuálisan leírni, amelyet izotóposnak neveznek, és a részecske (nukleon) állapotát ebben a térben egy izotópos spin jellemzi, amelyet jelölünk.

Nézzük ezt egy kicsit részletesebben, visszatérve a hétköznapi pörgés fogalmához.

Tegyük fel, hogy két elektron van, amelyek, mint tudjuk, teljesen azonosak. Mindkettőnek megvan a maga szögimpulzusa - pörgés. Forgásuk iránya azonban nem észlelhető. Most helyezzük őket egy külső mágneses térbe. A kvantummechanika alapvető posztulátumai szerint az egyes részecskék „forgástengelye” csak szigorúan meghatározott pozíciókat foglalhat el ehhez a külső mezőhöz képest. Az egyforma spinű részecskék spintengelye a mező iránya mentén vagy annak irányába orientálható (19. ábra). A lendületes részecskének lehetnek állapotai; egy elektron, amelynek 2 állapota van. A spin vetületek értéke lehet Ez oda vezet, hogy a mágneses térben lévő részecskék immár különböző energiájúak lehetnek, és lehetővé válik azok megkülönböztetése egymástól. Ez azt mutatja, hogy az elektron állapota mágneses tulajdonságaiból adódóan dublett.

Külső nélkül mágneses mező nincs mód az elektron két lehetséges állapotának szétválasztására; Állapotokról azt mondják, hogy észrevehetetlen állapotokká „degenerálódnak”.

Hasonló helyzet fordul elő a hidrogénatomban. Az atom állapotainak jellemzésére egy pályakvantumszámot vezetünk be, amely az atomok keringési szögimpulzusát jellemzi. Egy adott I-vel rendelkező atomnak lehetnek állapotai, mivel egy külső mezőben csak az I vetületeinek jól meghatározott értékei létezhetnek a mező irányára (- I-től Amíg nincs külső mező, az állapot szaporodnak degeneráltak.

A neutron felfedezése az elektron mágneses degenerációjához hasonló jelenség létezésének gondolatához vezetett.

Hiszen a nukleáris erők töltésfüggetlensége azt jelenti, hogy erős kölcsönhatásban a proton és a neutron ugyanazon részecskeként viselkedik. Csak akkor lehet őket megkülönböztetni, ha figyelembe vesszük az elektromágneses kölcsönhatást. Ha elképzeljük, hogy az elektromágneses LED-eket valahogy „ki lehet kapcsolni” (20. ábra, a), akkor a proton és a neutron megkülönböztethetetlen részecskékké válik, sőt tömegük is egyenlő lesz (a tömegek egyenlőségéről bővebben lásd a 12. §-t ). Ezért a ciklon „töltésdublettnek” tekinthető, amelyben az egyik állapot protont, a másik pedig neutront képvisel. Ha az elektromágneses erőket is beleszámítjuk, akkor feltételesen

ábrán mutatjuk be. 20b szaggatott vonallal, akkor a töltéstől függő elektromos erők hozzáadódnak az előző töltéstől független erőkhöz.

Rizs. 19. Elektron spin orientációja mágneses térben

Rizs. 20. A proton és a neutron közötti különbség elektromágneses kölcsönhatás következtében

A töltött részecskék energiája eltér a semleges részecskék energiájától, így a proton és a neutron szétválasztható. Következésképpen nyugalmi tömegük nem lesz egyenlő.

A nukleon atommagban lévő állapotának jellemzésére Heisenberg bevezette az izotóp spin tisztán formális fogalmát, amelynek a kvantumszámokkal analógiájával meg kell határoznia a nukleon degenerált állapotainak számát, amely egyenlő hogy a proton és a neutron közel állnak egymáshoz tulajdonságaikban (izotópok - azonosak kémiai tulajdonságai atomok, amelyek a neutronok számában különböznek az atommagban).

A „spin” szó ebben a fogalomban a részecske szokásos spinjével való tisztán matematikai analógiából ered.

Fontos még egyszer megjegyezni, hogy az izotópos spin kvantummechanikai vektorát nem a közönséges, hanem a hagyományos térben vezetik be, amelyet izotóp- vagy töltéstérnek neveznek. Ez utóbbit a hagyományos tengelyekkel ellentétben feltételes tengelyek határozzák meg. Ebben a térben a részecske nem tud transzlációsan mozogni, hanem csak forog.

Így az izotópos spint olyan matematikai jellemzőnek kell tekinteni, amely megkülönbözteti a protont a neutrontól; fizikailag az elektromágneses térrel eltérő viszonyban vannak öntve.

A nukleon izotóp spinje egyenlő, és a tengelyhez viszonyítva a vetületet jelölik. Hagyományosan elfogadott, hogy a proton és a neutron, azaz a proton neutronná alakul, amikor az izotóp. spin 180°-kal elfordul az izotópos térben.

Ennek a formális technikának a alkalmazásakor a töltésfüggőség megmaradási törvény formájában jelentkezik: a nukleonok kölcsönhatása során a teljes izotóp spin és vetülete változatlan marad, i.e.

Ez a megmaradási törvény formálisan a fizikai törvények izotópos térben való forgástól való függetlenségének következményének tekinthető. Ez a természetvédelmi törvény azonban hozzávetőleges. Ez annyiban érvényes, hogy az elektromágneses erők elhanyagolhatók és kismértékben sérülhetnek - az elektromágneses és a nukleáris erők arányának mértékéig. Fizikai jelentése abban rejlik, hogy a rendszerekben a nukleáris erők azonosak.

Az izotópos spin fogalmára az elemi részecskékről szóló fejezetben visszatérünk, amelyhez további jelentést kap.

A nukleáris erők a spintől függenek. A nukleáris erők spintől való függése a következő tényekből következik.

Ugyanaz a mag különböző spinű állapotokban eltérő kötési energiával rendelkezik. Például egy deuteron kötési energiája, amelyben a spinek párhuzamosak, egyenlő az antiparallel spinekkel, egyáltalán nincs stabil állapot.

A neutron-proton szórás érzékeny a spin orientációra. A neutronok és protonok közötti kölcsönhatás valószínűségét elméletileg azzal a feltételezéssel számolták ki, hogy a kölcsönhatási potenciál nem függ a spintől. Kiderült, hogy a kísérleti eredmények ötszörösére tértek el az elméletitől.

Az eltérést kiküszöböljük, ha figyelembe vesszük, hogy a kölcsönhatás a spinek relatív orientációjától függ.

A nukleáris erők spin-orientációtól való függése az orto- és parahidrogénmolekulákon végzett neutronszórási kísérletekben nyilvánul meg.

A helyzet az, hogy kétféle hidrogénmolekula létezik: egy orto-hidrogén molekulában két proton spinje párhuzamos egymással, a teljes spin 1 és három orientációja lehet (ún. triplett állapot); parahidrogén molekulában a spinek antiparallelek, a teljes spin nulla és egyetlen állapot lehetséges (ún. szingulett állapot),

Az orto- és parahidrogénmolekulák számának aránya szobahőmérsékleten: Ezt az arányt a lehetséges állapotok száma határozza meg.

Az alap para állapot energiája kisebb, mint az orgo alapállapot energiája. Alacsony hőmérsékleten az ortohidrogén molekulák parahidrogén molekulákká alakulnak. Katalizátor jelenlétében ez az átalakulás meglehetősen gyorsan megy végbe, és lehetséges a folyékony hidrogén előállítása tiszta parahidrogén állapotban. Amennyiben

a neutronok ortohidrogénen való szóródása esetén a neutron spinje vagy párhuzamos mindkét proton spinjével, vagy mindkettővel antiparallel; azaz vannak konfigurációk:

Para-hidrogénnel szórva a neutron spinje mindig párhuzamos az egyik proton spinével, és antiparallel a másik proton spinjével; A parahidrogénmolekula orientációjától függetlenül a konfiguráció karakteres

Rizs. 21 Neutronszórás hidrogénmolekulákon

Tekintsük a szórást hullámfolyamatnak. Ha a szórás a spinek kölcsönös orientációjától függ, akkor a két proton által szórt neutronhullámok megfigyelt interferenciahatása szignifikánsan eltérő lesz az orto- és parahidrogénmolekulákon történő szórási folyamatokban.

Mekkora legyen a neutronok energiája, hogy észrevehető legyen a szórásbeli különbség? Egy molekulában a protonok olyan távolságban helyezkednek el, amely sokszor nagyobb, mint a nukleáris erők hatássugara. cm ezért a neutron hullámtulajdonságaiból adódóan a szórási folyamat mindkét protonon egyidejűleg is végbemehet (21. ábra). Az ehhez szükséges de Broglie hullám

olyan neutronra, amelynek tömege egyenlő az energiával

Az atomerők telítettségi tulajdonsággal rendelkeznek. Ahogy a 4. §-ban már említettük, a nukleáris erők telítési tulajdonsága abban nyilvánul meg, hogy az atommag kötési energiája arányos az atommagban lévő nukleonok számával - A, és nem

A nukleáris erők ezen tulajdonsága a könnyű atommagok stabilitásából is következik. Lehetetlen például egyre több új részecskét hozzáadni a deuteronhoz, csak egy ilyen kombináció ismert további neutron-tríciummal. Így egy proton legfeljebb két neutronnal tud kötött állapotot kialakítani.

A Heisenberg-telítettség magyarázatára azt javasolták, hogy a nukleáris erők csere jellegűek.

Az atomerők csere jellegűek. Először alakult ki a cserekarakter az erők között kémiai kötés: A kötés az elektronok egyik atomról a másikra való átvitelével jön létre. Az elektromágneses erők szintén a csereerők közé sorolhatók: a töltések kölcsönhatását az magyarázza, hogy y-kvantumokat cserélnek. Ebben az esetben azonban nincs telítés, mivel az y-kvantumok cseréje nem változtatja meg az egyes részecskék tulajdonságait.

A nukleáris erők cseretulajdonsága abban nyilvánul meg, hogy az ütközés során a nukleonok átadhatnak egymásnak olyan jellemzőket, mint a töltés, a spin vetületek és mások.

A kicserélődés jellegét különféle kísérletek igazolják, például a nagyenergiájú neutronok szögeloszlásának mérési eredményei, amikor protonok szórják őket. Nézzük ezt részletesebben.

A magfizikában akkor nevezik az energiát magasnak, ha a részecske de Broglie hulláma kielégíti az összefüggést, azaz.

Nukleonok esetében a de Broglie hullámhossz a kinetikus energiával van összefüggésben az egyenlet alapján

és ezért egy nukleon kinetikus energiája akkor nevezhető nagynak, ha lényegesen nagyobb

A kvantummechanika lehetővé teszi az effektív szórási keresztmetszet függését a beeső neutronok energiájától és a szórási szögtől, ha ismert a kölcsönhatási potenciál.

A számítások azt mutatják, hogy egy olyan potenciálnál, mint egy téglalap alakú kút, a szórási keresztmetszetnek a részecskék energiájától függően kell változnia, valamint magának a szórásnak egy kis szögben kell bekövetkeznie, ezért a szórt neutronok szögeloszlása ​​a központban A tehetetlenségi rendszernek a mozgásuk irányában kell lennie maximummal, a visszapattanó protonok eloszlásának pedig az ellenkező irányú maximumával.

Kísérletileg a neutronok esetében nemcsak az előre irányuló szögeloszlás csúcsát, hanem a hátrafelé irányuló második csúcsot is felfedezték (22. ábra).

Rizs. 22. A protonokon történő neutronszórás differenciális keresztmetszetének függése a szórási szögtől

A kísérleti eredmények csak akkor magyarázhatók, ha feltételezzük, hogy a nukleonok között csereerők hatnak, és a szórási folyamat során a neutronok és a protonok kicserélik töltéseiket, vagyis a szórás „töltéscserével” történik. Ebben az esetben a neutronok egy része protonná alakul, és megfigyelhető, hogy a protonok a beeső neutronok, az úgynevezett töltéscsere protonok irányába repülnek. Ugyanakkor a protonok egy része neutronokká alakul, és a s-be visszaszórt neutronokként kerül rögzítésre.

A csere és a közönséges erők egymáshoz viszonyított szerepét a visszafelé repülő neutronok számának és az előre repülő neutronok számának aránya határozza meg.

A kvantummechanika alapján igazolható, hogy a csereerők megléte mindig a telítés jelenségéhez vezet, mivel egy részecske nem tud kölcsönhatásba lépni egyidejűleg sok részecskével.

A nukleon-nukleon szórással kapcsolatos kísérletek részletesebb tanulmányozása azonban azt mutatja, hogy bár a kölcsönhatási erők valóban csere jellegűek, a közönséges potenciál és a cserepotenciál keveredése olyan, hogy nem tudja teljes mértékben megmagyarázni a telítettséget. A nukleáris erők egy másik tulajdonságát is felfedezték. Kiderült, hogy ha a nukleonok közötti nagy távolságokon túlnyomórészt vonzó erők hatnak, akkor amikor a nukleonok közel kerülnek egymáshoz (cm-es nagyságrendű távolságra), éles taszítás lép fel. Ez azzal magyarázható, hogy a nukleonokban találhatóak magok, amelyek taszítják egymást.

A számítások azt mutatják, hogy elsősorban ezek a magok felelősek a telítési hatásért. Ebben a tekintetben a nukleáris kölcsönhatást úgy tűnik, egy nem egyenletes potenciállal kell jellemezni, mint egy négyszögletes kút (2. összetett funkció jellemzővel rövid távolságokon (18d. ábra).

A fizikában az „erő” fogalma az anyagi képződmények egymás közötti kölcsönhatásának mértékét jelöli, ideértve az anyagrészek (makroszkópikus testek, elemi részecskék) egymással és fizikai mezőkkel (elektromágneses, gravitációs) való kölcsönhatását. Összességében a természetben a kölcsönhatás négy típusa ismert: erős, gyenge, elektromágneses és gravitációs, és mindegyiknek megvan a saját típusú ereje. Az első az atommagok belsejében ható nukleáris erőknek felel meg.

Mi köti össze a magokat?

Köztudott, hogy az atommag apró, mérete négy-öt nagyságrenddel kisebb, mint magának az atomnak a mérete. Ez felvet egy nyilvánvaló kérdést: miért olyan kicsi? Végül is az apró részecskékből álló atomok még mindig sokkal nagyobbak, mint a bennük lévő részecskék.

Ezzel szemben az atommagok mérete nem sokban különbözik azoktól a nukleonoktól (protonoktól és neutronoktól), amelyekből készültek. Van ennek oka vagy véletlen?

Közben ismert, hogy az elektromos erők tartják a negatív töltésű elektronokat az atommagok közelében. Milyen erő vagy erők tartják össze az atommag részecskéit? Ezt a feladatot a nukleáris erők látják el, amelyek az erős kölcsönhatások mértéke.

Erős nukleáris erő

Ha a természetben csak gravitációs és elektromos erők lennének, i.e. akikkel találkozunk mindennapi élet, akkor a gyakran sok pozitív töltésű protonból álló atommagok instabilok lennének: a protonokat egymástól távolodó elektromos erők sok milliószor erősebbek lennének gravitációs erők, vonzza őket egymáshoz. A nukleáris erők még az elektromos taszításnál is erősebb vonzást biztosítanak, bár valódi nagyságuknak csak árnyéka mutatkozik meg az atommag szerkezetében. Amikor maguknak a protonoknak és a neutronoknak a szerkezetét vizsgáljuk, látjuk az úgynevezett erős nukleáris kölcsönhatás valódi lehetőségeit. A nukleáris erők a megnyilvánulása.

A fenti ábra azt mutatja, hogy az atommagban a két ellentétes erő a pozitív töltésű protonok közötti elektromos taszítás és a nukleáris erő, amely a protonokat (és a neutronokat) együtt vonzza. Ha a protonok és a neutronok száma nem különbözik túlságosan, akkor a második erők nagyobbak, mint az első.

A protonok az atomok analógjai, a magok pedig a molekulák analógjai?

Milyen részecskék között hatnak a nukleáris erők? Mindenekelőtt a nukleonok (protonok és neutronok) között az atommagban. Végső soron a protonban vagy neutronban lévő részecskék (kvarkok, gluonok, antikvarkok) között is hatnak. Ez nem meglepő, ha felismerjük, hogy a protonok és a neutronok alapvetően összetettek.

Egy atomban az apró atommagok és a még kisebb elektronok méretükhöz képest viszonylag távol vannak egymástól, és az őket az atomban összetartó elektromos erők meglehetősen egyszerűek. Ám a molekulákban az atomok távolsága az atomok méretéhez mérhető, így az utóbbiak belső összetettsége jön szóba. Az atomon belüli elektromos erők részleges kompenzációja által okozott változatos és összetett helyzet olyan folyamatokat eredményez, amelyek során az elektronok ténylegesen egyik atomról a másikra mozoghatnak. Ez a molekulák fizikáját sokkal gazdagabbá és összetettebbé teszi, mint az atomoké. Hasonlóképpen, a protonok és a neutronok távolsága az atommagban a méretükhöz mérhető – és akárcsak a molekulák esetében, az atommagokat összetartó nukleáris erők tulajdonságai sokkal összetettebbek, mint a protonok és neutronok egyszerű vonzása.

Nincs atommag neutron nélkül, kivéve a hidrogént

Ismeretes, hogy a magok egyes kémiai elemek stabilak, míg másokban folyamatosan bomlanak, és ennek a bomlásnak a mértéke igen széles. Miért szűnnek meg azok az erők, amelyek a nukleonokat az atommagokban tartják? Nézzük, mit tanulhatunk meg egyszerű megfontolások alapján az atomerők tulajdonságairól.

Az egyik az, hogy a leggyakoribb hidrogénizotóp kivételével (amelynek csak egy protonja van) minden atommag tartalmaz neutronokat; vagyis nincs több protonból álló atommag, amely ne tartalmazna neutronokat (lásd az alábbi ábrát). Tehát egyértelmű, hogy a neutronok fontos szerepet játszanak a protonok összetapadásának elősegítésében.

ábrán. Fent a fénystabil vagy közel stabil atommagok neutronnal együtt láthatók. Ez utóbbiak a tríciumhoz hasonlóan szaggatott vonallal vannak ábrázolva, jelezve, hogy végül elbomlanak. Más, kis számú protont és neutront tartalmazó kombinációk egyáltalán nem alkotnak atommagot, vagy rendkívül instabil atommagot alkotnak. Szintén dőlt betűvel vannak feltüntetve az egyes objektumoknak gyakran adott alternatív nevek; Például a hélium-4 atommagot gyakran α-részecskének nevezik, amikor az 1890-es években a radioaktivitás korai tanulmányai során felfedezték.

A neutronok mint protonpásztorok

Éppen ellenkezőleg, nincs atommag, amely csak neutronokból állna protonok nélkül; a legtöbb könnyű atommag, például az oxigén és a szilícium, megközelítőleg ugyanannyi neutront és protont tartalmaz (2. ábra). A nagy tömegű nagy magokban, mint az arany és a rádium, valamivel több neutron van, mint proton.

Ez két dolgot mond:

1. Nemcsak a neutronokra van szükség a protonok egyben tartásához, hanem a neutronok egyben tartásához is.

2. Ha a protonok és neutronok száma nagyon megnő, akkor a protonok elektromos taszítását néhány további neutron hozzáadásával kell kompenzálni.

Az utolsó állítást az alábbi ábra szemlélteti.

A fenti ábra a stabil és közel stabil atommagokat mutatja P (protonok száma) és N (neutronok száma) függvényében. A fekete pontokkal jelölt vonal stabil magokat jelöl. Bármilyen eltolódás a fekete vonaltól felfelé vagy lefelé, az atommagok élettartamának csökkenését jelenti - közelében az atommagok élettartama több millió év vagy több, ahogy tovább halad a kék, barna vagy sárga területek felé (a különböző színek különbözőnek felelnek meg nukleáris bomlási mechanizmusok), élettartamuk egyre rövidebb lesz, a másodperc töredékéig.

Megjegyezzük, hogy a stabil magokban P és N nagyjából egyenlő kis P és N esetén, de az N fokozatosan több mint másfélszeresére válik P-nél nagyobbá. Vegye figyelembe azt is, hogy a stabil és hosszú életű instabil magok csoportja meglehetősen szűk sávban marad minden P értéknél 82-ig. Nagyobb számoknál az ismert magok elvileg instabilok (bár évmilliókig létezhetnek ). Nyilvánvaló, hogy a fent említett mechanizmus az atommagokban lévő protonok stabilizálására úgy, hogy neutronokat ad hozzájuk ebben a régióban, nem 100%-ban hatékony.

Hogyan függ egy atom mérete az elektronjainak tömegétől?

Hogyan hatnak a vizsgált erők az atommag szerkezetére? A nukleáris erők elsősorban a méretét befolyásolják. Miért olyan kicsik az atommagok az atomokhoz képest? Hogy megtudjuk, kezdjük a legegyszerűbb atommaggal, amelynek protonja és neutronja is van: ez a hidrogén második leggyakoribb izotópja, egy elektront tartalmazó atom (mint minden hidrogénizotóp), valamint egy protonból és egy neutronból álló atommag. . Ezt az izotópot gyakran „deutériumnak” nevezik, magját (lásd a 2. ábrát) pedig néha „deuteronnak” is nevezik. Hogyan magyarázhatjuk meg, mi tartja össze a deuteront? Nos, el lehet képzelni, hogy nem különbözik annyira egy közönséges hidrogénatomtól, amely két részecskét is tartalmaz (egy protont és egy elektront).

ábrán. Fentebb látható, hogy a hidrogénatomban az atommag és az elektron nagyon távol van egymástól, abban az értelemben, hogy az atom sokkal nagyobb, mint az atommag (és az elektron még kisebb.) De deuteronban a proton távolsága és a neutron méretükhöz mérhető. Ez részben megmagyarázza, hogy a nukleáris erők miért sokkal összetettebbek, mint az atomban lévő erők.

Ismeretes, hogy az elektronok tömege kicsi a protonokhoz és neutronokhoz képest. Ebből következik

• az atom tömege lényegében közel van az atommag tömegéhez,
• egy atom mérete (lényegében az elektronfelhő mérete) fordítottan arányos az elektronok tömegével és fordítottan arányos a teljes elektromágneses erővel; A kvantummechanika bizonytalansági elve döntő szerepet játszik.

Mi van, ha a nukleáris erők hasonlóak az elektromágnesesekhez?

Mi a helyzet a deuteronnal? Az atomhoz hasonlóan két objektumból áll, de ezek tömege közel azonos (a neutron és a proton tömege 1500-ban csak körülbelül egy résszel tér el egymástól), így mindkét részecske egyformán fontos a deuteron tömegének meghatározásában. és a mérete. Most tegyük fel, hogy a nukleáris erő ugyanúgy húzza a protont a neutron felé, mint az elektromágneses erők (ez nem teljesen igaz, de képzeljük el egy pillanatra); majd a hidrogénnel analóg módon azt várjuk, hogy a deuteron mérete fordítottan arányos a proton vagy neutron tömegével, és fordítottan arányos a magerő nagyságával. Ha a nagysága megegyezik az elektromágneses erővel (bizonyos távolságban), akkor ez azt jelentené, hogy mivel egy proton körülbelül 1850-szer nehezebb, mint egy elektron, akkor a deuteronnak (és minden atommagnak) legalább ezerszeresnek kell lennie. kisebb, mint a hidrogéné.

Mit ad a nukleáris és elektromágneses erők közötti jelentős különbség figyelembevétele?

De már sejtettük, hogy a nukleáris erő sokkal nagyobb, mint az elektromágneses erő (ugyanolyan távolságra), mert ha ez nem így lenne, akkor a mag széteséséig nem tudná megakadályozni a protonok közötti elektromágneses taszítást. Tehát a hatása alatt álló proton és neutron még szorosabban összeér. És ezért nem meglepő, hogy a deuteron és a többi atommag nem csupán ezer, hanem százezerszer kisebb az atomoknál! Ez megint csak azért van

• a protonok és a neutronok majdnem 2000-szer nehezebbek, mint az elektronok,
• ezeken a távolságokon az atommagban lévő protonok és neutronok közötti nagy magerő sokszorosa a megfelelő elektromágneses erőknek (beleértve az atommag protonjai közötti elektromágneses taszítást is).

Ez a naiv találgatás megközelítőleg a helyes választ adja! Ez azonban nem tükrözi teljes mértékben a proton és a neutron közötti kölcsönhatás összetettségét. Az egyik nyilvánvaló probléma, hogy az elektromágneses erőhöz hasonló, de nagyobb vonzerővel vagy taszító erővel rendelkező erőnek nyilván meg kell jelennie a mindennapi életben, de ilyesmit nem figyelünk meg. Tehát ebben az erőben valaminek különböznie kell az elektromos erőktől.

Rövid nukleáris erő hatótávolság

Az különbözteti meg őket, hogy az atommagot a bomlástól gátló nukleáris erők nagyon fontosak és erősek az egymástól nagyon kis távolságra, de bizonyos távolságra (az ún. erő), nagyon gyorsan esnek, sokkal gyorsabban, mint az elektromágnesesek. Kiderült, hogy a hatótávolság akkora is lehet, mint egy közepesen nagy mag, csak többszöröse egy protonnál. Ha egy protont és egy neutront ehhez a tartományhoz hasonló távolságra helyezünk el, akkor vonzzák egymást, és deuteront alkotnak; ha nagyobb távolság választja el őket, alig éreznek vonzódást. Valójában, ha túl közel vannak egymáshoz ahhoz a ponthoz, ahol kezdenek átfedni, valójában taszítják egymást. Ez rávilágít az olyan fogalom összetettségére, mint a nukleáris erők. A fizika folyamatosan fejlődik a hatásmechanizmus magyarázata irányába.

A magkölcsönhatás fizikai mechanizmusa

Minden anyagi folyamatnak, beleértve a nukleonok közötti kölcsönhatást is, rendelkeznie kell anyaghordozókkal. Ezek nukleáris mezőkvantumok - pi-mezonok (pionok), amelyek cseréje miatt a nukleonok között vonzalom keletkezik.

A kvantummechanika elvei szerint az állandóan megjelenő és azonnal eltűnő pi-mezonok egy „meztelen” nukleon körül olyasmit alkotnak, mint egy felhő, az úgynevezett mezonköpeny (emlékezzünk az atomokban lévő elektronfelhőkre). Amikor két ilyen bevonattal körülvett nukleon körülbelül 10-15 m távolságra találja magát, pioncsere történik, hasonlóan a vegyértékelektronok cseréjéhez az atomokban a molekulák képződése során, és vonzás jön létre a nukleonok között.

Ha a nukleonok közötti távolság 0,7∙10-15 m alá csökken, akkor új részecskéket kezdenek kicserélni - az ún. ω és ρ-mezonok, aminek következtében a nukleonok között nem vonzás, hanem taszítás lép fel.

Nukleáris erők: az atommag szerkezete a legegyszerűbbtől a legnagyobbig

Összegezve a fentieket, megjegyezhetjük:

• az erős magerő sokkal-sokkal gyengébb az elektromágnesességnél egy tipikus mag méreténél jóval nagyobb távolságokban, így a mindennapi életben nem találkozunk vele; De
• az atommaghoz hasonló kis távolságokon sokkal erősebbé válik - a vonzási erő (feltéve, hogy a távolság nem túl rövid) képes leküzdeni a protonok közötti elektromos taszítást.

Tehát ez az erő csak az atommag méretével összemérhető távolságokon számít. Az alábbi ábra a nukleonok közötti távolságtól való függését mutatja.

A nagy magokat többé-kevésbé ugyanaz az erő tartja össze, mint a deuteront, de a folyamat részletei annyira összetettek, hogy nem könnyű leírni. Szintén nem értik teljesen. Bár a magfizika alapvázlatai évtizedek óta jól ismertek, sok fontos részlet még mindig aktív kutatás alatt áll.

1. A nukleáris erők abszolút nagyságúak. Ezek a természetben a legerősebb kölcsönhatások közé tartoznak.

Eddig négy interakciótípust ismertünk:

a) erős (nukleáris) kölcsönhatások;

b) elektromágneses kölcsönhatások;

c) gyenge kölcsönhatások, különösen azoknál a részecskéknél, amelyek nem jelentkeznek erős és elektromágneses kölcsönhatásban (neutrínók);

d) gravitációs kölcsönhatások.

Például elég azt mondani, hogy a legegyszerűbb atommag, a deuteron kötési energiája a magerők hatására 2,26 MeV, míg a legegyszerűbb atom, a hidrogén kötési energiája az elektromágneses erők hatására 13,6 eV.

2. Nukleáris erők 10-13 cm-es távolságban vonzási tulajdonságuk van, azonban lényegesen kisebb távolságokon taszító erőkké alakulnak. Ezt a tulajdonságot egy taszító mag jelenléte magyarázza a nukleáris erőkben. Nagy energiájú proton-proton szórás elemzésével fedezték fel. A nukleáris erők vonzási tulajdonsága az atommagok puszta létezéséből következik.

3. Nukleáris erők vannak rövid hatású. Hatásuk sugara 10-13 cm nagyságrendű. A rövid hatótávolságú tulajdonság a deuteron és az α részecske kötési energiáinak összehasonlításából származott. Ez azonban már Rutherford kísérleteiből is következik az α-részecskék magok általi szórásával kapcsolatban, ahol a mag becsült sugara ~10-12 cm.

4. Az atomerők csere jellegűek. A cserélhetőség egy alapvetően kvantumtulajdonság, amelynek köszönhetően a nukleonok ütközés közben át tudják adni egymásnak töltéseiket, pörgéseiket, sőt koordinátáikat is. A csereerők megléte közvetlenül következik a nagyenergiájú protonok protonokon való szóródásával kapcsolatos kísérletekből, amikor a szórt protonok fordított áramlásában más részecskéket - neutronokat - észlelnek.

5. A nukleáris kölcsönhatás nemcsak a távolságtól függ, hanem a kölcsönható részecskék spineinek relatív orientációjától is, valamint a spinek orientációjáról a részecskéket összekötő tengelyhez képest. A nukleáris erők spintől való függése a lassú neutronok orto- és parahidrogénen történő szóródásával kapcsolatos kísérletekből következik.

Az ilyen függés megléte egy kvadrupólmomentum jelenlétéből is következik, ezért a magkölcsönhatás nem központi, hanem tenzoros, azaz. a teljes spin és a spin vetület kölcsönös orientációjától függ. Például, ha a spinek n és p orientációjúak, a deuteron kötési energiája 2,23 MeV.

6. A tükörmagok tulajdonságaiból (a tükörmagokat olyan atommagoknak nevezzük, amelyekben a neutronokat protonok, a protonokat pedig neutronok helyettesítik) az következik, hogy a (p, p), (n, n) vagy (n, p) közötti kölcsönhatási erők ) ugyanazok. Azok. létezik az atomerők töltésszimmetriájának tulajdonsága. A nukleáris erők ezen tulajdonsága alapvető, és azt a mély szimmetriát jelzi, amely két részecske között létezik: a proton és a neutron között. Töltésfüggetlenségnek (vagy szimmetriának) ill izotópos invarianciaés lehetővé tette, hogy a protont és a neutront ugyanazon részecske - a nukleon - két állapotának tekintsük. Az izotópos spint Heisenberg vezette be először tisztán formálisan, és általánosan elfogadott, hogy egyenlő T = -1/2 - ha a nukleon neutron állapotban van, és T = +1/2, amikor a nukleon proton állapotban van. . Tételezzük fel, hogy létezik valamiféle háromdimenziós tér, az úgynevezett izotóp, amelynek nincs kapcsolata a közönséges derékszögű térrel, és minden részecske ennek a térnek az origójában helyezkedik el, ahol nem tud transzlációsan mozogni, hanem csak forog, és ennek megfelelően ezen a téren saját szögimpulzus (pörgés). A proton és a neutron különböző orientációjú részecskék izotópos tér a neutron pedig 180 fokkal elforgatva protonná változik. Az izotópos invariancia azt jelenti, hogy a kölcsönhatás bármely két nukleonpárban azonos, ha ezek a párok azonos állapotban vannak, azaz. A nukleáris kölcsönhatás invariáns az izotóptérben történő forgások tekintetében. A nukleáris erők ezt a tulajdonságát izotópos invarianciának nevezzük.

7.Az atomerők telítettségi tulajdonsággal rendelkeznek. A nukleáris erők telítettségének tulajdonsága abban nyilvánul meg, hogy az atommag kötési energiája arányos az atommagban lévő nukleonok számával - A, és nem A 2, azaz. A magban lévő egyes részecskék nem lépnek kölcsönhatásba az összes környező nukleonnal, hanem csak korlátozott számmal. A nukleáris erők ezen tulajdonsága a könnyű atommagok stabilitásából is következik. Lehetetlen például a deuteronhoz újabb és újabb részecskéket adni, csak egy ismert mint ez kombináció egy további neutronnal – tríciummal. Egy proton tehát legfeljebb két neutronnal kötött állapotokat alkothat

8. Még 1935-ben Yukawa japán fizikus, Tamm ötleteit kidolgozva, azt javasolta, hogy bizonyos más részecskék is felelősek a nukleáris erőkért. Yukawa arra a következtetésre jutott, hogy léteznie kell egy más típusú, az elektromágneseshez hasonló, de más jellegű mezőnek, amely előre jelezte a köztes tömegű részecskék létezését, pl. mezonok, amelyeket később kísérleti úton fedeztek fel.

A mezonelmélet azonban még nem tudta kielégítően megmagyarázni a magkölcsönhatást. A mezonelmélet hármas erők létezését feltételezi, azaz. három test között cselekszik, és eltűnik, amikor az egyik a végtelenbe mozdul. Ezeknek az erőknek a hatássugara fele a normál páros erőknek.

Ebben a szakaszban a mezonelmélet nem tud mindent megmagyarázni, ezért megvizsgáljuk

1. A nukleáris erők fent felsorolt ​​tulajdonságainak megfelelő potenciál fenomenológiai szelekciója – ez az első megközelítés, és továbbra is a második megközelítés.

2. a nukleáris erők csökkentése a mezonmező tulajdonságaira.

Ebben az esetben a deuteron elemi elméletét vesszük figyelembe az első út mentén.

A meghatározott számú protonból és neutronból álló atommag egyetlen egész az atommag nukleonjai között ható sajátos erők miatt, és ún. nukleáris. Kísérletileg bebizonyosodott, hogy a nukleáris erők nagyon nagyok, sokkal nagyobbak, mint a protonok közötti elektrosztatikus taszító erők. Ez abban nyilvánul meg, hogy a sejtmagban a nukleonok fajlagos kötési energiája sokkal nagyobb, mint a Coulomb-taszító erők által végzett munka. Nézzük a fő a nukleáris erők jellemzői.

1. A nukleáris erők azok rövid hatótávolságú vonzó erők . A nukleonok között csak nagyon kis távolságban jelennek meg a 10–15 m nagyságrendű magban nukleáris erők tartománya, növekedésével a nukleáris erők gyorsan csökkennek. (2-3) m nagyságrendű távolságban a nukleonok közötti nukleáris kölcsönhatás gyakorlatilag hiányzik.

2. Az atomerők rendelkeznek a tulajdonsággal telítettség, azok. minden nukleon csak bizonyos számú legközelebbi szomszéddal lép kölcsönhatásba. A nukleáris erők ilyen jellege a töltésszámon lévő nukleonok fajlagos kötési energiájának hozzávetőleges állandóságában nyilvánul meg A>40. Valójában, ha nem lenne telítés, akkor a fajlagos kötési energia a magban lévő nukleonok számával nőne.

3. A nukleáris erők sajátossága az is töltésfüggetlenség , azaz nem függenek a nukleonok töltésétől, így a protonok és a neutronok közötti magkölcsönhatások azonosak. A nukleáris erők töltésfüggetlensége a kötési energiák összehasonlításából látható tükörmagok . Így nevezik azokat az atommagokat, amelyekben a nukleonok összszáma ugyanannyi, de az egyikben a protonok száma megegyezik a másikban lévő neutronok számával. Például a hélium és a nehézhidrogén-trícium atommagok kötési energiája 7,72 MeVés 8.49 MeV. Ezen atommagok kötési energiáinak különbsége, amely 0,77 MeV, megfelel az atommagban lévő két proton Coulomb-taszításának energiájának. Feltételezve, hogy ez az érték egyenlő -vel, akkor megállapíthatjuk, hogy az átlagos távolság r Az atommagban lévő protonok közötti távolság 1,9·10 –15 m, ami összhangban van a nukleáris erők hatássugárával.

4. Nukleáris erők nem központiak és a kölcsönható nukleonok spineinek kölcsönös orientációjától függenek. Ezt igazolja az orto- és parahidrogénmolekulák általi neutronszórás eltérő természete. Az ortohidrogénmolekulában mindkét proton spinje párhuzamos egymással, míg egy parahidrogénmolekulában antiparallel. Kísérletek kimutatták, hogy a parahidrogénen a neutronszórás 30-szor nagyobb, mint az ortohidrogénen.

A nukleáris erők összetett természete nem teszi lehetővé a nukleáris kölcsönhatás egységes, következetes elméletének kidolgozását, bár számos különböző megközelítést javasoltak. H. Yukawa (1907-1981) japán fizikus hipotézise szerint, amelyet 1935-ben javasolt, a nukleáris erőket a csere - mezonok, i.e. elemi részecskék, amelynek tömege körülbelül 7-szer kisebb, mint a nukleonok tömege. E modell szerint egy nukleon az időben m- mezon tömeg) mezont bocsát ki, amely a fénysebességhez közeli sebességgel haladva megtesz egy távolságot , ami után a második nukleon felszívja. Viszont a második nukleon is mezont bocsát ki, amit az első elnyel. H. Yukawa modelljében tehát a nukleonok kölcsönhatásának távolságát a mezon úthossza határozza meg, ami kb. més nagyságrendileg egybeesik a nukleáris erők hatássugárával.

Térjünk rá a nukleonok közötti cserekölcsönhatás figyelembevételére. Vannak pozitív, negatív és semleges mezonok. A töltés - vagy - mezonok modulusa numerikusan egyenlő az elemi töltéssel e . A töltött mezonok tömege azonos és egyenlő (140 MeV), mezon tömege 264 (135 MeV). Mind a töltött, mind a semleges mezon spinje 0. Mindhárom részecske instabil. A - és - mezonok élettartama 2,6 Vel, - mezon – 0,8·10 -16 Vel. A nukleonok közötti kölcsönhatás a következő sémák egyike szerint történik:

1. A nukleonok mezonokat cserélnek: . (22,8)

Ebben az esetben a proton mezont bocsát ki, amely neutronná alakul. A mezont egy neutron nyeli el, ami ennek következtében protonná alakul, majd ugyanez a folyamat ellenkező irányban megy végbe. Így a kölcsönhatásban lévő nukleonok mindegyike az idő egy részét töltött, egy részét pedig semleges állapotban tölti.

2. Nukleoncsere - mezonok:

3. Nukleoncsere - mezonok:

, (22.10)

Mindezek a folyamatok kísérletileg igazoltak. Az első folyamat különösen akkor igazolódik, amikor egy neutronnyaláb áthalad a hidrogénen. A nyalábban mozgó protonok jelennek meg, és ennek megfelelő számú, gyakorlatilag nyugvó neutront detektálnak a célpontban.

Kernel modellek. Alatt kernel modell a magfizikában olyan fizikai és matematikai feltevések halmazát értik, amelyek segítségével kiszámíthatóak egy olyan magrendszer jellemzői, amelyek A nukleonok.

A mag hidrodinamikai (csepp) modellje Azon a feltételezésen alapul, hogy az atommagban lévő nukleonok nagy sűrűsége és a köztük lévő rendkívül erős kölcsönhatás miatt az egyes nukleonok önálló mozgása lehetetlen, és az atommag egy csepp töltött folyadék, amelynek sűrűsége .

A kernel shell modellje Feltételezi, hogy minden nukleon a többitől függetlenül mozog valamilyen átlagos potenciálmezőben (az atommag fennmaradó nukleonjai által jól létrehozott potenciál).

Általánosított kernelmodell, egyesíti a hidrodinamikus és héjmodellek alkotóinak főbb rendelkezéseit. Az általánosított modellben feltételezzük, hogy a mag egy belső stabil részből áll - a magból, amelyet a töltött héjak nukleonjai alkotnak, és a külső nukleonok, amelyek a mag nukleonjai által létrehozott mezőben mozognak. Ebben a vonatkozásban a mag mozgását egy hidrodinamikai modell, a külső nukleonok mozgását pedig egy héjmodell írja le. A külső nukleonokkal való kölcsönhatás következtében a mag deformálódhat, és a mag a deformációs tengelyre merőleges tengely körül foroghat.

26. Atommagok hasadási reakciói. Atomenergia.

Nukleáris reakciók Az atommagok egymással vagy más atommagokkal vagy elemi részecskékkel való kölcsönhatása által okozott átalakulásoknak nevezzük. Az első üzenet egy nukleáris reakcióról E. Rutherfordé. 1919-ben felfedezte, hogy amikor a részecskék áthaladnak a nitrogéngázon, egy részük elnyelődik, és egyidejűleg protonokat bocsátanak ki. Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy a nitrogénmagok átalakultak oxigén atommagokká a következő formájú nukleáris reakció eredményeként:

, (22.11)

ahol − egy részecske; − proton (hidrogén).

A nukleáris reakció fontos paramétere az energiahozam, amelyet a következő képlet határoz meg:

(22.12)

Itt és a részecskék maradék tömegének összege a reakció előtt és után. Amikor a magreakciók energia elnyelésével mennek végbe, ezért nevezik őket endoterm, és mikor – az energia felszabadulásával. Ebben az esetben úgy hívják hőtermelő.

Bármely nukleáris reakcióban a következők mindig teljesülnek: természetvédelmi törvények :

− elektromos töltés ;

– a nukleonok száma;

− energia;

− impulzus.

Az első két törvény lehetővé teszi a magreakciók helyes felírását olyan esetekben is, amikor a reakcióban részt vevő részecskék egyike vagy annak termékei ismeretlenek. Az energia- és impulzusmegmaradás törvényei segítségével meghatározható a reakciófolyamat során képződő részecskék kinetikus energiája, illetve az azt követő mozgási irányok.

Az endoterm reakciók jellemzésére bevezetjük a fogalmat küszöb mozgási energia , vagy nukleáris reakció küszöbértéke , azok. egy beeső részecske legalacsonyabb kinetikus energiája (a referenciarendszerben, ahol a célmag nyugalomban van), amelynél a magreakció lehetséges. Az energia- és impulzusmegmaradás törvényéből következik, hogy a nukleáris reakció küszöbenergiáját a következő képlettel számítjuk ki:

. (22.13)

Itt van a magreakció energiája (7.12); -stacionárius mag tömege – cél; a magra eső részecske tömege.

Hasadási reakciók. 1938-ban O. Hahn és F. Strassmann német tudósok felfedezték, hogy amikor az uránt neutronokkal bombázzák, néha olyan atommagok jelennek meg, amelyek körülbelül feleakkorák az eredeti uránmag méreténél. Ezt a jelenséget nevezték el maghasadás.

Ez az első kísérletileg megfigyelt nukleáris átalakulási reakció. Példa erre az urán-235 atommag egyik lehetséges hasadási reakciója:

A maghasadás folyamata nagyon gyorsan, ~10-12 másodperc alatt megy végbe. A (22.14)-hez hasonló reakció során felszabaduló energia körülbelül 200 MeV az urán-235 mag hasadási eseményénként.

Általában az urán-235 mag hasadási reakciója a következőképpen írható fel:

+neutronok . (22.15)

A hasadási reakció mechanizmusa az atommag hidrodinamikai modelljének keretein belül magyarázható. E modell szerint, ha egy neutront egy uránmag elnyel, gerjesztett állapotba kerül (22.2. ábra).

A többletenergia, amelyet az atommag a neutron elnyelése miatt kap, a nukleonok intenzívebb mozgását okozza. Ennek eredményeként a mag deformálódik, ami a rövid távú nukleáris kölcsönhatás gyengüléséhez vezet. Ha az atommag gerjesztési energiája nagyobb, mint egy bizonyos ún aktiválási energia , majd a protonok elektrosztatikus taszítása hatására az atommag két részre szakad, kibocsátva hasadási neutronok . Ha egy neutron abszorpciója során a gerjesztési energia kisebb, mint az aktiválási energia, akkor az atommag nem éri el

a maghasadás kritikus szakaszában, és egy kvantumot kibocsátva visszatér a főbe