Ядерные силы. Модели ядра

Нуклоны в ядре удерживаются за счет особых сил, называемых ядерными. Ядерное взаимодействие получило название сильного взаимодействия, т.к. эти силы в миллионы раз превышают силы электромагнитного взаимодействия.

Основные свойства ядерных сил:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные силы являются короткодействующими – их действие проявляется на расстояниях ;

3) ядерные силам свойственна зарядовая независимость – ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Значит, ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

4) ядерные силы не являются центральными – не действуют вдоль линии, соединяющей центры частиц;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например, протон и нейтрон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода , только в том случае, если их спины параллельны друг другу;

6) ядерные силы обладают свойством насыщения – это означает, что каждый нуклон взаимодействует не со всеми остальными, а с ограниченным числом нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной.

Как известно из электродинамики, взаимодействие между заряженными частицами осуществляется посредством электромагнитного поля. Такое поле можно представить как совокупность фотонов с энергией h v, тогда взаимодействие двух заряженных частиц можно объяснить обменом фотонами. Например, - взаимодействие между электронами. Причем, эти фотоны являются виртуальными, т.е. их нельзя обнаружить за время взаимодействия между частицами.

В 1934 г. И.Е.Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также осуществляется посредством каких-то виртуальных частиц. В 1935 г. японский физик Юкава высказал гипотезу о том, в ядрах протоны и нейтроны с чудовищной быстротой как бы обменивается частицами, которые обладают массой, в 200-300 раз большей, чем электрон. Позднее эти частицы назвали «мезонами». В 1947 г. в космических лучах обнаружили частицы, которые назвали p -мезоны (пионы). Строение нуклона в настоящее время представляется следующим.

В центре нуклонов находится ядро-керн, радиус которого 0,3×10^–15 м. Керн окружен «облаком», состоящим из мезонов. Носителями ядерных сил являются p-мезоны, или пионы; существуют положительный (p⁺), отрицательный (p^–) и нейтральный (p⁰) мезоны. Время жизни p ⁺- и p^–-мезонов равно 2,6 × 10^–8 с, а p⁰-мезона – 0,8× 10^–16 с. Массовые числа . В результате виртуальных процессов, т.е. процессов, которые не мо­гут быть обнаружены за время их протекания, происходят следующие превращения:

; ; ;

Эти предположения подтвердились на опытах по рассеиванию нейтронов на ядрах водорода.

Модели ядра. Для описания поведения ядер пользуются различными теориями. Одним из методов изучения свойств атомного ядра является метод моделей ядра. Метод моделей основан на внешней аналогии свойств атомного ядра со свойствами соответствующей модели. Ядерные модели можно разделить на группы: капельная, оболочечная, обобщенная, оп­тическая и др. Ни одна из существующих моделей не может дать исчер­пывающего ответа обо всех свойствах атомного ядра и характеризует лишь определенные его свойства. Каждую модель используют при рассмотре­нии определенного круга ядерных процессов. Наиболее распространенными из них являются две: капельная и оболочечная.

1. Капельная модель ядра (1936; Н.Бор и Я.И.Френкель). Эта модель основана на аналогии между поведением нуклона в ядре и поведением молекул в капле жидкости:

- ядерные силы между нуклонами и сила взаимодействия между молекулами в жидкости имеют малый радиус действия, т.е. являются короткодействующими;

- ядерные силы обладают свойством насыщения: каждый нуклон, как и каждая молеку­ла в капле, взаимодействует только с ограниченным числом нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра;

- плотность ядерного вещества приблизительно постоянна и не зависит от числа нуклонов, входящих в ядро. И для капли жид­кости при данных внешних условиях характерна постоянная плотность ее вещества;

- ядерные частицы, как и молекулы жидкости, обладают определен­ной подвижностью;

- энергия притяжения нуклонов в ядре аналогична энергии межмоле­кулярного взаимодействия в капле жидкости. С увеличением числа про­тонов, входящих в ядро, энергия связи уменьшается за счет действия кулоновских сил, что соответствует снижению устойчивости капли жидко­сти с увеличением числа молекул в капле;

- нуклоны, находящиеся на «поверхности» ядра, испытывают силы, аналогичные силам поверхностного натяжения, действующим на молекулу жидкости, находящуюся на ее поверхности;

- при возбуждении ядра энергия распределяется между нуклонами статистическим образом подобно тому, как распределяется энергия, передаваемая жидкости при ее нагревании.

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 объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядер. Она допускает изменение формы ядра при сохранении объема. Это может привести к делению капли-ядра на части. Однако эта модель не смогла, например, объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

2. Оболочечная модель (1949-1950; американский физик М.Гепперт-Майер и немецкий физик X.Иенсен). 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. Расстояние между уровнями порядка МэВ. При переходе с одного уровня на другой происходит излучение g-квантов. Считается, что ядра с полностью заполнен­ными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магичес­кие) ядра действительно существуют (например, дважды магические ядра – ). 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.

Date: 2015-05-19; view: 605; Нарушение авторских прав