8

Ядерная физика

§ 2 Энергия связи ядра. Модели ядра (окончание)

Зависимость от не является гладкой, существуют отдельные пики. Для объяснения этой зависимости предприняты попытки построения теории (модели) ядра. При этом моделирование связано с двумя основными трудностями: 1) недостаточная изученность сил, действующих между нуклонами в ядре; 2) громоздкость квантовой задачи, обусловленное большим количеством (равному массовому числу) частиц. Каждая из предложенных моделей описывает некоторую совокупность свойств ядер. Полной исчерпывающей модели не существует.

Капельная модель (предложена Френкелем в 1939 г. и развита Бором)

Силы, действующие между нуклонами, являются короткодействующими (также как и силы между молекулами в жидкости). Одинаковая плотность вещества в разных ядрах свидетельствует о малой сжимаемости ядерного вещества (малой сжимаемостью обладают и жидкости). Поэтому ядро можно представить как заряженную капельку жидкости.

Оболочечная модель (развита Марией Гепперт-Майер)

Считается, что нуклоны движутся независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. Поэтому существуют дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки. Полностью заполненная оболочка образует особо устойчивое образование. К ним относятся ядра, для которых или равны следующим числам: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа назвали магическими. Ядра, у которых и , и являются магическими числами, называют дважды магическими. Таких ядер всего пять:

.

Эти ядра являются наиболее устойчивыми. И таким образом оболочечная модель объясняет существование пиков в зависимости от .

§ 3 Ядерные силы

В ядре между протонами действуют силы кулоновского отталкивания. Однако ядро представляет собой устойчивое образование. Это говорит о том, что между нуклонами в ядре действуют «ядерные силы», имеющие не электромагнитную природу. Взаимодействие, осуществляемое ядерными силами между нуклонами, получило название сильного взаимодействия (это одно из четырех известных фундаментальных взаимодействий).

Свойства ядерных сил (сильного взаимодействия)

1. являются самыми мощными в природе;

2. являются короткодействующими, проявляются на расстояниях порядка 1…10 ферми, при этом на расстояниях ферми являются силами притяжения, а на расстояниях ферми – силами отталкивания;

3. носят обменный характер;

4. не зависят от заряда нуклонов, т.е. пары p-p, n-n и p-n взаимодействуют одинаково;

5. обладают насыщением (каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов);

6. зависят от ориентации спинов нуклонов в ядре.

По современным представлениям каждое фундаментальное взаимодействие носит обменный характер. Например, переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны (кванты электромагнитного поля). Взаимодействие между частицами, обладающими электрическим зарядом (электронами и другими), осуществляется посредством непрерывного испускания и поглощения фотонов:

,

при этом энергия . Возникает кажущееся нарушение закона сохранения энергии. Это нарушение, согласно принципу неопределенностей Гейзенберга, является допустимым, если время испускания или поглощения , где . Испускаемые и поглощаемые частицы (фотоны) с кажущимся нарушением закона сохранения энергии называют виртуальными (мнимыми).

Квантом ядерных сил являются -мезоны: , нейтральный и . Заряды и по абсолютной величине равны элементарному заряду . В мезонной теории показано, что каждый нуклон в ядре находится в некотором виртуальном состоянии, т.е. нуклон окружен «шубой» виртуальных частиц -мезонов. Между нуклонами происходят взаимодействия:

При сильных неупругих соударениях протонов на нейтронах (энергия > 400 МэВ) были экспериментально обнаружены случаи выбивания -мезонов из мезонной «шубы» нуклона:

.

В этом случае -мезон становится реальной частицей (она является элементарной).

Мезонная теория носит качественный характер. В настоящее время не существует удовлетворительной количественной теории ядерных сил.