30. Ядерные силы. Атомное ядро

Взаимодействие ядер между собой свидетельствует о том, что в ядрах существует особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными и представляют собой проявление сильного взаимодействия.

Свойства ядерных сил: 1) Короткодействующими 2) Ядерные силы обладают зарядовой независимостью 3) Ядерным силам свойственно насыщения 4) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов 5) Ядерные силы не являются центральными, т.е. не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов, о чем свидетельствует их зависимость от ориентации спинов нуклонов.

Модели атомного ядра. В теории атомного ядра очень важную роль Играют модели, достаточно хорошо описывающие сравнительно простую математическую трактовку. К настоящему времени из-за сложного характера ядерных сил и трудности точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра еще нет законченной теории ядра, которая бы объясняла все его свойства.

Рассмотрим две следующие модели ядра:

1) Капельная модель. В этой модели принимается, что ядро ведет себя подобно капле несжимаемой заряженной жидкости с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики. Таким образом, ядро рассматривается как непрерывная среда и движение отдельных нуклонов не выделено.

2) Оболочечная модель. В этой модели нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле остальных нуклонов ядра. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируется в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Учитывается спин-орбитальное взаимодействие нуклонов. В ядрах. за исключением самых детских, осуществляется j-j связь.

31. Ядерные реакции

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или гамма-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер . Резерфорд бомбардировал атомы азота альфа-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

7N14 + 2He4 ---- 8O17 + 1p1

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (то есть числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, альфа-частицы, ионы).

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями. Энергия быстрых электронов заключена в пределах от 0,1 МэВ до 50 МэВ. Энергия медленных электронов не превышает 100 кэВ.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина Q = (MA + MB – MC –MD)c2 = ?Mc2.

A+ B --- C+D

A,B -исходные продукты, C,D- конечные продукты, где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ?M называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ?M должна быть положительной. Под удельной энергией связи понимается отношение энергии связи к числу нуклонов в ядре

Eуд. = Есв/A, где Есв – энергия связи , А – число нуклонов.