Ядерная физика
.pdfОСНОВЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Основные свойства ядер Состав ядра
qатома 0
qp 1,6 10 19 Кл
m p 1,6726 10 27 кг
qn |
0 |
1,6749 10 27 кг |
|
m |
|
|
n |
|
Заряд ядра определяется суммарным зарядом его
протонов.
q я Ze
Z – зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента в системе Менделеева
Z X |
A |
Х – символ химического элемента; |
|
||
|
|
Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре;
А - массовое число ядра, равное общему числу нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре
А = Z + N
N – число нейтронов в ядре
А - Z =N
Нуклоны (протоны и нейтроны), как и электроны, являются фермионами, т.е. они обладают
полуцелым спином, равным 1
2
Ядра с одинаковым зарядовым числом Z , но разными массовыми числами А называются изотопами (имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов).
1Н1 – ядро легкого водорода Z=1, A=1, N=0;
1Н2 – ядро тяжелого водорода (дейтерия) Z=1, A= 2, N=1; 1Н3 – ядро тяжелого водорода (трития) Z=1, A=3, N=2
Ядра с одинаковым массовым числом А, но разными зарядовыми числами Z ,называются изобарами.
104 Be |
105 B |
106 C |
|
|
|
3 |
|
|
|
Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре |
Rя3 |
A |
|||||||
4 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Радиус ядра задается эмпирической формулой: |
|
|
R A1 3 |
||||||
|
|
|
R |
я |
|||||
где R0 = (1,3÷1,7) 10-15 |
м. |
|
|
|
0 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
Модели ядра
1. Капельная модель
Атомное ядро рассматривается как сферическая капля заряженной жидкости несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью ≈1014 г/см3.
Основанием для такой аналогии послужило то, что плотность ядерного вещества у всех ядер вблизи линии стабильности приблизительно одинакова, что говорит о его несжимаемости.
Кроме того, с жидкостью ядерное вещество сближает и свойство насыщения ядерных сил.
Модели ядра
2. Оболочная модель
Нуклоны, подобно электронам в атоме, движутся независимо друг от друга в усредненном поле остальных нуклонов ядра.
Имеются дискретные энергетические уровни нуклонов, заполненные с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находится определенное число нуклонов.
Полностью заполненные оболочки образуют наиболее стабильные ядра (в которых количество нуклонов равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).
В оболочечной модели спин ядра складывается из суммы спинов и орбитальных моментов отдельных нуклонов.
Ядерные силы
- это фундаментальные силы, действующие между нуклонами и удерживающие их в ядре.
Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия.
Особенности ядерных сил
1.Только силы притяжения
2.По сравнению с электромагнитными силами в сотни раз сильнее
3. Короткодействующие (на расстоянии порядка 10-14 м друг от друга)
4.Обладают зарядовой независимостью (одинаково между протоном и протоном, нейтроном и нейтроном, протоном и нейтроном)
5.Не являются центральными
6.Зависят от ориентации спинов
7.Обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом соседних нуклонов.
Сильное взаимодействие объясняется на основе предположения об обменном характере этих сил, т.е. взаимодействие между двумя нуклонами может осуществляться благодаря обмену третьей частицей, названной пионом.
Протон испускает виртуальный (непосредственно ненаблюдаемый) положительный пион ( -мезон), превращаясь в нейтрон. Пион поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратом порядке.
1 |
р1 |
+ |
0 |
n1 |
0 |
n1 |
+ |
1 |
+ |
0 |
n1 |
|
0 |
n1 + |
1 |
р1. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Масса пиона: |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 10 34 |
|
|
2 10 28 кг |
||||||||
|
R |
|
с |
|
|
|
15 |
|
8 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
я.с |
|
1,5 |
10 |
3 10 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оказалась промежуточной между массами электрона и протона, что отражено в названии этой частицы («мезо» – средний).
Дефект массы и энергия связи нуклонов в ядре
Масса покоя ядра Мя всегда меньше суммы исходных масс входящих в него нуклонов, т.е.
Мя < (Z mp + N mn).
Всякому изменению массы соответствует изменение энергии. Следовательно, при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Очевидно и обратное – энергия связи равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить ядро на нуклоны и удалить их на такие расстояния, при которых они практически не воздействуют друг на друга.
Энергия связи ядра – это энергия, необходимая разделения ядра на составляющие его нуклоны.