Раздел 9 Ядерная физика и физика элементарных частиц. Современная физическая картина мира.

Раздел 9. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА И ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

9.1. АТОМНОЕ ЯДРО.

9.1.1. Характеристики ядер: заряд, размер, масса. Массовое и зарядовое числа. Момент импульса ядра и его магнитный момент. Состав ядра по Иваненко и Гейзенбергу. Нуклоны. Невозможность существования электронов в атомном ядре.

Опыты Резерфорда в 1911 году показали, что внутри атома имеется положительно заряженное ядро, локализованное в области

~10 -15м, имеющее массу, практически равную массе всего атома.

В 1913 году ученик Резерфорда Г.Мозли показал, что

заряд ядра кратен порядковому номеру элемента

втаблице Менделеева.

В1919 году Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, превратив азот в кислород, и открыл протон.

В 1932 году ученик Резерфорда английский физик Дж.Чедвик открыл нейтрон.

Тогда советский физик Д.Д Иваненко высказал идею о том, что

ядро состоит из протонов и нейтронов.

Эта идея была развита немецким физиком В.Гейзенбергом.

Итак, ядро состоит из протонов и нейтронов, имеющих общее название - нуклоны.

Характеристики ядра : зарядовое Z и массовое А числа.

Зарядовое число Z равно количеству протонов

вядре и порядковому номеру элемента

втаблице Менделеева.

Заряд ядра равен +Ze (е - элементарный заряд).

Массовое число А равно количеству нуклонов в ядре.

Масса ядра равна массовому числу А, выраженному в атомных единицах массы (а.е.м.).

Количество нейтронов в ядре равно N = A - Z.

Для обозначения ядер применяют символ: AZX , где Х - химический символ элемента.

К середине 2012 года известно 118 химических элементов и

около 1500 ядер, отличающихся либо Z, либо А, либо тем и другим.

Из них 94 обнаружены в природе, остальные 24 получены искусственно в результате ядерных реакций. Пятая часть этих ядер устойчива, остальные - нестабильны, самопроизвольно распадаются и являются радиоактивными.

Самым тяжёлым из официально признанных в мае 2012 года элементов является 116-й - ливерморий. 114-й элемент назван флеровием.

Названия сверхтяжёлых элементов с номерами 113, 115, 117, 118, полученные в 2002- 2010 годах в России и США, официально пока не утверждены.

Ядра с одинаковым Z, но разным А называются изотопами (126 С,136 С) . Ядра с одинаковым А называются изобарами ( 4020 Са, 4018 Ar) .

Ядра с одинаковым N называются изотонами ( 136 С , 147 N ) .

Ядра с одинаковыми Z и А, но разным периодом полураспада Т1/2 называются изомерами.

В 1924 году Паули объяснил сверхтонкую структуру спектральных линий наличием у ядер

собственного момента импульса (спина) и собственного магнитного момента.

Спин ядра равен векторной сумме спинов отдельных его нуклонов и их орбитальных моментов импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра.

Нуклоны в атомных ядрах являются фермионами и имеют спин, равный /2.

Спин всего ядра в целом квантуется:

Lя= I(I 1) ,

где I=0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... - полное внутреннее ядерное спиновое квантовое число.

Ядра с нечётным числом нуклонов имеют полуцелое значение I и являются фермионами.

Ядра с чётным числом нуклонов имеют целое значение I и являются бозонами.

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которые и определяют магнитный момент ядра в целом.

Между спином ядра и его магнитным моментом

существует соотношение: рmя = я Lя ,

где я = е/(2mp) - ядерное гиромагнитное отношение, mp - масса протона.

где Б = е /(2mp) - ядерный магнетон Бора.

Ядерный магнетон в 1836 раз меньше электронного магнетона (mp/mе=1836).

Поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.

Направления спина и магнитного момента у протона одинаковы, а у нейтрона – противоположны :

рmр = 2,79 Б ; рmn = - 1,91 Б .

9.1.2. Взаимодействие нуклонов в ядре и понятие о свойствах и природе ядерных сил. Обменное взаимодействие.

Внутри ядра на расстоянии ~10-15м между нуклонами возникает очень сильное взаимное притяжение, значительно превышающее кулоновское отталкивание между протонами.

Ядерное или сильное взаимодействие является

одним из четырёх видов взаимодействий в природе.

Отличительные особенности ядерных сил :

1) короткодействие - на расстояниях больших 10-15м оно перестаёт действовать; 2) зарядовая независимость - действует между нуклонами независимо от их протонного или нейтронного состояния;

3) свойство насыщения - нуклон взаимодействует только с ограниченным

числом ближайших к нему соседних нуклонов;

4) нецентральность - ядерные силы не действуют вдоль линии, соединяющей центры нуклонов;

5) зависимость от ориентации спинов нуклонов.

Сильное (ядерное) взаимодействие обусловлено тем, что

нуклоны осуществляют его, обмениваясь друг с другом виртуальными частицами, называемыми -мезонами (пионами),

то есть является одним из видов обменного взаимодействия.

Виртуальные (воображаемые) частицы -мезоны не могут быть обнаружены изолированно за время их существования.

Пионы могут иметь положительный заряд - +, отрицательный заряд- - или быть нейтральными - 0.

Заряд пиона численно равен

элементарному заряду е.

Масса заряженных пионов одинакова и равна 273me , масса нейтральных пионов равна 264me .

Спин пионов (любых) равен 0.

Время жизни заряженных пионов равно 2,60.10-8с, нейтральных - 8.10-7с.

В результате этих виртуальных процессов каждый нуклон оказывается окружённым облаком виртуальных пионов, создающих поле ядерных сил.

Поглощение пионов нуклонами и приводит к сильному взаимодействию между ними.

Обменное взаимодействие между нуклонами можно описать условно такими формулами:

Существование виртуальных пионов объясняет

наличие магнитного момента у нейтрона и аномально большого магнитного момента у протона.