|
Херсонський державний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фізики |
КВАНТОВА ФІЗИКА Лекція 5.6. Ядерна фізика |
|
|
|
|---|---|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.6.
ЯДЕРНА ФІЗИКА-
Експериментальні методи ядерної фізики. Склад ядра. Заряд і масове число ядра. Ядерні сили
Ядра
атомів побудовані з частинок, котрі
мають загальну назву “нуклони”.
Два типи нуклонів, протони та нейтрони,
розрізняються передусім за електричним
зарядом. Протон має позитивний заряд,
який дорівнює елементарному заряду
Кл., тоді як нейтрон має нульовий
електричний заряд, є нейтральним. Втім
у нуклонів є можливість взаємного
перетворення: нейтрон поза ядром досить
швидко розпадається на пару: протон +
електрон (плюс ще одна мікрочастинка,
яка забирає надлишок енергії і має назву
антинейтрино), а перетворення ядерного
протона на нейтрон з випроміненням
позитрона (антиелектрона) спостерігається
під час радіоактивних
-розпадів
штучно радіоактивних ядер. Тому інколи
протон та нейтрон вважаються однією
частинкою, нуклоном, яка може мати два
різних зарядових стани:
|
|
(5.6.1) |
нейтрон та протон, згідно до ядерної реакції (5.6.1), яка за різних умов може йти у двох протилежних напрямах.
Всі
нуклони мають однаковий, і до того ж
квантований, власний механічний (та
пропорційний до нього магнітний) момент
імпульсу, який називається спіном:
його проекції на довільну полярну вісь
приймають лише два можливих значення
,
а квадрат модуля спінового механічного
моменту дорівнює, як і у електрона
.
Отже, нуклони є типовими ферміонами, на
які розповсюджується принцип заборони
Паулі.
|
Частинка |
Маса спокою (а.о.м) |
Маса спокою (МеВ) |
Електричний заряд (Кл) |
Спіновий момент |
|
протон |
1.007596 |
938,2 |
+1.6х10-19 |
|
|
нейтрон |
1.008986 |
939,5 |
0 |
|
Близькими
є також маси нуклонів: маса протону
становить 1836,1 електронних мас, а маса
нейтрона трохи більша і перевершує
електронну масу в 1838,6 разів. Масу нуклонів
часто визначають у так званих атомних
одиницях маси: одна така а.о.м. дорівнює
1/12 маси ядра вуглецю. Або в енергетичних
одиницях, умножаючи масу на квадрат
швидкості світла
(користуючись пропорційністю маси та
енергії
).
Одній атомній одиниці маси відповідає
енергія у 931 МеВ.
Кількість
нуклонів у ядрі позначатимемо цілим
числом
(масовим числом), кількість протонів –
числом
,
яке співпадає з порядковим номером
елементу в періодичній таблиці Мендєлєєва
та кількістю електронів у атомі. Кількість
нейтронів, зрозуміло, дорівнює
.
Для існуючих у природі ядер число
приймає всі значення від 1 до 92 (від водню
до урану). Ядра з однаковим числом
можуть містити різну кількість нейтронів,
однак, при цьому вони відповідають
одному хімічному елементу і містяться
в одній клітинці таблиці Мендєлєєва.
Такі
ядра називають ізотопами.
Довершеної
теорії ядерних сил у фізиці ще немає.
Втім відносно взаємодії нуклонів у
складі ядра дещо встановлено досить
надійно. Наприклад, можна стверджувати,
що системи з двох протонів (
),
або з двох нейтронів (
),
і навіть пари типу (
),
мають майже однакові по своїх властивостях
квантові стани. Про таку властивість
ядерних сил кажуть як про їх зарядову
незалежність.
Так звані дзеркальні ядра, або ядра, котрі відрізняються одне від одного лише заміною всіх протонів на нейтрони (і, зрозуміло, навпаки ), демонструють надзвичайну близькість більшості своїх фізичних властивостей як от, наприклад, енергії зв’язку, енергетичного спектру, тощо. Цей факт є підтвердженням зарядової незалежності ядерних сил (або зарядової симетрії).
Специфічні
ядерні сили, котрі діють поміж нуклонами
в складі ядра, насамперед відомі як
короткодіючі
сили,
вони демонструють експоненціальне
зменшення з характерним радіусом ~
м. Ядерні сили тяжіння поміж нуклонами
в ядрі значно перевершують кулонівські
електричні сили відштовхування поміж
протонами, проте тільки у межах ядра.
Поза межами ядра ситуація змінюється:
кулонівські сили домінують над
короткодіючим ядерними силами.
Типові
значення модулів швидкості нуклонів в
ядрі наближаються до чверті від швидкості
світла. Оцінку для невизначеності
швидкості
легко отримати з принципу невизначеності
Гейзенберга
|
|
(5.6.2) |
якщо
в (5.6.2) підставити масу нуклона та типове
значення діаметру ядра
м. Більш легкі частинки, наприклад
електрон, або позитрон, не можуть бути
локалізовані у межах атомного ядра (для
них
).
В нерелятивістському наближенні можна
казати, що ядерні сили не залежать від
швидкостей руху нуклонів і належать до
потенціальних сил.
Потенційна
енергія взаємодії двох нуклонів (
)
залежить не лише від відстані між ними
(
),
але також від взаємної орієнтації
векторів їх спінів (
),
причому спінова
залежність потенційної енергії ядерних
сил
зовсім не є слабкою.
Ядерні сили взагалі не є адитивними. Це означає, що взаємодію в системі, яка складається з понад двох нуклонів, не можна звести до суми попарних взаємодій нуклонів.
Дослідні результати також свідчать про те, що із збільшенням кількості нуклонів у ядрі, система нуклонів поступово починає поводити себе як своєрідна “ядерна речовина” , об’єм та енергія якої зростає пропорційно до кількості нуклонів. Властивість ядерних сил, пов’язану із цим явищем, називають насиченням ядерних сил. Термін „насичення” означає також, що певний нуклон в ядрі взаємодіє не з усіма іншими нуклонами ядра, а лише з невеликою кількістю своїх найближчих сусідів по спільній оболонці.
Пропорційність
поміж об’ємом ядерної речовини (
)
та кількістю нуклонів обох типів (
)
в ядрі має вигляд:
|
|
(5.6.3) |
де
величина
м
згідно з експериментальними оцінками.
Підсумовуючи можна констатувати, що ядерні сили є
-
короткодіючими,
-
зарядово незалежними,
-
спіново залежними,
-
насиченими.