20.2. Ядерні сили та моделі ядра

Між нуклонами, що складають ядро, на відстанях менших м існує сильна взаємодія. Вона породжує особливий вид сил, які називаються ядерними. Ядерні сили мають такі характеристики

• вони є силами тяжіння,

• короткодіючі з радіусом дії ,

• зарядове незалежні,

• мають властивість насичуватися з ростом числа найближчих сусідних нуклонів у ядрі,

• залежать від напрямків спінів нуклонів у ядрі,

• вони не є центральними (консервативними).

Носіями ядерних сил є -мезони (піони). Існують позитивний - , негативний -та нейтральний -. Піонимають заряд рівний заряду електрона е, а їх маси однакові та рівні 273=140 МеВ. Маса нейтрального піона дорівнює 264=135 МеВ. Спіни усіх трьох піонів дорівнюють нулю. Ці частинки не стабільні. Заряджені піони мають час життя, а нейтральний -. Заряджені піони розпадаються, утворюючи відповідні за знаком-мезони (мюони) та мюонні нейтрино та антинейтрино

,.

Існує дуже мала частина інших схем розпаду заряджених піонів. Нейтральний піон в 98.8% випадках розпадається на два -кванти

,

а в інших випадках можливі такі схеми розпаду

,.

У свою чергу -мезони є не стабільними і розпадаються, утворюючи електрон (позитрон) і електронні нейтрино та антинейтрино одночасно

,.

Маса мюонів складає 207(106 МеВ), час життя, їх спін дорівнює.

Зв'язок між нуклонами здійснюється попарно, шляхом взаємообміну віртуальними піонами,(див.) тобто такими, що не можуть бути виявлені за час свого життяпроміжку часу між випромінюванням піона одним нуклоном та поглинанням його другим нуклоном. У процесах обміну віртуальними частинками порушується закон збереження енергії. Але це явище знаходиться у відповідності із принципом невизначеності, згідно якого енергія системи Е може відхилятися на величинупротягом часу. Схеми обміну піонами при взаємодії можуть бути такими

20.3. Фізичні моделі ядра

Існують різні моделі ядра, які описують ті чи інші його властивості. Серед них виділяються дві: крапельна та оболонкова моделі.

Крапельна модель. Одною з перших моделей ядра була крапельна модель. Вона віддзеркалює подібність насичення ядерних сил у ядрі й сил тяжіння між молекулами в краплі рідини, при сталій густині речовини. На основі крапельної моделі одержана формула (формула Вайцзекера), для визначення енергії зв'язку між нуклонам у важких ядрах, що знаходяться у основному стані,

,

де для парно-парних ядер (ядра містять парне число протонів і парне число нейтронів) ідля непарно-непарних ядер. Крапельна модель справджується для ядер із великими масовими числами, але вона не враховує спінових характеристик взаємодії.

Крапельна модель ядра застосовується у поясненні розпаду складового проміжного (компаунд) ядра ядерної реакції, коли надлишкова енергія у результаті випадкової флуктуації сконцентрується на одній з частинок і вона при цьому може покинути ядро. Цей процес схожий на процес випаровування молекул рідини при низьких температурах. Крапельна модель досить успішно пояснює стійкість основних станів ядер по відношенню до спонтанного ділення.

Оболонкова модель. Серед хімічних елементів виділяються атоми інертних газів, властивості яких пояснюються заповненістю зовнішних електронних оболонок. Серед ядер існують ядра з певними числами протонів і нейтронів, які різко виділяються за енергією звязку.

Цей факт спонукав зробити припущення, що ядра, як і атоми, мають оболонкову структуру енергій нуклонів. Особливо високу стабільність мають ядра, у яких число протонів і нейтронів співпадають з одним із так званих магічних чисел (2, 8, 20, 50, 82, 126, 152). Ці ядра мають такі особливості

• вони мають максимуми енергії звязку;

• найбільш поширені у природі;

• мають малу імовірність захвату нейтронів;

• мають сферичну симетрію;

• при поділі ядра урану утворюються два осколки з великою ймовірністю, що один із них має 50, а інший – 82 нейтрони.

Існують ядра з двічі магічними числами - ядра, в яких число протонів і число нейтронів є магічним: ,,,,.

Ці експериментальні дані дозволяють припустити, що магічні числа протонів та нейтронів утворюють особливо стійкі замкнені оболонки.

Аналогічно, як для атома, для ядра вводиться поняття енергетичної оболонки з головним квантовим числом та підоболонки з орбітальними та магнітними квантовими числами. Оболонки заповнюються нуклонами згідно принципу Паулі. Найбільш стійкими є ядра з повністю заповненими оболонками. В оболонковій моделі достатньо зрозумілими стають поняття спіну і магнітного моменту ядра, -випромінювання, періодичність змін властивостей. Оболонкова модель справджується для легких ядер і ядер в основному стані.