
- •1. АТОМНОЕ ЯДРО
- •1.1. Состав атомного ядра
- •1.2. Характеристики атомного ядра
- •1.3. Магнитный момент, спин и радиус ядра
- •1.4. Дефект массы и энергия связи атомного ядра
- •1.5. Модели атомных ядер
- •1.5.1. Капельная модель ядра
- •1.5.2. Оболочная модель ядра
- •1.5.3 Обобщенная модель ядра
- •1.5.4. Сверхтекучая модель ядра
- •1.6. Ядерные силы
- •Контрольные вопросы
- •2. РАДИОАКТИВНОСТЬ
- •2.1. Естественная и искусственная радиоактивность
- •2.2. Закон радиоактивного распада
- •2.3. Альфа-распад
- •2.4. Бета-распад
- •2.8. Эффект Мёссбауэра
- •Контрольные вопросы
- •3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ИИ) С ВЕЩЕСТВОМ
- •3.1. Прохождение ядерных заряженных частиц через вещество
- •3.2. Прохождение электронов (e-) и позитронов (e+) в веществе
- •3.3. Прохождение нейтронов через вещество
- •3.5. Доза излучения. Единицы измерения радиоактивности
- •Контрольные вопросы
- •4. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
- •4.1. Основные типы ядерных реакций
- •4.3. Цепная реакция. Коэффициент размножения нейтронов
- •4.4. Ядерные реакторы и атомная электростанция (АЭС)
- •4.4.1. Ядерные реакторы
- •4.4.2. Атомная электростанция и ядерная энергетика
- •Контрольные вопросы
- •5. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ (СИНТЕЗ)
- •5.1. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС)
- •Контрольные вопросы
- •6.2. Солнечные космические лучи
- •6.3. Вторичные космические лучи
- •6.4. Радиационные пояса Земли
- •Контрольные вопросы
- •7.2. Характеристики частиц
- •7.3. Лептоны
- •Основные каналы распада лептонов следующие (в скобках указана вероятность распада):
- •7.4. Странные частицы (СЧ)
- •7.5. Изоспин протона и нейтрона
- •7.6. Резонансы
- •7.7. Античастицы
- •7.8. Кварки
- •7.9. Адронные струи
- •7.10. Открытие t -кварков
- •7.11. Калибровочные бозоны
- •7.12. Глюоны
- •7.13. Переносчики слабых взаимодействий
- •7.14. Стандартная модель
- •Контрольные вопросы
- •ПРИЛОЖЕНИЯ
- •Современная периодическая система элементов Д.И. Менделеева
- •Литература
- •Содержание
Как известно, в четно-четных ядрах все нуклоны спарены и спины этих ядер равны нулю. Чтобы перевести четно-четные ядра в возбужденное состояние, надо разорвать связь пары нуклонов, т.е. требуется затрата большой энергии, что приводит к образованию энергетической щели, подобно как в сверхпроводниках. На основе этой аналогии Н.Н. Боголюбов в 1958 г. впервые указал на возможность существования сверхтекучести ядерного вещества. Теорию сверхтекучего состояния ядра построили в 1959 г. С.Т. Беляев и В.Г. Соловьев.
1.6. Ядерные силы
Выше приведены данные, которые показывают, что атомные ядра являются устойчивыми и обладают большой удельной энергией связи (до 8,7 Мэв/нук). Ввиду этого возникает вопрос, действием каких сил обусловлена прочная связь нуклонов внутри ядра.
Известно, что между нуклонами действует гравитационная сила притяжения Fгр , а между электрически заряженными протонами, кроме гравитационной силы, – кулоновская сила отталкивания Fкл, которая намного больше гравитационной (Fкл>> Fгр). Если кроме них нет других сил, то атомное ядро под действием кулоновской силы отталкивания должно распасться. Однако, как выше упомянуто, ядро – устойчивое образование. Следовательно, можно предположить, что внутри ядра, кроме вышеуказанных сил, между нуклонами действуют силы иной природы, которые названы ядерными и которые обусловлены сильным взаимодействием между нуклонами.
Ядерные силы обладают некоторыми особенностями:
1. Они являются короткодействующими силами. Радиус их действия имеет порядок r0 ~10−15 м, то есть если радиус действия
сил (r ) больше 10−15 м (r > r0 ), то ядерные силы притяжения быстро спадают, а если r << r0 , то притяжение нуклонов сменяется
отталкиванием.
2. Ядерные силы зарядово-независимы, т.е. они действуют между протонами (p − p), между нейтронами (n − n), а также
23
между протоном и нейтроном (p − n) и имеют одинаковую вели-
чину.
3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода (D – дейтон), только в том случае,
если их спины параллельны друг другу (↑↑).
4.Ядерные силы не являются центральными, т.е. они не направлены вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.
5.Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это значит, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении их количества сначала резко возрастает, а затем практически не изменяется.
Теория ядерных сил очень сложна и не имеет законченного вида, который объяснил бы и предсказал все многообразие их свойств.
Первыми данную теорию в виде гипотезы предложили Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм в 1934 г. Их гипотеза, основанная на теории
β-распада Ферми, состояла в том, что ядерное взаимодействие
осуществляется через поле, квантами которого являются элек- тронно-нейтринные пары, и нуклоны обмениваются этими парами между собой. Теория не имела успеха.
В 1935 г. японский физик Юкава, используя известные в то время характеристики ядерных сил и соотношение неопределенностей энергия-время ∆W ∆t ≥ , предсказал, что ядерные силы обусловлены тем, что нуклоны обмениваются между собой виртуальными гипотетическими частицами, массы которых составляют порядка 200 −300 me ( me − масса электрона). Эти гипотетические
частицы назвали мезонами (средние). В квантовой механике виртуальными считаются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Позже из свойств ядерных сил вывели, что должно существовать три сорта мезонов – положительные, отрицательные и нейтральные, и наблюдаться они должны не только в виртуальном, но и в свободном состоянии. Начались поиски этих частиц.
24

В1937 г. К. Андерсон и С. Недермайер обнаружили в космических лучах частицу с массой примерно 200 me , которую назвали
µ-мезоном (мюоном). Мюон не имел отношения к ядерным силам.
В1947 г. С. Пауэлл и Д. Оккиалини в космических лучах обнаружили новые мезоны, массы которых составляли примерно
270 me . Они были названы π -мезонами (пионами). Пионы суще-
ствуют в виде π+ ,π− ,π0 . Они являются переносчиками ядерных сил. То есть два нуклона, находясь на малом расстоянии друг от
друга r ≤ mc, обмениваются виртуальными пионами. При этом возможны четыре типа обмена:
p ↔ p + π0 , n ↔ n + π0 , p ↔ n + π+ , n ↔ p + π− .
Масса заряженных пимезонов π± – 273 me (140МэВ), время жизни – 2,6 10−8 с. Масса пимезона π0 – 246 me , время жизни –
8 10−17 с .
Основная идея Юкава о существовании виртуальных частиц состоит в следующем. Из-за соотношения неопределенностей за
время обмена ∆t ~ ∆W виртуальными частицами между нукло-
нами может быть нарушен закон сохранения энергии в пределах ∆W . Допустим, промежуточная виртуальная частица, осуществляющая ядерное взаимодействие, обладает массой m . Тогда при испускании и поглощении энергии происходит «нарушение» зако-
на ее сохранения на величину ∆W = mc2 . Пусть частица движется между нуклонами со скоростью света, а расстояние между нуклонами составляет Rs ( Rs – радиус действия ядерных сил ~ 10-15 м).
Тогда время прохождения частицы ∆t ≈ Rs c . Подставляя это значение в соотношение неопределенностей, получим:
mc2 |
R s |
= , |
m ≈ |
|
≈ |
1,1 10−34 |
≈ 3,4 10−28 кг . |
|
R c |
10−15 3 10−8 |
|||||
|
c |
|
|
|
|||
|
|
|
|
s |
|
|
|
Масса электрона me = 9,1 10−31 кг . Отсюда
25