Модели атомного ядра.

Построение теории ядра затруднено 1) недостаточностью знаний о силах, действующих между наклонами и 2) сложностью квантовомеханической задачи многих тел. Поэтому существует несколько моделей, каждая из которых описывает лишь некоторую совокупность свойств ядра.

Капельная модель ядра была предложена в 1939 г. Я.Френкелем и развита Н.Бором и др. В основе модели лежит сходство атомного ядра с каплей жидкости, которое выражается в короткодействующем характере сил, как межмолекулярных, так и действующих между нуклонами в ядре. Капельная модель позволила описать процесс деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель, развитая Марией Гепперт-Майер и др., предполагает, что нуклоны движутся независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. Тогда существует дискретные уровни энергии нуклонов в ядре, которые группируются в оболочки, и заполняются нуклонами в соответствии с принципом запрета Паули.

В соответствии с экспериментальными данными наиболее устойчивыми оказываются ядра, у которых число протонов, либо нейтронов, либо оба этих числа равны

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Эти числа называются магическими, и соответствуют полностью заполненным оболочкам. Дважды магические ядра:

Ядерные силы

Ядерное взаимодействие отличается высокой интенсивностью и носит характер притяжения, удерживая нуклоны в ядре на расстояниях порядка 1фм. Ядерные взаимодействия называются сильными и описываются с помощью ядерных сил:

1) Ядерные силы являются короткодйствующими ( r1 фм);

2) Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклона, т.е. является зарядовонезависимым;

3) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов ( в дейтроне спины нуклонов параллельны);

4) Ядерные силы не являются центральными;

5) Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Поэтому удельная энергия ядра не растет, а остается примерно постоянной.

6) Ядерные силы имеют обменный характер.

В электродинамике взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле, которое есть совокупность фотонов. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Тогда процесс взаимодействия между заряженными частицами можно представить как обмен фотонами. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не реальными, а виртуальными.

e^-  e^- +ħ

Суммарная энергия электрона и фотона больше, чем для покоящегося электрона, т.е. имеет место нарушение закона сохранения энергии. Однако, если виртуальный фотон поглощается за время t ħ/ ħ, определяемое соотношением неопределенности, то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено. При сообщении дополнительной энергии виртуальный фотон может стать реальным.

В 1934 г. И.Е.Тамм высказал предположение об обменном характере сильных взаимодействий. В 1935 г. Юкава высказал предположение о существовании частиц с массой , в 200-300 раз больше электронной, и в 1936 г. Андерсоном и Неддмейером были обнаружены частицы с m=207m_e. Эти частицы были названы -мезонами, однако впоследствии выяснилось, что они очень слабо взаимодействуют с нуклонами и не могут переносить сильные взаимодействия. В 1947 г. в космических лучах были открыты частицы с примерно m=270m_e, которые были названы -мезонами, которые и оказались носителями сильного взаимодействия.

Существуют ⁺, ^-, ⁰ мезоны, все они в свободном состоянии нестабильны. Виртуальные - мезоны образуют поле ядерных сил вокруг каждого нуклона. Поглощение этих мезонов другими нуклонами приводит к сильному взаимодействию, например

p + n  n+ ⁺ + n  n + p.

Этот процесс находит экспериментальное подтверждение. При прохождении пучка нейтронов через водород в этом пучке появляются протоны, имеющие ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в водородной мишени. Вероятность того, что такое большое число нейтронов передаст свою энергию протонами в результате лобового удара, практически равна нулю. Поэтому считается установленными, что часть нейтронов захватывает виртуальные мезоны, превращаясь в протоны.

Если нуклону сообщить дополнительную энергию, то мезон может стать реальным.