Državni tehnički univerzitet u Obninsku

Nuklearna energija

Katedra za nuklearnu fiziku

L.N. Pustynsky

Bilješke sa predavanja o nuklearna fizika

Udžbenik za predmet "Nuklearna i neutronska fizika".

Elektronska verzija.

Obninsk, 2003

Pustynsky L.N. Sažetak predavanja iz nuklearne fizike. Udžbenik za predmet "Nuklearna i neutronska fizika".Elektronska verzija. - Obninsk, IATE, 2003. -215 str.

Priručnik predstavlja elektronsku verziju zapisnika sa predavanja koje je autor održao na predmetima "Nuklearna fizika" i "Nuklearna i neutronska fizika" u akademskim 1999-2003. za različite univerzitetske specijalnosti. Priručnik je napisan u potpunosti u skladu sa programima rada i može se preporučiti kao glavni priručnik u pripremi za polaganje ispita iz predmeta koji se predaju. Autor se zahvaljuje prof. V.S. Stavinskog za vrijedne i korisne primjedbe i odaje mu počast.

© L.N. Pustynsky, 2003

Poglavlje 1. Struktura i glavne karakteristike atomska jezgra

Sada je čvrsto utvrđeno i nema sumnje da se atom sastoji od elektrona (J. Thomson, 1897) i jezgra (E. Rutherford, 1911). Atomska jezgra imaju niz pojedinačnih svojstava koja omogućavaju razlikovanje jezgara pojedinih hemijskih elemenata jedno od drugog, a istovremeno su opšte karakteristike za sve jezgre.

Atomska jezgra mogu biti stabilan, tj. živeti na neodređeno vreme, i nestabilno doživljava spontane (spontane) radioaktivne transformacije.

Sva atomska jezgra imaju sljedeće karakteristike: broj nukleona u jezgru; električni naboj jezgra; masa jezgra; energija vezivanja jezgra; veličina jezgra; nuklearni spin; magnetni i električni momenti jezgra; parnost valne funkcije; izotopski spin; statistika.

Nestabilna jezgra imaju niz dodatnih karakteristika, kao što su tip radioaktivne transformacije, prosječni vijek trajanja i energija koja se oslobađa tokom raspada.

Jezgra mogu biti u različitim energetskim stanjima i, kao i svaki kvantni sistem, imaju svoj individualni, svojstven samo jezgru datog nuklida, sistem energetskih nivoa. Stanje jezgra sa najnižom energijom naziva se osnovni, ostalo - uzbuđen. Jezgra u pobuđenim stanjima su nestabilna i, za razliku od osnovnih stanja, mogu biti u pobuđenim stanjima ograničeno vrijeme, doživljavajući spontane prelaze u stanja sa nižom energijom.

U nastavku će biti pokazano (vidi §1.7) da je podjela na stabilna, nestabilna i pobuđena jezgra donekle uslovna, budući da se mogu okarakterisati nizom zajedničkih svojstava.

§1.1. Protonsko-neutronska struktura jezgra.

Sve supstance se sastoje od molekula. Molekule se pak sastoje od atoma. Atom se sastoji od jezgra i elektronske ljuske. Veličina atoma određena je elektronskom ljuskom i jednaka je ≈ 10 -8 cm. Jezgro - centralni masivni dio atoma ima dimenzije ≈ 10 -13 10 12 cm(1 – 10fm(fermi)). Posljedično, veličina jezgra je 10 4 - 10 5 puta manja od atoma.

Jezgro se sastoji od posebnih čestica (Heisenberg, Ivanenko) - protona(Rutherford, 1919) i neutroni(Chadwick, 1932). Proton ima jedan pozitivan elementarni električni naboj, a električni naboj neutrona je nula. Između ovih čestica u bilo kojoj kombinaciji parova postoje posebne (nuklearne) sile koje ne ovise o električni nabojčestice koje osiguravaju vezu pojedinih protona i neutrona sa jezgrom. Stoga se u nuklearnoj fizici koristi opći termin nukleon, označavajući bilo koju od čestica koje čine jezgro, i proton i neutron.

Broj nukleona u jezgru označava se slovom A i naziva se maseni broj.

Broj protona u jezgru je označen slovom Z. Osim toga, Z je broj elektrona u atomu s jezgrom koje ima Z protona, budući da je atom električno neutralan. Jer Hemijska svojstva elementi su određeni brojem elektrona u atomu, odnosno Z je također redni ili atomski broj element u periodnom sistemu.

Broj neutrona u jezgru je označen slovom N. Dakle, broj neutrona u jezgru je N=A–Z.

Bilo koji od tri para brojeva (Z,N), (N,A) ili (A,Z) jedinstveno određuje sastav jezgra. Obično se, iz razloga koji će biti navedeni u nastavku, koristi par brojeva (A, Z).

Atom s jezgrom koje ima određene vrijednosti A i Z naziva se nuklid, i skup nuklida sa istim Z- hemijski element. Broj Z u potpunosti određuje hemijski element, a brojevi Z i A određuju nuklid. Za označavanje nuklida koriste se dva oblika zapisa: (A, Z) ili

, gdje je X simbol hemijskog elementa. Na primjer, (12.6) ili

je odgovarajući nuklid ugljenika. Budući da je simbol hemijskog elementa jedinstveno povezan sa Z, često se atomski broj u obliku zapisa koji označava simbol hemijskog elementa izostavlja i jednostavno piše

. Ista notacija se koristi za jezgra.

Nuklidi čija jezgra imaju isti broj protona Z, ali se razlikuju po broju nukleona A nazivaju se izotopi hemijskog elementa. Supstance koje u svom sastavu imaju atome izotopa imaju ista hemijska svojstva, ali različitu gustinu, tačku topljenja, tačku ključanja itd., tj. razlikuju po fizičkim svojstvima. Na primjer:

izotopi vodonika. 1 H - protij (laki vodonik); 1 H - deuterijum (teški vodonik, takođe koristite simbol D, za jezgro - d); 3 H - tricij (superteški vodonik, također koristite simbol T, za jezgro d); 233 U, 235 U, 238 U su izotopi uranijuma. Međutim, ima smisla govoriti o izotopu, implicirajući da on pripada hemijskom elementu. Prema tome, 235 U je fisilni nuklid uranijuma, a ne fisijski izotop uranijuma. Na isti način, 3 H je radioaktivni nuklid vodika, a ne radioaktivni izotop, jer se u ovom slučaju podrazumijevaju fizičke karakteristike jezgra, a ne odgovarajuća hemijska svojstva atoma.

Nuklidi čija jezgra imaju isti broj nukleona (isti maseni broj A), ali različit broj protona Z nazivaju se izobare. Na primjer: 3 H i 3 He su izobare tritijuma i helijuma, 10 Be, 10 B, 10 C su izobare berilija, bora i ugljika.

Zovu se nuklidi sa istim brojem neutrona u jezgru izotoni. Na primjer, 2 H i 3 He su izotoni vodonika i helijuma.

OD svojstva jezgara različitih nuklida mogu se sistematizirati pomoću proton-neutronski dijagram(Segre dijagrami) - tabela čiji redovi odgovaraju nuklidima sa istim brojem protona, a kolone odgovaraju nuklidima sa istim brojem neutrona. Na slici 1.1.1 prikazan je princip konstruisanja proton-neutronskog dijagrama na primeru nuklida sa lakim jezgrima. Proton-neutronski dijagram za sve poznate nuklide prikazan je na slici 1.1.2.

Uočavamo sljedeće empirijske činjenice i pravilnosti koje slijede iz proton-neutronskog dijagrama atomskih jezgara.

1. Poznato je više od 2000 nuklida, od kojih su 265 stabilni nuklidi.

2. Nuklidi sa zvaničnim nazivima imaju Z od 0 (neutron) do 109 (meitnerijum). Za jezgra koja postoje u prirodi, Z varira od 1 (vodonik) do 92 (uranijum).Ostali nuklidi se dobijaju veštački. Ne postoje stabilni nuklidi sa Z= 0, 43, 61 i Z84.

3. Nuklidi su poznati sa brojem nukleona A od 1 do 263 uključujući. Nema stabilnih nuklida na A = 5,8 i na A210.

4. Područje proton-neutronskog dijagrama, gdje se nalaze β‑stabilni nuklidi (osenčena traka 1 na slici 1.1.2), naziva se put stabilnosti. Lako stabilni nuklidi (do Z≤ 20) sadrže približno jednak broj protona i neutrona u jezgru. Kako se maseni broj A povećava, relativni udio neutrona raste. Na primjer, za laki nuklid

N/Z = 1, za prosječni nuklid

N/Z = 1,15, za teški nuklid

N/Z = 59. Vodeći rast broja neutrona kod velikog A uzrokovan je djelovanjem dalekometnih Kulombovih sila međusobnog odbijanja protona u jezgru.

5. Većina hemijskih elemenata ima nekoliko stabilnih i -aktivnih nuklida. Neki elementi imaju (vidi sliku 1.1.1) samo po jedan stabilan nuklid (9 Be, 19 F, 23 Na), ostali imaju po 2 ÷ 3 stabilna nuklida. Kalaj (Sn) ima deset stabilnih nuklida.

6. Iznad staze stabilnosti su β + -aktivni nuklidi, ispod - β - -aktivni nuklidi.

7. Osobine jezgara u suštini zavise od parnosti brojeva Z i N. Najveći broj stabilnih nuklida (155 od 265) ima parno-parno jezgro (Z-parno, N-parno), jednako stabilne nuklide (svaki po 53) sa parno-neparnim i neparno-parnim brojem nukleona u jezgrima. A postoje samo četiri stabilna nuklida (2 H, 6 Li, 10 V i 14 N), koji imaju neparan-neparan sastav jezgara.

Jezgro bilo kojeg atoma, osim lakog atoma vodika, sastoji se od čestica - nukleoni dvije vrste: Z protone i N neutroni. Neutron je 1932. otkrio James Chadwick, u isto vrijeme Karl Anderson - pozitron. Jezgro lakog atoma vodika sastoji se od jednog protona.

Proton otvorena je naelektrisana čestica – qp = +e. Masa protona je m str= 1,67265 10 -27 kg. U nuklearnoj fizici je uobičajeno da se energija čestica izražava u jedinicama energije (eV), za šta se masa pomnoži s kvadratom brzine svjetlosti c 2, zatim masa protona m p = 938,26 MeV. Proton ima spin jednak s = 1/2.

Neutron takođe ima spin s= 1/2. Njegova masa je bliska masi protona i iznosi m n\u003d 1,67495 10 -27 kg ili u jedinicama energije (eV) m p = 939,55 MeV. Međutim, neutron nema električni naboj. U slobodnom stanju, neutron je radioaktivan, spontano se raspada, pretvarajući se u proton. U tom slučaju se oslobađa antineutrino.

Neutron je stabilan u jezgru.

Atom je karakteriziran brojem naboja Z(što je jednako broju protona u jezgru). Broj Z određuje atomski broj u periodnom sistemu. Masovni broj A=N+Z pokazuje ukupan broj nukleona u jezgru. Masa svih nukleona A daje glavni doprinos masi čitavog atoma. Jezgro se još naziva i nuklidom. Usvojena shema nuklida ima sljedeći oblik: Osim nukleona, u jezgru nema drugih čestica. No, nukleoni nisu elementarne čestice: svaki od njih se sastoji od tri kvarka, o čemu će biti riječi u drugom predavanju.

Atomi čija jezgra imaju isti broj naboja Z i razne masene brojeve A, imaju ista hemijska svojstva i nazivaju se izotopi. Izotopi istog hemijskog elementa razlikuju se jedni od drugih samo po broju neutrona u jezgru. Većina supstanci sa istim atomima Z su mješavina različitih izotopa. Dakle, vodonik, ugljenik i kiseonik imaju po 3 izotopa: - obični vodonik, - deuterijum, - tricijum; ; ; Kalaj ima 10 izotopa.

Atomi čija jezgra imaju isti maseni broj A, su pozvani izobare. Izobare, tj. jezgra sa različitim Z, odgovaraju jezgrima atoma raznih hemijski elementi.

U Rutherfordovim eksperimentima raspršivanja α -čestica na atomima materije, utvrđeno je da jezgra imaju konačnu veličinu. Prošlo je dosta vremena od tog trenutka, ali eksperimenti o raspršivanju čestica na atomskim jezgrama i dalje su najpoželjniji u određivanju veličine jezgra. Pošto elektroni doživljavaju samo elektrostatičku interakciju sa jezgrama, distribucija naelektrisanja unutar jezgra se proučava pomoću rasejanja elektrona. Distribucija nuklearne materije unutar jezgre prosuđuje se po raspršenju neutrona, budući da se u ovom slučaju interakcija između čestica svodi samo na određenu nuklearnu. Da bi jezgro "osjetilo" upadnu česticu, uzimajući u obzir mase, energija elektrona mora biti najmanje 124 MeV, a energija neutrona mora biti najmanje 8 MeV. Eksperimenti sa elektronima i neutronima različitih (ali koji zadovoljavaju određene uslove) energija su pokazali da je zapremina jezgra proporcionalna broju nukleona u njegovom sastavu:

U jezgrima sa spinom većim ili jednakim 1, zaista se uočava odstupanje od sfernog oblika. Takva jezgra mogu biti sabijeni ili produženi elipsoidi okretanja, a razlika između njihove velike i male osi nikada ne prelazi 20% i po pravilu je mnogo manja. U prvoj aproksimaciji, jezgro se može smatrati loptom, poluprečnik jezgra je ovako: (13.3)

Konstantno R0≈ 1,3·10 –15 m. Njegova približna vrijednost je zbog činjenice da se vrijednost radijusa jezgra, dobivena raspodjelom nuklearne materije, razlikuje od vrijednosti polumjera dobivenog iz raspodjele naboja. To znači da su naboj i materija raspoređeni unutar jezgra na drugačiji način.

U okviru nuklearne teorije koristi se količina 1 fermi = 1 f= 10 -15 m.

Tada je poluprečnik jezgra .

Nuklearni spin I je ukupni ugaoni moment jezgra. Za jezgro sa masenim brojem A jednako je: (13.4)

U ovom izrazu, prvi član desno je jednak ukupnom momentu spina nukleona, a drugi član je jednak ukupnom orbitalnom momentu nukleona u jezgru. Vrijednosti Si i l i određuju se vrijednostima odgovarajućih kvantnih brojeva: s str = s n= 1/2 i l = 0, 1, 2, ...

Magnetski moment jezgra μ i je zbir intrinzičnih magnetnih momenata protona i neutrona i orbitalnih magnetnih momenata protona (neutron ima nulti orbitalni magnetni moment za bilo koji l).

Dakle, jezgro sadrži A nukleoni. Međutim, ne formiraju sve kombinacije protona i neutrona stabilne jezgre. To je zbog postojanja nivoa nuklearne energije. Pošto su i protoni i neutroni fermioni (njihov spin s = 1/2), tada na svakom nivou ne može biti više od dva protona i dva neutrona. Nivoi se popunjavaju po principu minimiziranja sistema ujedinjenih čestica. Na primjer, razmotrite dva izotopa i . Njihova prva dva nivoa (slika 13.1) su ispunjena na isti način.

Rice. 13.1 Stabilni izotop ugljika i nestabilan izotop bora

Na poslednjem nivou, 12. neutron se nalazi u nuklidu, dok u isto vreme, na prethodnom nivou, nema dovoljno protona dok se potpuno ne popuni. Energija sistema od tri neutrona i jednog protona biće veća od energije sistema od dva protona i dva neutrona. Stoga izotop neće biti stabilan i brzo će se raspasti. Istovremeno, izotop (koji sadrži 5 protona i 6 neutrona) je stabilan.

U lakim jezgrima ( A< 20), как правило, число протонов и нейтронов одинаково (или отличается не единицу в случае ядер с нечетным числом нуклонов, причем число нейтронов обязательно više broja protoni). U teškim jezgrima udio neutrona postaje sve veći. U takvim jezgrima, pored principa minimizacije energije, značajno se pokazuje i kulonsko odbijanje protona. U jezgrima sa više od 10 protona, ovo odbijanje je toliko snažno da za stabilnost jezgra, ova sila mora biti nečim kompenzirana. Između neutrona djeluju samo privlačne nuklearne sile. Dakle, povećanje broja neutrona u sastavu jezgra dovodi do ravnoteže sila, tj. na stabilnost kernela.

13.2. Osnovni modeli: drip i shell

Za objašnjenje svojstava jezgara, procesa koji se odvijaju uz njihovo učešće, kao i za predviđanje mogućih novih efekata, potrebno je izgraditi takvu teoriju jezgra koja bi ispravno i u potpunosti opisala sve nuklearne pojave. Ovo je veoma težak zadatak, jer specifičnost kernela ne dozvoljava jednostavne načine za dobijanje informacija o internim procesima i strukturi. Štaviše, kernel je sistem veliki brojčestice. Matematički problem već u slučaju 3 - 4 tijela u interakciji postaje rješiv samo uz pomoć kompjuterske tehnologije visokih performansi. Izgradnja kvalitativnih modela je zaobilazno rješenje koje omogućava korištenje relativno jednostavnih matematičkih zakona za opisivanje skupa svojstava jezgara.

Jedan od ovih modela je model kapanja- predložio je Ya. I. Frenkel 1939. godine, a zatim ga je razvio N. Bor. Frenkel je skrenuo pažnju na činjenicu da nukleoni u jezgri, baš kao i molekuli u kaplji tečnosti, stupaju u interakciju sa ograničenim brojem čestica u blizini. Ekstremno niska kompresibilnost nuklearne materije upotpunila je analogiju s tekućinom. S obzirom da jezgro sadrži određeni broj pozitivno nabijenih protona, u okviru ovog modela jezgro treba smatrati naelektriziranom kapljicom.

Rice. 13.2. Kapljični model jezgra

Model kapljice omogućava izvođenje poluempirijske formule za energiju vezivanja u jezgri. Sistem nukleona preferira stanje sa maksimalnom vrijednošću energije veze. U ovom slučaju postoji niz sila čije prisustvo smanjuje vrijednost ukupne energije.

Da bi se odredila zavisnost specifične energije vezivanja jezgra od broja nukleona, potrebno je uvesti energiju U, koji karakteriše svaku vezu nukleon-nukleon. Svaki od para nukleona čini polovinu ove energije. Iz geometrijskih razmatranja slijedi da je svaki nukleon okružen sa 12 nukleona kratkog reda. Tada je zapreminska energija jezgra: (13.5)

gdje A broj nukleona u jezgru stavljamo proizvod 6U = a.

Zapravo, u svakom jezgru, neki od nukleona se nalaze na površini jezgra i imaju manje od 12 "susjeda". Stoga se mora uzeti u obzir površinska energija. Ima značajnu ulogu u lakim jezgrima, u kojima se većina nukleona nalazi na površini.

Uzimajući u obzir formulu (13.3), dobijamo da je površina jezgra jednaka: (13.6)

Površinska energija je negativna i proporcionalna površini jezgra, dakle:

(13.7)

Postojanje površinske energije određuje sklonost jezgra da poprimi sferni oblik, što daje minimalnu površinu i, posljedično, minimalnu vrijednost površinske energije za dati volumen (broj nukleona). Dakle, sferni oblik odgovara minimalnom smanjenju ukupne energije vezivanja jezgra. Isto tako i sile površinski napon uzrokuju da kap tečnosti poprimi oblik kugle ako na nju ne djeluju vanjske sile.

Elektrostatičke odbojne sile između svakog para protona u jezgri određuju još jednu korekciju ukupne energije vezivanja jezgra. To je ekvivalentno poslu koji se mora obaviti da se spoji iz beskonačnosti Z protona do zapremine jednake zapremini jezgra. U jezgri koja sadrži Z protona, ovaj rad je proporcionalan broju protonskih parova i obrnuto proporcionalan poluprečniku jezgra (13.3):

(13.8)

Kulonova energija je također negativna, jer je posljedica odbijanja nukleona, tj. ima za cilj razbijanje veza u jezgru.

ukupna energija jezgrene veze E St je zbir zapreminske, površinske i Kulonove energije:

Odakle dolazi specifična energija vezivanja jezgra, tj. energija po nukleonu je:

Na sl. 13.3 emisije eksperimentalne zavisnosti različite vrste energije na broj nukleona u jezgru.

Upoređujući odgovarajuće krivulje sa teorijskim zavisnostima dobijenim u okviru modela kapljice jezgra, možemo reći da se ova teorija može koristiti u teorijskim proračunima nekih parametara jezgra i za objašnjenje niza efekata.

13.3. Ovisnost specifične energije vezivanja atomskog jezgra o broju nukleona

Model školjke razvili su laureati nobelova nagrada Amerikanka Maria Goeppert-Mayer i Nijemac Johan H. D. Jensen.

Prema ovom modelu, nukleoni u jezgru ne stupaju u interakciju jedni s drugima (kao što se pretpostavlja u modelu kapljice), već sa usrednjenim centralno simetričnim polje sile. Slična situacija se ostvaruje u višeelektronskom atomu, gdje se kretanje svakog elektrona događa u prosječnom polju jezgra i drugih elektrona. U okviru modela, nukleoni se nalaze na nekima nivoi energije grupisane u školjke. Nukleoni, kao i elektroni, su Fermijeve čestice, odnosno na svakom nivou mogu biti dva nukleona sa antiparalelnim spinovima.

Sa povećanjem broja nukleona u jezgru, ljuske se postepeno pune, dok se neka svojstva jezgara periodično ponavljaju u zavisnosti od Z(broj protona) i N(broj neutrona), baš kao što se svojstva atoma periodično mijenjaju ovisno o Z. Podsjetimo da su u atomima sa 2, 10, 18, 36, 54 i 86 elektrona sve ljuske potpuno završene (vidi Odjeljak 8). Takvi atomi su inertni gasovi i elektronske konfiguracije prilično stabilan, što objašnjava njihovu hemijsku inertnost.

Kod jezgara je situacija sljedeća: jezgra sa brojem neutrona ili protona jednakim 2, 8, 20, 28, 50, 82 i 126 su u većoj količini. Ovi brojevi se zovu magično. Logično je pretpostaviti da su jezgra sa magičnim brojem protona ili neutrona stabilnija - takva jezgra se još nazivaju magično. Zovu se jezgra u kojima je broj i protona i neutrona magičan dvaput magično. Posebno su izdržljivi. Postoji samo pet takvih jezgri:

(Z = 2, N = 2)

(Z = 8, N = 8)

(Z = 20, N = 20)

(Z = 20, N = 28)

(Z = 82, N = 126)

Konkretno, jezgro helijuma je toliko stabilno da ga teška jezgra mogu emitovati kao celinu tokom radioaktivnog raspada (videti odeljak 14 u nastavku). Zove se jezgro helijuma α -čestica.

Budući da se punjenje energetskih stanja jezgra odvija prema Paulijevom principu (vidi odjeljak 8), logično bi bilo pretpostaviti da jezgre koje sadrže paran broj protona i neutrona ( "parno-parno" jezgra), odnosno sa popunjenim nivoima oba tipa, biće stabilniji od "neparno-neparnih" jezgara, čiji su nivoi protonskog i neutronskog tipa napola popunjeni. To potvrđuje i činjenica da postoji 160 stabilnih "parno-neparnih" nuklida, dok su među "neparno-neparnim" samo četiri stabilna: , , i .

Prema modelu ljuske, jezgra, kao i atomi, mogu imati pobuđena stanja. Prijelaz u jedno od ovih stanja moguć je pod djelovanjem spoljna energija. Shodno tome, do uklanjanja pobude dolazi zračenjem iste energije. Za razliku od atoma, energije karakteristične za nuklearne prijelaze su reda nekoliko MeV (1 MeV = 10 6 eV). Opis energetske tranzicije u jezgri korištenjem shell modela dobro se slaže s eksperimentalnim podacima.

Dakle, razmatrani modeli se, s jedne strane, mogu smatrati bliskim istinitim, jer eksperimentalno potvrđeno. S druge strane, one su jedna drugoj u suprotnosti. U okviru modela kapljice smatra se da nukleoni međusobno djeluju (sudaraju), dok se u okviru modela ljuske nukleoni kreću u polju sile nezavisno jedan od drugog. Čak i u gusto zbijenom jezgru, nukleon-nukleon sudari su odsutni zbog Paulijevog principa isključenja. U sudaru, jedan nukleon mora prenijeti svoju energiju na drugi nukleon, prelazeći u stanje sa nižom energijom, dok drugi nukleon prelazi u stanje sa višom energijom. Međutim, sva niskoenergetska stanja su već zauzeta, a do takvog prijenosa energije može doći samo ako se prekrši Paulijev princip, tj. ne može da se desi.

Uprkos veoma različitom pristupu, i model kap tečnosti i model ljuske jezgra omogućavaju objašnjenje velikog broja svojstava jezgara. Nedavno su napravljeni uspješni pokušaji da se stvore teorije koje imaju prednosti svakog od ovih modela. Jedan od najuspješnijih je generalizovani model, koji kombinuje principe drop i shell modela.

nuklearne snage

Pomenute nuklearne sile karakterišu jednu od fundamentalnih interakcija, tzv jaka interakcija. Postoje 4 vrste fundamentalnih interakcija – u opadajućem redoslijedu njihove snage: jaka, elektromagnetna, slaba i gravitacijska (posljednja je univerzalna i djeluje između bilo koje čestice, ali ne igra značajnu ulogu u svijetu mikročestica).

Nuklearne sile su sile atrakcija. Oni su ti koji drže nukleone u jezgru, uprkos prilično impresivnom Kulonovom odbijanju. Na udaljenostima manjim od 0,5 Fermija, privlačenje se zamjenjuje odbijanjem, tako da se nukleoni u jezgri ne drže zajedno.

Nuklearne sile jesu kratkog dometa– to znači da rade samo na vrlo malim udaljenostima (~ 10–15 m). Dakle, u normalnim uslovima, jezgro raznih atoma"ne primjećuju" jedno drugo.

Sve sile koje nastaju između različitih parova nukleona su iste. Charge Independence nuklearne snage- ovo je posljedica činjenice da nuklearna interakcija ima neelektrostatičku prirodu. Veličina nuklearne sile ne zavisi od prisutnosti ili odsustva električnog naboja na nukleonu.

nuklearne snage nisu centralni, ne mogu se predstaviti kao usmjereni duž prave linije koja povezuje dva nukleona.

Sile interakcije između nukleona imaju svojstvo saturation. To znači da svaki nukleon stupa u interakciju s ograničenim brojem susjednih nukleona. Budući da je Kulonova repulzija značajna u cijelom volumenu jezgra, neutroni u teškim jezgrima nisu u stanju da u potpunosti nadoknade ovo odbijanje. Dakle, u prirodi nema stabilnih jezgara sa više od 209 nukleona, od čega nema više od 83 protona.Posljednji stabilni element u periodnom sistemu ima serijski broj 83 - ovo je izotop bizmuta. Sva teža jezgra su radioaktivna, prolaze spontanu transformaciju u lakša jezgra sa emisijom α -čestice.

Interakcija između nukleona u jezgru se odvija putem razmjene posebnih čestica zvanih π mezon. Stoga je ova interakcija karakter razmene. Svi π-mezoni u slobodnom stanju podijeljeni su u tri grupe, koje se međusobno razlikuju po električnom naboju, masi i životnom vijeku: π 0 , π + , π – . Budući da su u slobodnom stanju, imaju sljedeća svojstva:

m π±= 273,2 m e, električni naboj q= ± e, životni vijek τ = 2,6 10 –8 s,

m π0 = 264.2 ja, električni naboj q= 0, životni vijek τ = 1,9 10 –16 s,

gdje ja je masa elektrona.

Protoni i neutroni imaju takozvani barionski naboj. B= +1. π mezoni nemaju barionski naboj ( AT= 0), dakle, tokom razmene ovih čestica barionski naboj nukleona je očuvan, što je osnovni zakon prirode.

Ako postoji interakcija između dva nukleona, to znači da ova dva nukleona neprekidno međusobno razmjenjuju druge čestice. Dakle, nukleoni i protoni kontinuirano emituju i apsorbuju π mezona, tačnije:

a) neutron koji emituje π – -mezon, gubi negativni električni naboj i iz neutralnog se pretvara u pozitivno nabijeni nukleon, tj. u proton; neutron može samo da apsorbuje π + -mezon, koji se pretvara u proton;

b) proton, naprotiv, samo emituje π + -mezon se, respektivno, okreće od pozitivno nabijenog neutralnog nukleona, tj. u neutron; može apsorbovati samo proton π – -mezon, čime se dobija negativni naboj, kompenzujući sopstveni pozitivan, i postaje neutron;

c) protoni i neutroni takođe mogu emitovati i apsorbovati π 0 -mezon, dok se međusobne transformacije ne dešavaju - proton ostaje proton, neutron - neutron.

π mezoni prelaze od nukleona do nukleona tako brzo da ih je nemoguće vidjeti u prelaznom stanju. Da bi se registrovali, potrebno je uništiti integritet jezgra, za šta je potrebna ogromna energija.

Teorija razmene π-mezona ima niz prednosti, koje uključuju sledeće: 1) objašnjenje prisustva nuklearnih sila kratkog dometa, 2) objašnjenje razloga nezavisnosti delovanja nuklearnih sila od veličine i znak električnog naboja. Istovremeno, fizički razlog za pojavu odbojnih sila između nukleona na udaljenostima manjim od 0,2 Fermija još nije objašnjen, fizički razlog zasićenja nuklearnih sila nije objašnjen, a utjecaj spina nukleona na karakteristike interakcije između njih nisu uzete u obzir. Zbog toga se nastavlja proučavanje prirode nuklearnih sila.

Svojstva atomskih jezgara određena su njihovim sastavom i strukturom

1) brojevi protona i neutrona u jezgru;

2) svojstva ovih čestica; priroda interakcije između njih;

3) relativni raspored i kretanje protona i neutrona unutar jezgra.

Protoni i neutroni kao sastavni dijelovi jezgara su ujedinjeni uobičajeno ime- nukleoni; je broj nukleona u jezgru.

Jezgra se obično označavaju hemijskim simbolom elementa, opremljenim brojevima koji označavaju sadržaj jezgra, prema šemi

Na primjer, jezgro natrija koje sadrži 11 protona i 12 neutrona zapisuje se kao:

Poznato je i proučavano oko 1300 jezgara, od kojih je 267 stabilnih. Većina stabilnih jezgara ima parne vrijednosti. Od toga je 159 parno-parno, tj. imaju i par i i jezgra su paran-nepar-nepar-par, a samo 5 stabilnih jezgara je neparno-neparno:

(međutim, vanadijum ima veoma dug poluživot - oko godina). Ova informacija pokazuje da je paritet broja protona i neutrona od velike važnosti za kompletiranje unutrašnje strukture stabilnih jezgara. Jezgra koja imaju:

1) identični, ali različiti nazivaju se izotopi;

2) identični ali različiti nazivaju se izotopi;

3) različite ali identične nazivaju se izobare. Osim toga, mogu postojati jezgre koje imaju isti sastav, ali se razlikuju po nekim svojstvima, posebno po poluraspadu. Takva jezgra se nazivaju izomeri.

U istraživačkoj opremi, jezgra, posebno teška, proučavaju se zajedno sa njihovom okolnom elektronskom ljuskom. S obzirom na to, uveden je novi termin nuklid - jezgro zajedno sa elektronskom ljuskom koja neutralizira njegov naboj. Postoji atom hemijski koncept; u većini slučajeva, hemijski element je mješavina izotopa (dakle, neutralni atomi su mješavina nuklida sa istim brojem protona).

Broj označava višak neutrona u jezgru. Postoji samo jedno jezgro sa negativnom vrijednošću (helij-3 ima ostatak jezgara, višak neutrona je pozitivan broj i raste sa povećanjem atomskog broja. Slika IV. 100 prikazuje raspodjelu stabilnih parno-parnih jezgara po vrijednostima Kvadrati označavaju radioaktivna jezgra sa veoma velikim periodima poluraspada (104 godine ili više).Jezgra sa istim brojem neutrona (izotopa) leže na pravim linijama povučenim pod uglom od 45° u odnosu na koordinatne ose. Na slici je samo nacrtano je nekoliko takvih linija, koje odgovaraju N = 20, 28, 50 i 82. Jezgra smještena na pravim linijama okomitim na linije imaju istu vrijednost magnitude (C je broj neutrona koji

se mora dodati jezgru tako da broj neutrona u njemu postane dvostruko veći od broja protona). Rice. IV. 100 pokazuje da su porodice nukleusa sa brojnije od porodica i

Dva jezgra u kojima je broj protona jedne jezgre jednak broju neutrona druge

nazivaju se ogledalima. To uključuje, na primjer,

Postoji 19 pari zrcalnih jezgara; karakteristično je da je u 16 od ovih parova jedno jezgro stabilno, drugo radioaktivno (u ostala tri para su oba jezgra radioaktivna).

Jezgra u kojima je broj protona ili neutrona 2, 8, 20, 28, 50, 82 (a za neutrone takođe 126) vrlo su česta i oštro se ističu po svojim glavnim osobinama među susjednim jezgrama. Ova jezgra se nazivaju magičnim. Jezgra u kojima su oba broja magična nazivaju se dvostruko magijom; ovo uključuje, na primjer,

Za ilustraciju predstavljamo relativni sadržaj izotopa u prirodnom elementu – hromu na različitim vrijednostima

Jezgro najjednostavnijeg atoma, atoma vodika, sastoji se od jednog elementarna čestica zove proton. Jezgra svih ostalih atoma sastoje se od dvije vrste čestica, protona i neutrona. Ove čestice se nazivaju nukleoni. Proton. Proton ima naelektrisanje i masu

Za poređenje, ukazujemo da je masa elektrona jednaka

Iz poređenja (66.1) i (66.2) slijedi da -proton ima spin jednak polovici i vlastiti magnetni moment

Jedinica magnetskog momenta koja se naziva nuklearni magneton. Iz poređenja sa (33.2) slijedi da je 1836 puta manji od Borovog magnetona. Shodno tome, unutrašnji magnetni moment protona je približno 660 puta manji od magnetnog momenta elektrona.

Neutron. Neutron je 1932. godine otkrio engleski fizičar D. Chadwick. Njegov električni naboj je nula, a njegova masa

veoma blizu masi protona.

Razlika između mase neutrona i protona je 1,3 MeV, tj.

Neutron ima spin jednak polovini i (uprkos odsustvu električnog naboja) vlastiti magnetni moment

(znak minus označava da su pravci intrinzičnih mehaničkih i magnetnih momenata suprotni). Objašnjenje ove neverovatne činjenice biće dato u § 69.

Imajte na umu da je omjer eksperimentalnih vrijednosti sa u velikoj mjeri tačnost je -3/2. To je uočeno tek nakon što je takva vrijednost dobijena teoretski.

U slobodnom stanju, neutron je nestabilan (radioaktivan) - spontano se raspada, pretvarajući se u proton i emitujući elektron i drugu česticu koja se zove antineutrino (vidi § 81). Vrijeme poluraspada (tj. vrijeme koje je potrebno da se polovina prvobitnog broja neutrona raspadne) je otprilike 12 minuta. Shema raspadanja može se napisati na sljedeći način:

Masa antineutrina je nula. Masa neutrona je veća od mase protona za. Dakle, masa neutrona premašuje ukupnu masu čestica koje se pojavljuju na desnoj strani jednačine (66.7), odnosno za 0,77 MeV. Ova energija se oslobađa tokom raspada neutrona u obliku kinetička energija formirane čestice.

Karakteristike atomskog jezgra. Jedna od najvažnijih karakteristika atomskog jezgra je broj naplate Z. On je jednak broju protona koji čine jezgro, i određuje njegov naboj, koji je jednak Broju Z određuje redni broj hemijskog elementa u periodnom sistemu Mendeljejeva. Stoga se naziva i atomski broj jezgra.

Broj nukleona (to jest, ukupan broj protona i neutrona) u jezgru označava se slovom A i naziva se masenim brojem jezgra. Broj neutrona u jezgru je

Simbol koji se koristi za označavanje jezgara

gdje je X hemijski simbol elementa. Maseni broj se nalazi gore lijevo, atomski broj dolje lijevo (posljednja ikona se često izostavlja).

Ponekad se maseni broj piše ne lijevo, već desno od simbola hemijskog elementa

Jezgra sa istim Z, ali različitim A nazivaju se izotopi. Većina hemijskih elemenata ima nekoliko stabilnih izotopa. Tako, na primjer, kisik ima tri stabilna izotopa: kalaj ima deset i tako dalje.

Vodonik ima tri izotopa:

Procijum i deuterijum su stabilni, tricijum je radioaktivan.

Jezgra sa istim masenim brojem A nazivaju se izobare. Na primjer, jezgra sa istim brojem neutrona nazivaju se izotonima.Konačno, postoje radioaktivna jezgra sa istim Z i A, koja se razlikuju po poluraspadu. Zovu se izomeri. Na primjer, postoje dva izomera jezgra, jedan od njih ima poluživot od 18 minuta, drugi ima poluživot od 4,4 sata.

Poznato je oko 1500 jezgara, koje se razlikuju po Z, A ili oba. Otprilike 1/5 ovih jezgara je stabilno, a ostalo je radioaktivno. Mnoge jezgre su umjetno dobivene nuklearnim reakcijama.

U prirodi postoje elementi sa atomskim brojem Z od 1 do 92, izuzev tehnecijuma i prometijuma. Plutonijum je, nakon veštačke proizvodnje, pronađen u zanemarljivim količinama u prirodnom mineralu - smolama. Ostatak transuranija (tj. transuranija) elemenata (sa Z ​​od 93 do 107) dobiveni su umjetno kroz različite nuklearne reakcije.

Transuranski elementi kurijum, einsteinijum, fermijum) i mendelevijum) nazvani su u čast istaknutih naučnika P. i M. Curiea, A. Einsteina, E. Fermija i D. I. Mendelejeva. Lawrencium je dobio ime po pronalazaču ciklotrona E. Lawrenceu. Kurchatovy) dobio je ime u čast istaknutog sovjetskog fizičara I. V. Kurchatova.

Neki transuranijumski elementi, uključujući kurhatovij i elemente sa brojevima 106 i 107, dobili su sovjetski naučnik G. N. Flerov i njegovi saradnici u Laboratoriji za nuklearne reakcije Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni.

Veličine kernela. U prvoj aproksimaciji, jezgro se može smatrati sferom, čiji je polumjer prilično precizno određen formulom

(Fermi je naziv jedinice dužine koja se koristi u nuklearnoj fizici, jednaka cm). Iz formule (66.8) proizilazi da je zapremina jezgra proporcionalna broju nukleona u jezgru. Dakle, gustina materije u svim jezgrama je približno ista.

Spin jezgra. Spinovi nukleona se zbrajaju sa rezultujućim spinom jezgra. Stoga je spin nukleona kvantni broj nuklearni spin l će biti polucijeli za neparan broj nukleona A i cijeli broj ili nula za paran A. Spinovi jezgara l ne prelaze nekoliko jedinica. Ovo ukazuje da se spinovi većine nukleona u jezgru međusobno poništavaju, jer su antiparalelni. Sva parno-parna jezgra (tj. jezgra sa parnim brojem protona i parnim brojem neutrona) imaju nulti spin.