Obninsk davlat texnika universiteti

yadro energiyasi

Yadro fizikasi kafedrasi

L.N. Pustinskiy

Ma'ruza matnlari yadro fizikasi

“Yadro va neytron fizikasi” kursi uchun darslik.

Elektron versiya.

Obninsk, 2003 yil

Pustinskiy L.N. Yadro fizikasi bo'yicha ma'ruzalar konspekti. “Yadro va neytron fizikasi” kursi uchun darslik.Elektron variant. - Obninsk, IATE, 2003. -215p.

Qo‘llanmada muallif tomonidan 1999-2003 o‘quv yillarida universitetning turli mutaxassisliklari bo‘yicha “Yadro fizikasi” va “Yadro va neytron fizikasi” kurslarida o‘qilgan ma’ruza matnlarining elektron varianti keltirilgan. Qo'llanma ish dasturlariga to'liq mos ravishda yozilgan va o'qitiladigan kurslarda imtihon topshirishga tayyorgarlik ko'rishda asosiy qo'llanma sifatida tavsiya etilishi mumkin. Muallif prof. V.S. Stavinskiyga qimmatli va foydali mulohazalari uchun minnatdorchilik bildiradi va uning xotirasini hurmat qiladi.

© L.N. Pustinskiy, 2003 yil

1-bob. Tuzilishi va asosiy xarakteristikalari atom yadrolari

U hozir mustahkam o'rnatilgan va atom elektronlar (J. Tomson, 1897) va yadrodan (E. Ruterford, 1911) iborat ekanligiga shubha yo'q. Atom yadrolari bir qator individual xususiyatlarga ega bo'lib, ular alohida kimyoviy elementlarning yadrolarini bir-biridan ajratishga imkon beradi va shu bilan birga umumiy xususiyatlar barcha yadrolar uchun.

Atom yadrolari bo'lishi mumkin barqaror, ya'ni. cheksiz yashash va beqaror o'z-o'zidan (spontan) radioaktiv o'zgarishlarni boshdan kechirish.

Barcha atom yadrolari quyidagi xususiyatlarga ega: yadrodagi nuklonlar soni; yadroning elektr zaryadi; yadro massasi; yadroning bog'lanish energiyasi; yadro hajmi; yadro spini; yadroning magnit va elektr momentlari; to'lqin funksiyasining pariteti; izotopik spin; statistika.

Beqaror yadrolar radioaktiv oʻzgarishlar turi, oʻrtacha ishlash muddati va parchalanish vaqtida ajralib chiqadigan energiya kabi bir qator qoʻshimcha xususiyatlarga ega.

Yadrolar har xil energiya holatida bo'lishi mumkin va har qanday kvant tizimi singari, ular faqat ma'lum bir nuklid yadrosiga, energiya darajalari tizimiga xos bo'lgan o'ziga xos xususiyatlarga ega. Yadroning eng kam energiyaga ega holati deyiladi Asosiy, qolgani - hayajonlangan. Qo'zg'aluvchan holatlardagi yadrolar beqaror va asosiy holatlardan farqli o'laroq, cheklangan vaqt davomida qo'zg'aluvchan holatda bo'lishi mumkin, energiya kamroq bo'lgan holatlarga o'z-o'zidan o'tishni boshdan kechiradi.

Turg'un, beqaror va qo'zg'aluvchan yadrolarga bo'linish ma'lum darajada shartli ekanligi quyida ko'rsatiladi (1.7-bandga qarang), chunki ular bir qator umumiy xususiyatlar bilan tavsiflanishi mumkin.

§1.1. Yadroning proton-neytron tuzilishi.

Barcha moddalar molekulalardan iborat. Molekulalar, o'z navbatida, atomlardan iborat. Atom yadro va elektron qobiqdan iborat. Atomning kattaligi elektron qobiq bilan belgilanadi va ≈ 10 -8 ga teng sm. Yadro - atomning markaziy massiv qismi o'lchamlari ≈ 10 -13 10 12 sm(1 – 10fm(fermi)). Binobarin, yadro hajmi atomdan 10 4 - 10 5 marta kichikdir.

Yadro maxsus zarralardan iborat (Geyzenberg, Ivanenko) - protonlar(Ruterford, 1919) va neytronlar(Chedvik, 1932). Protonning bitta musbat elementar elektr zaryadi bor, neytronning elektr zaryadi esa nolga teng. Ushbu zarralar o'rtasida har qanday juft birikmalarda bog'liq bo'lmagan maxsus (yadro) kuchlar mavjud. elektr zaryadi alohida proton va neytronlarning yadro bilan bog'lanishini ta'minlovchi zarralar. Shuning uchun yadro fizikasida umumiy atama ishlatiladi nuklon, yadroni tashkil etuvchi har qanday zarrachani, ham proton, ham neytronni bildiradi.

Yadrodagi nuklonlar soni A harfi bilan belgilanadi va deyiladi massa raqami .

Yadrodagi protonlar soni Z harfi bilan belgilanadi. Bundan tashqari, Z - yadrosi Z protonga ega bo'lgan atomdagi elektronlar soni, chunki atom elektr neytraldir. Chunki Kimyoviy xossalari elementlar atomdagi elektronlar soni bilan belgilanadi, ya'ni Z ham tartibli yoki atom raqami davriy jadvaldagi element.

Yadrodagi neytronlar soni N harfi bilan belgilanadi. Shuning uchun yadrodagi neytronlar soni N=A–Z ga teng.

Uch juft sonning har biri (Z,N), (N,A) yoki (A,Z) yadro tarkibini yagona tarzda aniqlaydi. Odatda, quyida ko'rsatilgan sabablarga ko'ra, bir juft raqamlar (A, Z) ishlatiladi.

Yadrosining o'ziga xos qiymatlari A va Z bo'lgan atom deyiladi nuklid, va bir xil Z-ga ega bo'lgan nuklidlar to'plami kimyoviy element. Z soni kimyoviy elementni to'liq aniqlaydi, Z va A raqamlari esa nuklidni aniqlaydi. Nuklidni belgilash uchun yozuvning ikkita shakli qo'llaniladi: (A, Z) yoki

, bu erda X kimyoviy elementning belgisidir. Masalan, (12.6) yoki

mos keladigan uglerod nuklididir. Kimyoviy elementning belgisi Z bilan o'ziga xos tarzda bog'liq bo'lganligi sababli, ko'pincha kimyoviy elementning belgisini ko'rsatadigan yozuv ko'rinishidagi atom raqami tushiriladi va oddiygina yoziladi.

. Xuddi shu belgi yadrolar uchun ham qo'llaniladi.

Yadrolarida protonlar soni bir xil bo'lgan, lekin A nuklonlari soni bilan farq qiladigan nuklidlar deyiladi. kimyoviy elementning izotoplari. Tarkibida izotop atomlariga ega bo'lgan moddalar bir xil kimyoviy xususiyatlarga ega, ammo zichligi, erish nuqtasi, qaynash nuqtasi va boshqalar, ya'ni. fizik xususiyatlari bilan farqlanadi. Masalan:

vodorod izotoplari. 1 H - protium (engil vodorod); 1 H - deyteriy (og'ir vodorod, yadro uchun D belgisini ham ishlating - d); 3 H - tritiy (o'ta og'ir vodorod, yadro uchun T belgisini ham ishlating d); 233 U, 235 U, 238 U - uran izotoplari. Biroq, izotop haqida gapirish mantiqan to'g'ri keladi, bu uning kimyoviy elementga tegishli ekanligini anglatadi. Shuning uchun 235 U uranning bo'linuvchi izotopi emas, balki uranning bo'linuvchi nuklididir. Xuddi shu tarzda, 3 H radioaktiv izotop emas, balki radioaktiv vodorod nuklididir, chunki bu holda atomning tegishli kimyoviy xossalari emas, balki yadroning fizik xususiyatlari nazarda tutiladi.

Yadrolari bir xil miqdordagi nuklonlarga ega (massa soni bir xil), lekin protonlari Z soni boshqacha bo'lgan nuklidlar deyiladi. izobarlar. Masalan: 3 H va 3 He tritiy va geliyning izobarlari, 10 Be, 10 B, 10 C berilliy, bor va uglerodning izobarlari.

Yadrosidagi neytronlar soni bir xil bo'lgan nuklidlar deyiladi izotoonlar. Masalan, 2 H va 3 He vodorod va geliyning izotonlari.

FROM yordamida turli nuklidlar yadrolarining xossalarini tizimlashtirish mumkin proton-neytron diagrammasi(Segre diagrammalar) - qatorlari protonlar soni bir xil bo'lgan nuklidlarga, ustunlari esa bir xil miqdordagi neytronlarga ega bo'lgan nuklidlarga mos keladigan jadval. 1.1.1-rasmda engil yadroli nuklidlar misolida proton-neytron diagrammasini qurish printsipi ko'rsatilgan. Barcha ma'lum nuklidlar uchun proton-neytron diagrammasi 1.1.2-rasmda ko'rsatilgan.

Biz atom yadrolarining proton-neytron diagrammasidan kelib chiqadigan quyidagi empirik faktlar va qonuniyatlarni qayd etamiz.

1. 2000 dan ortiq nuklidlar ma'lum, ulardan 265 tasi barqaror nuklidlardir.

2. Rasmiy nomga ega nuklidlar Z 0 (neytron) dan 109 gacha (meitneriy) ga ega. Tabiatda mavjud bo'lgan yadrolar uchun Z 1 (vodorod) dan 92 (uran) gacha o'zgarib turadi.Qolgan nuklidlar sun'iy ravishda olinadi. Z= 0, 43, 61 va Z84 boʻlgan barqaror nuklidlar yoʻq.

3. Nuklidlar 1 dan 263 gacha bo'lgan nuklonlar soni bilan ma'lum. A = 5,8 va A210 da barqaror nuklidlar mavjud emas.

4. Proton-neytron diagrammasining b-barqaror nuklidlar joylashgan hududi (1.1.2-rasmdagi 1-soyali chiziq) deyiladi. barqarorlik yo'li. Yengil barqaror nuklidlar (Z≤ 20 gacha) yadroda taxminan teng miqdordagi proton va neytronlarni o'z ichiga oladi. Massa soni A ortishi bilan neytronlarning nisbiy ulushi ortadi. Masalan, engil nuklid uchun

N/Z = 1; o'rtacha nuklid uchun

N/Z = 1,15; og'ir nuklid uchun

N/Z = 59. Katta A dagi neytronlar sonining etakchi o'sishi yadrodagi protonlarning o'zaro itarilishining uzoq masofali Kulon kuchlarining ta'siridan kelib chiqadi.

5. Ko'pchilik kimyoviy elementlarda bir nechta barqaror va -aktiv nuklidlar mavjud. Ba'zi elementlarda (1.1.1-rasmga qarang) har birida faqat bitta barqaror nuklid (9 Be, 19 F, 23 Na), qolganlarida 2 ÷ 3 ta barqaror nuklid mavjud. Qalay (Sn) o'nta barqaror nuklidga ega.

6. Barqarorlik izidan yuqorida b + -faol nuklidlar, pastda - b - -faol nuklidlar joylashgan.

7. Yadrolarning xossalari mohiyatan Z va N sonlarining paritetiga bog’liq. Barqaror nuklidlarning eng koʻp soni (265 tadan 155 tasi) juft-juft yadrolarga (Z- juft, N- juft), teng barqaror nuklidlarga (har biri 53 tadan) ega boʻlib, yadrolarida juft-toq va toq-juft nuklonlar mavjud. Va faqat to'rtta barqaror nuklid mavjud (2 H, 6 Li, 10 V va 14 N), ular yadrolarning g'alati-g'alati tarkibiga ega.

Har qanday atomning yadrosi, engil vodorod atomidan tashqari, zarralardan iborat - nuklonlar ikki tur: Z protonlar va N neytronlar. Neytronni 1932 yilda Jeyms Chadvik, bir vaqtning o'zida Karl Anderson - pozitron kashf etgan. Yengil vodorod atomining yadrosi bitta protondan iborat.

Proton ochiq zaryadlangan zarrachadir - qp = +e. Protonning massasi m p= 1,67265 10 -27 kg. Yadro fizikasida zarrachalar energiyasini energiya birliklarida (eV) ifodalash odatiy holdir, buning uchun ular massani yorug'lik tezligining kvadratiga ko'paytiradilar. c 2, keyin proton massasi m p = 938,26 MeV. Proton ga teng spinga ega s = 1/2.

Neytron spini ham bor s= 1/2. Uning massasi protonning massasiga yaqin va shunday m n\u003d 1,67495 10 -27 kg yoki energiya birliklarida (eV) m p = 939,55 MeV. Biroq, neytronning elektr zaryadi yo'q. Erkin holatda neytron radioaktiv bo'lib, u o'z-o'zidan parchalanib, protonga aylanadi. Bunday holda, antineytrino chiqariladi.

Neytron yadroda barqarordir.

Atom zaryad raqami bilan tavsiflanadi Z(yadrodagi protonlar soniga teng). Raqam Z davriy jadvaldagi atom raqamini aniqlaydi. Massa raqami A=N+Z yadrodagi nuklonlarning umumiy sonini ko'rsatadi. Barcha nuklonlarning massasi A butun atom massasiga asosiy hissa qo'shadi. Yadro nuklid deb ham ataladi. Nuklidning qabul qilingan sxemasi quyidagi shaklga ega: Nuklonlardan tashqari yadroda boshqa zarrachalar yo'q. Biroq, nuklonlar elementar zarralar emas: ularning har biri uchta kvarkdan iborat bo'lib, ular boshqa ma'ruzada muhokama qilinadi.

Yadrolari bir xil zaryad raqamiga ega bo'lgan atomlar Z va turli xil massa raqamlari A, bir xil kimyoviy xossalarga ega va izotoplar deyiladi. Xuddi shu kimyoviy elementning izotoplari bir-biridan faqat yadrodagi neytronlar soni bilan farq qiladi. Ko'pgina moddalar bir xil atomlarga ega Z turli izotoplarning aralashmasidir. Demak, vodorod, uglerod va kislorodning har biri 3 tadan izotopga ega: - oddiy vodorod, - deyteriy, - tritiy; ; ; Qalay 10 ta izotopga ega.

Yadrolari bir xil massa raqamlariga ega bo'lgan atomlar A, deyiladi izobarlar. Izobarlar, ya'ni. yadrolari turlicha Z, har xil atomlarning yadrolariga mos keladi kimyoviy elementlar.

Ruterfordning sochilish tajribalarida α -modda atomlaridagi zarralar, yadrolarning chekli o'lchamga ega ekanligi aniqlandi. O'sha paytdan beri ko'p vaqt o'tdi, ammo yadro hajmini aniqlashda zarrachalarning atom yadrolariga tarqalishi bo'yicha tajribalar hali ham eng maqbuldir. Elektronlar yadrolar bilan faqat elektrostatik ta'sirga ega bo'lganligi sababli, yadro ichidagi zaryad taqsimoti elektron tarqalishi yordamida o'rganiladi. Yadro moddasining yadro ichidagi tarqalishi neytronlarning tarqalishi bilan baholanadi, chunki bu holda zarralar orasidagi o'zaro ta'sir faqat ma'lum bir yadroga kamayadi. Yadro tushayotgan zarrachani massalarni hisobga olgan holda «sezishi» uchun elektronning energiyasi kamida 124 MeV, neytronning energiyasi esa kamida 8 MeV bo'lishi kerak. Har xil (lekin belgilangan shartlarga javob beradigan) energiyadagi elektronlar va neytronlar bilan olib borilgan tajribalar shuni ko'rsatdiki, yadro hajmi uning tarkibidagi nuklonlar soniga proportsionaldir:

Spin 1 dan katta yoki teng bo'lgan yadrolarda sferik shakldan og'ish haqiqatan ham kuzatiladi. Bunday yadrolar inqilobning ellipsoidlarini siqib chiqarishi yoki prolat qilishi mumkin va ularning katta va kichik o'qlari orasidagi farq hech qachon 20% dan oshmaydi va qoida tariqasida ancha kichikdir. Birinchi yaqinlashishda yadroni to'p deb hisoblash mumkin, yadro radiusi quyidagicha: (13.3)

Doimiy R0≈ 1,3·10 –15 m.Uning taxminiy qiymati yadro moddasining taqsimlanishidan olingan yadro radiusining qiymati zaryad taqsimotidan olingan radius qiymatidan farq qilishi bilan bog'liq. Demak, zaryad va modda yadro ichida boshqacha taqsimlangan.

Yadro nazariyasi doirasida miqdor ishlatiladi 1 fermi = 1 f= 10 -15 m.

Keyin yadro radiusi .

Yadro spini I - yadroning umumiy burchak impulsi. Massa soniga ega bo'lgan yadro uchun A u teng: (13.4)

Bu ifodada o'ng tarafdagi birinchi had nuklonlarning umumiy spin momentiga, ikkinchi had yadrodagi nuklonlarning umumiy orbital momentiga teng. Qiymatlar Si va l i tegishli kvant sonlarining qiymatlari bilan aniqlanadi: s p = s n= 1/2 va l = 0, 1, 2, ...

Yadroning magnit momenti m i protonlar va neytronlarning ichki magnit momentlari va protonlarning orbital magnit momentlarining yig'indisi (neytron har qanday element uchun nolga teng orbital magnit momentga ega). l).

Shunday qilib, yadro o'z ichiga oladi A nuklonlar. Biroq, proton va neytronlarning barcha birikmalari barqaror yadrolarni hosil qilmaydi. Bu yadroviy energiya darajasining mavjudligi bilan bog'liq. Protonlar ham, neytronlar ham fermionlar bo'lgani uchun (ularning spini s = 1/2), keyin har bir darajada ikkitadan ortiq proton va ikkita neytron bo'lishi mumkin. Darajalar birlashgan zarrachalar tizimini minimallashtirish tamoyiliga muvofiq to'ldiriladi. Masalan, ikkita izotopni va . Ularning dastlabki ikki darajasi (13.1-rasm) xuddi shu tarzda to'ldiriladi.

Guruch. 13.1 Uglerodning barqaror izotopi va borning beqaror izotopi

Oxirgi darajada, 12-neytron nuklidda joylashgan bo'lsa, ayni paytda, oldingi darajada, to'liq to'ldirilmaguncha proton etarli emas. Uch neytron va bir protondan iborat tizimning energiyasi ikkita proton va ikkita neytronli tizimning energiyasidan katta bo'ladi. Shuning uchun izotop barqaror bo'lmaydi va juda tez parchalanadi. Shu bilan birga, izotop (tarkibida 5 proton va 6 neytron mavjud) barqaror.

Yengil yadrolarda ( A< 20), как правило, число протонов и нейтронов одинаково (или отличается не единицу в случае ядер с нечетным числом нуклонов, причем число нейтронов обязательно ko'proq raqam protonlar). Og'ir yadrolarda neytronlarning ulushi ortib bormoqda. Bunday yadrolarda, energiyani minimallashtirish printsipiga qo'shimcha ravishda, protonlarning Kulon itilishi sezilarli bo'lib chiqadi. 10 dan ortiq protonli yadrolarda bu itarilish shunchalik kuchliki, yadro barqarorligi uchun bu kuchni biror narsa bilan qoplash kerak. Neytronlar orasida faqat jozibador yadro kuchlari harakat qiladi. Shuning uchun yadro tarkibida neytronlar sonining ko'payishi kuchlar muvozanatiga olib keladi, ya'ni. yadro barqarorligi uchun.

13.2. Asosiy modellar: tomchilatib va ​​qobiq

Yadrolarning xususiyatlarini, ular ishtirokida sodir bo'ladigan jarayonlarni tushuntirish, shuningdek, yuzaga kelishi mumkin bo'lgan yangi ta'sirlarni bashorat qilish uchun barcha yadro hodisalarini to'g'ri va to'liq tavsiflaydigan yadro nazariyasini yaratish kerak. Bu juda qiyin vazifa, chunki yadroning o'ziga xosligi ichki jarayonlar va tuzilish haqida ma'lumot olishning oddiy usullariga imkon bermaydi. Bundan tashqari, yadro tizimdir katta raqam zarralar. Matematik muammo 3-4 ta o'zaro ta'sir qiluvchi jismlar holatida faqat yuqori samarali kompyuter texnologiyalari yordamida hal qilinadi. Sifatli modellarni qurish yadrolarning xossalari to'plamini tavsiflash uchun nisbatan oddiy matematik qonunlardan foydalanish imkonini beruvchi vaqtinchalik echimdir.

Ushbu modellardan biri tomizish modeli- 1939 yilda Ya.I.Frenkel tomonidan taklif qilingan va keyin N.Bor tomonidan ishlab chiqilgan. Frenkel yadrodagi nuklonlar, xuddi suyuqlik tomchisidagi molekulalar kabi, cheklangan miqdordagi yaqin atrofdagi zarrachalar bilan o'zaro ta'sir qilishiga e'tibor qaratdi. Yadro moddasining juda past siqilishi suyuqlik bilan o'xshashlikni tugatdi. Yadroda ma'lum miqdordagi musbat zaryadlangan protonlar mavjudligini hisobga olsak, ushbu model doirasida yadroni elektrlashtirilgan tomchi deb hisoblash kerak.

Guruch. 13.2. Yadroning tushish modeli

Tomchi modeli yadrodagi bog'lanish energiyasi uchun yarim empirik formulani olish imkonini beradi. Nuklonlar tizimi bog'lanish energiyasining maksimal qiymatiga ega bo'lgan holatni afzal ko'radi. Bunday holda, bir qator kuchlar mavjud bo'lib, ularning mavjudligi umumiy energiya qiymatini kamaytiradi.

Yadroning o'ziga xos bog'lanish energiyasining nuklonlar soniga bog'liqligini aniqlash uchun energiyani kiritish kerak. U, bu har bir nuklon-nuklon aloqasini tavsiflaydi. Bir juft nuklonning har biri bu energiyaning yarmini tashkil qiladi. Geometrik mulohazalardan kelib chiqadiki, har bir nuklon 12 ta qisqa masofali tartibli nuklonlar bilan o'ralgan. U holda yadroning hajm energiyasi: (13.5)

qayerda A yadrodagi nuklonlar soni, mahsulot qo'yamiz 6U = a.

Darhaqiqat, har bir yadroda nuklonlarning bir qismi yadro yuzasida joylashgan va 12 dan kam "qo'shni" ga ega. Shuning uchun sirt energiyasini hisobga olish kerak. U nuklonlarning ko'p qismi sirtda joylashgan engil yadrolarda muhim rol o'ynaydi.

Formula (13.3) ni hisobga olsak, yadro sirtining maydoni quyidagilarga teng ekanligini aniqlaymiz: (13.6)

Sirt energiyasi manfiy va yadro yuzasiga proportsionaldir, shuning uchun:

(13.7)

Sirt energiyasining mavjudligi yadroning sferik shaklni olish tendentsiyasini belgilaydi, bu esa ma'lum hajm (nuklonlar soni) uchun minimal sirt maydonini va demak, sirt energiyasining minimal qiymatini ta'minlaydi. Shunday qilib, sharsimon shakl yadroning umumiy bog'lanish energiyasining minimal pasayishiga mos keladi. Xuddi shunday kuchlar sirt tarangligi suyuqlik tomchisiga tashqi kuchlar ta'sir etmasa, shar shaklida bo'lishiga olib keladi.

Yadrodagi protonlarning har bir jufti orasidagi elektrostatik itaruvchi kuchlar yadroning umumiy bog'lanish energiyasiga yana bir tuzatishni aniqlaydi. Bu cheksizlikdan birlashtirish uchun bajarilishi kerak bo'lgan ishga tengdir Z protonlarni yadro hajmiga teng hajmga. Yadro tarkibida Z protonlar, bu ish proton juftlari soniga mutanosib va ​​yadro radiusiga teskari proportsionaldir (13.3):

(13.8)

Kulon energiyasi ham manfiy, chunki u nuklonlarning itarilishidan kelib chiqadi, ya'ni. yadrodagi aloqalarni uzishga qaratilgan.

umumiy energiya asosiy aloqalar Est massa, sirt va Kulon energiyalarining yig'indisi:

Yadroning o'ziga xos bog'lanish energiyasi qaerdan keladi, ya'ni. Nuklonga to'g'ri keladigan energiya:

Shaklda. 13.3 ko'rsatadi eksperimental bog'liqliklar turli xil turlari yadrodagi nuklonlar soniga energiya.

Tegishli egri chiziqlarni yadroning tushish modeli doirasida olingan nazariy bog’liqliklar bilan solishtirib aytishimiz mumkinki, bu nazariya yadroning ayrim parametrlarini nazariy hisoblashda va bir qator effektlarni tushuntirishda qo’llanilishi mumkin.

13.3. Atom yadrosining xususiy bog'lanish energiyasining nuklonlar soniga bog'liqligi

Qobiq modeli laureatlar tomonidan ishlab chiqilgan Nobel mukofoti Amerikalik Mariya Goeppert-Mayer va nemis Yoxan H. D. Jensen.

Ushbu modelga ko'ra, yadrodagi nuklonlar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qilmaydi (tomchi modelida taxmin qilinganidek), lekin o'rtacha markaziy simmetrik bilan. kuch maydoni. Xuddi shunday holat ko'p elektronli atomda ham amalga oshiriladi, bu erda har bir elektronning harakati yadro va boshqa elektronlarning o'rtacha maydonida sodir bo'ladi. Model doirasida nuklonlar ba'zilarida joylashgan energiya darajalari qobiqlarga guruhlangan. Nuklonlar ham elektronlar kabi Fermi zarralaridir, ya'ni har bir sathda antiparallel spinli ikkita nuklon bo'lishi mumkin.

Yadrodagi nuklonlar sonining ko'payishi bilan qobiqlar asta-sekin to'ldiriladi, shu bilan birga yadrolarning ba'zi xossalari vaqti-vaqti bilan takrorlanadi. Z(protonlar soni) va N(neytronlar soni), xuddi atomlarning xossalari vaqti-vaqti bilan o'zgarib turadi Z. Eslatib o'tamiz, 2, 10, 18, 36, 54 va 86 elektronli atomlarda barcha qobiqlar to'liq tugallangan (8-bo'limga qarang). Bunday atomlar inert gazlar va elektron konfiguratsiyalar ancha barqaror, bu ularning kimyoviy inertligini tushuntiradi.

Yadrolarda vaziyat quyidagicha: neytron yoki proton soni 2, 8, 20, 28, 50, 82 va 126 ga teng bo'lgan yadrolar ko'proq. Bu raqamlar deyiladi sehrli. Sehrli miqdordagi proton yoki neytronga ega yadrolar barqarorroq deb taxmin qilish mantiqan to'g'ri - bunday yadrolar ham deyiladi. sehrli. Proton va neytronlarning soni sehrli bo'lgan yadrolar deyiladi ikki marta sehrli. Ular ayniqsa bardoshli. Faqat beshta yadro mavjud:

(Z = 2, N = 2)

(Z = 8, N = 8)

(Z = 20, N = 20)

(Z = 20, N = 28)

(Z = 82, N = 126)

Xususan, geliy yadrosi shunchalik barqarorki, u radioaktiv parchalanish paytida og'ir yadrolar tomonidan butunlay chiqarilishi mumkin (quyida 14-bo'limga qarang). Geliy yadrosi deyiladi α -zarracha.

Yadroning energiya holatlarini to'ldirish Pauli printsipiga ko'ra sodir bo'lganligi sababli (8-bo'limga qarang), yadrolar juft sonli proton va neytronlarni o'z ichiga oladi, deb taxmin qilish mantiqan to'g'ri bo'ladi. "juft-juft" yadrolari), ya'ni har ikkala turdagi to'ldirilgan darajalarga ega bo'lsa, proton va neytron turlarining darajalari yarmi to'ldirilgan "g'alati-g'alati" yadrolarga qaraganda barqarorroq bo'ladi. Buni 160 ta barqaror “juft-toq” nuklidlar mavjudligi, “toq-toq” nuklidlar orasida esa faqat toʻrttasi barqaror ekanligi tasdiqlaydi: , , va .

Qobiq modeliga ko'ra, yadrolar ham atomlar kabi qo'zg'atilgan holatlarga ega bo'lishi mumkin. Ushbu davlatlardan biriga o'tish harakati ostida mumkin tashqi energiya. Shunga ko'ra, qo'zg'alishni olib tashlash bir xil energiyaning nurlanishi bilan sodir bo'ladi. Atomlardan farqli o'laroq, yadroviy o'tishlarga xos bo'lgan energiyalar bir necha MeV (1 MeV = 10 6 eV) ga teng. Tavsif energiya o'tishlari yadroda qobiq modelidan foydalangan holda eksperimental ma'lumotlarga yaxshi mos keladi.

Shunday qilib, ko'rib chiqilayotgan modellarni, bir tomondan, haqiqatga yaqin deb hisoblash mumkin, chunki eksperimental tarzda tasdiqlangan. Boshqa tomondan, ular bir-biriga zid keladi. Tomchilar modeli doirasida nuklonlar bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiluvchi (to'qnashuvchi) deb hisoblanadi, qobiq modeli doirasida nuklonlar bir-biridan mustaqil ravishda kuch maydonida harakat qiladi. Hatto zich joylashgan yadroda ham Pauli istisno printsipi tufayli nuklon-nuklon to'qnashuvi mavjud emas. To'qnashuvda bir nuklon o'z energiyasini boshqa nuklonga o'tkazib, kamroq energiyaga ega bo'lgan holatga o'tishi kerak, ikkinchi nuklon esa yuqori energiyali holatga o'tadi. Biroq, barcha kam energiyali davlatlar allaqachon ishg'ol qilingan va bunday energiya uzatish faqat Pauli printsipi buzilgan taqdirda sodir bo'lishi mumkin, ya'ni. sodir bo'lishi mumkin emas.

Juda boshqacha yondashuvga qaramay, suyuqlik tushishi modeli ham, yadroning qobiq modeli ham yadrolarning ko'p sonli xususiyatlarini tushuntirishga imkon beradi. So'nggi paytlarda ushbu modellarning har birining afzalliklariga ega bo'lgan nazariyalarni yaratishga muvaffaqiyatli urinishlar qilindi. Eng muvaffaqiyatlilaridan biri umumlashtirilgan model, bu tomchi va qobiq modellarining tamoyillarini birlashtiradi.

yadro kuchlari

Ko'rsatilgan yadro kuchlari deb ataladigan asosiy o'zaro ta'sirlardan birini tavsiflaydi kuchli o'zaro ta'sir. Asosiy o'zaro ta'sirlarning 4 turi mavjud - kuchning pasayishi tartibida: kuchli, elektromagnit, zaif va tortishish (ikkinchisi universaldir va har qanday zarralar orasida ishlaydi, lekin mikrozarralar dunyosida muhim rol o'ynamaydi).

Yadro kuchlari - bu kuchlar diqqatga sazovor joy. Aynan ular juda ta'sirli Coulomb repulsiyasiga qaramay, nuklonlarni yadroda ushlab turadilar. 0,5 Fermi dan kichikroq masofalarda, yadrodagi nuklonlar bir-biriga yopishib qolmasligi uchun tortishish o'rnini itarilish egallaydi.

Yadro kuchlari qisqa masofali– bu ularning juda qisqa masofalarda (~ 10–15 m) ishlashini bildiradi. Shuning uchun normal sharoitda turli atomlarning yadrolari bir-birini "sezmaydilar".

Turli juft nuklonlar o'rtasida paydo bo'ladigan barcha kuchlar bir xil. Mustaqillikni zaryad qilish yadro kuchlari- bu yadroviy o'zaro ta'sirning elektrostatik bo'lmagan tabiatga ega bo'lishining natijasidir. Yadro kuchining kattaligi nuklonda elektr zaryadining mavjudligi yoki yo'qligiga bog'liq emas.

yadro kuchlari markaziy emas, ularni ikkita nuklonni bogʻlovchi toʻgʻri chiziq boʻylab yoʻnaltirilgan holda tasvirlab boʻlmaydi.

Nuklonlar orasidagi o'zaro ta'sir kuchlari xossaga ega to'yinganlik. Bu shuni anglatadiki, har bir nuklon cheklangan miqdordagi qo'shni nuklonlar bilan o'zaro ta'sir qiladi. Kulon repulsiyasi yadroning butun hajmida muhim bo'lganligi sababli, og'ir yadrolardagi neytronlar bu itilishni to'liq qoplay olmaydi. Shuning uchun tabiatda 209 dan ortiq nuklonli barqaror yadrolar mavjud emas, ulardan 83 dan ortiq proton mavjud emas Davriy sistemadagi oxirgi barqaror element 83 seriya raqamiga ega - bu vismutning izotopi. Barcha og'ir yadrolar radioaktivdir, ular emissiya bilan o'z-o'zidan engilroq yadrolarga aylanadi. α -zarralar.

Yadrodagi nuklonlarning o'zaro ta'siri p mezonlari deb ataladigan maxsus zarrachalar almashinuvi orqali amalga oshiriladi. Shuning uchun, bu o'zaro ta'sir almashish xarakteri. Erkin holatda bo'lgan barcha p-mezonlar elektr zaryadi, massasi va umri bo'yicha bir-biridan farq qiluvchi uch guruhga bo'linadi: π 0 , π + , π – . Erkin holatda bo'lib, ular quyidagi xususiyatlarga ega:

m p±= 273.2 m e, elektr zaryadi q= ± e, hayot paytida τ = 2,6 10 –8 s,

m p0 = 264.2 men, elektr zaryadi q= 0, umr bo'yi τ = 1,9 10 -16 s,

qayerda men elektronning massasi.

Proton va neytronlar barion zaryadiga ega. B= +1. p mezonlar barion zaryadiga ega emas ( DA= 0), shuning uchun bu zarralar almashinuvi paytida nuklonlarning barion zaryadi saqlanadi, bu tabiatning asosiy qonunidir.

Agar ikkita nuklon o'rtasida o'zaro ta'sir mavjud bo'lsa, demak, bu ikki nuklon doimiy ravishda boshqa zarrachalarni bir-biri bilan almashtiradi. Shunday qilib, nuklonlar va protonlar doimiy ravishda chiqaradi va yutadi π mezonlar, aniqrog'i:

a) chiqaradigan neytron π – -mezon, manfiy elektr zaryadini yo'qotadi va neytraldan musbat zaryadlangan nuklonga aylanadi, ya'ni. protonga; neytron faqat mos ravishda yuta oladi π + -mezon, protonga aylanadi;

b) proton, aksincha, faqat chiqaradi π + -mezon, mos ravishda, musbat zaryadlangan neytral nuklondan aylanadi, ya'ni. neytronga; faqat protonni yuta oladi π – -mezon, shunday qilib olinadi manfiy zaryad, o'zining ijobiy kompensatsiyasi va neytronga aylanishi;

v) proton va neytronlar ham chiqarishi va yutishi mumkin π 0 -mezon, o'zaro transformatsiyalar sodir bo'lmasa - proton proton, neytron - neytron bo'lib qoladi.

p mezonlari nuklondan nuklonga shunchalik tez o'tadiki, ularni o'tish holatida ko'rishning iloji yo'q. Ularni ro'yxatga olish uchun yadroning butunligini yo'q qilish kerak, bu juda katta energiya talab qiladi.

p-mezon almashinuvi nazariyasi bir qator afzalliklarga ega bo'lib, ular quyidagilarni o'z ichiga oladi: 1) qisqa masofali yadro kuchlarining mavjudligini tushuntirish, 2) yadro kuchlari ta'sirining kattalik va kattalikdan mustaqilligi sabablarini tushuntirish. elektr zaryadining belgisi. Shu bilan birga, nuklonlar o'rtasida 0,2 Fermi dan kichik masofalarda itarilish kuchlarining paydo bo'lishining fizik sababi hali tushuntirilmagan, yadro kuchlarining to'yinganligining fizik sababi va nuklon spinining ta'siri tushuntirilmagan. ular o'rtasidagi o'zaro ta'sir xususiyatlari hisobga olinmagan. Binobarin, yadro kuchlarining tabiatini o'rganish davom etmoqda.

Atom yadrolarining xossalari ularning tarkibi va tuzilishi bilan belgilanadi

1) yadrodagi proton va neytronlar soni;

2) bu zarrachalarning xossalari; ular o'rtasidagi o'zaro ta'sirning tabiati;

3) yadro ichidagi proton va neytronlarning nisbiy joylashishi va harakati.

Yadrolarning tarkibiy qismi sifatida protonlar va neytronlar birlashgan umumiy ism- nuklonlar; - yadrodagi nuklonlar soni.

Yadrolar odatda elementning kimyoviy belgisi bilan belgilanadi, sxema bo'yicha yadro tarkibini ko'rsatadigan raqamlar bilan jihozlangan.

Masalan, 11 proton va 12 neytrondan iborat natriy yadrosi quyidagicha yoziladi:

1300 ga yaqin yadro ma'lum va o'rganilgan, ulardan 267 tasi barqaror. Turg'un yadrolarning aksariyati juft qiymatlarga ega.Ulardan 159 tasi juft-juft, ya'ni ularning ikkalasi ham juft, ham yadrolari juft-toq-juft va faqat 5 ta barqaror yadro toq-toqdir:

(ammo vanadiyning yarimparchalanish davri juda uzoq - taxminan yillar). Bu ma'lumotlar proton va neytronlar sonining pariteti barqaror yadrolarning ichki tuzilishini to'ldirishda katta ahamiyatga ega ekanligini ko'rsatadi. Yadrolarda quyidagilar mavjud:

1) bir xil, lekin har xil izotoplar deyiladi;

2) bir xil, lekin har xil izotoplar deyiladi;

3) har xil, lekin bir xil bo'lganlar izobarlar deyiladi. Bundan tashqari, bir xil tarkibga ega bo'lgan, lekin ba'zi xususiyatlarda, xususan, yarim umrda farq qiluvchi yadrolar bo'lishi mumkin. Bunday yadrolar izomerlar deyiladi.

Tadqiqot uskunasida yadrolar, ayniqsa og'ir yadrolar, ularning atrofi bilan birga o'rganiladi. elektron qobiq. Shularni hisobga olib, yangi nuklid atamasi kiritildi - yadro uning zaryadini neytrallashtiradigan elektron qobiq bilan birga. Atom bor kimyoviy tushuncha; ko'p hollarda kimyoviy element izotoplar aralashmasidir (shuning uchun neytral atomlar bir xil miqdordagi protonli nuklidlar aralashmasidir).

Raqam yadrodagi neytronlarning ortiqcha ekanligini ko'rsatadi. Faqat bitta manfiy qiymatga ega bo'lgan yadro mavjud (geliy-3 yadrolarining qolgan qismiga ega, neytronlarning ortiqcha miqdori musbat son bo'lib, atom sonining ortishi bilan ortadi. IV-rasm. 100-rasmda barqaror juft-juft yadrolarning taqsimlanishi ko'rsatilgan. Kvadratlar yarim yemirilish davri juda katta (104 yil va undan ortiq) radioaktiv yadrolarni bildiradi.Bir xil miqdordagi neytronlarga (izotoplarga) ega boʻlgan yadrolar koordinata oʻqlariga 45° burchak ostida chizilgan toʻgʻri chiziqlarda yotadi. N = 20, 28, 50 va 82 ga to'g'ri keladigan bir nechta bunday chiziqlar chizilgan. Chiziqlarga perpendikulyar to'g'ri chiziqlarda joylashgan yadrolar bir xil kattalik qiymatiga ega (C - neytronlar soni

yadroga qo'shilishi kerak, shunda undagi neytronlar soni protonlar sonidan ikki baravar ko'payadi). Guruch. IV. 100-sonli yadrolarning oilalari va oilalariga qaraganda ko'proq ekanligini ko'rsatadi

Birining protonlari soni ikkinchisining neytronlari soniga teng bo'lgan ikkita yadro

oynalar deyiladi. Bularga, masalan,

19 juft oyna yadrolari mavjud; xarakterlidirki, bu juftlarning 16 tasida bitta yadro barqaror, ikkinchisi radioaktiv (qolgan uchta juftda ikkala yadro ham radioaktivdir).

Proton yoki neytronlar soni 2, 8, 20, 28, 50, 82 (neytronlar uchun ham 126) bo'lgan yadrolar juda keng tarqalgan va qo'shni yadrolar orasida asosiy xususiyatlari bilan keskin ajralib turadi. Ushbu yadrolar sehrli deb ataladi. Ikkala raqam ham sehrli bo'lgan yadrolar ikkilamchi sehr deb ataladi; bularga, masalan,

Tasavvur qilish uchun biz tabiiy element - xromdagi izotoplarning turli qiymatlarda nisbiy tarkibini keltiramiz

Eng oddiy atom vodorod atomining yadrosi bittadan iborat elementar zarracha proton deb ataladi. Boshqa barcha atomlarning yadrolari ikki turdagi zarrachalar, protonlar va neytronlardan iborat. Bu zarralar nuklonlar deb ataladi. Proton. Protonning zaryadi va massasi bor

Taqqoslash uchun biz elektronning massasi teng ekanligini ko'rsatamiz

(66.1) va (66.2) taqqoslashdan kelib chiqadiki, -proton yarmiga teng spinga va o'zining magnit momentiga ega.

Magnit momentning birligi yadro magnitoni deb ataladi. (33.2) bilan taqqoslashdan kelib chiqadiki, Bor magnetonidan 1836 marta kamroq. Shunday qilib, protonning ichki magnit momenti elektronning magnit momentidan taxminan 660 marta kichikdir.

Neytron. Neytron 1932 yilda ingliz fizigi D.Chedvik tomonidan kashf etilgan. Uning elektr zaryadi nolga teng, massasi esa

proton massasiga juda yaqin.

Neytron va proton massalari orasidagi farq 1,3 MeV ni tashkil qiladi, ya'ni.

Neytronning spini yarmiga teng va (elektr zaryadi yo'qligiga qaramay) o'zining magnit momentiga ega.

(minus belgisi ichki mexanik va magnit momentlarning yo'nalishlari qarama-qarshi ekanligini ko'rsatadi). Ushbu hayratlanarli faktning tushuntirishi § 69da keltirilgan.

E'tibor bering, eksperimental qiymatlarning nisbati katta darajada aniqlik -3/2. Bu shunday qiymat nazariy jihatdan olingandan keyingina sezildi.

Erkin holatda neytron beqaror (radioaktiv) - u o'z-o'zidan parchalanadi, protonga aylanadi va elektron va antineytrino deb ataladigan boshqa zarrachani chiqaradi (81-§ ga qarang). Yarim yemirilish davri (ya'ni, neytronlarning dastlabki sonining yarmi yemirilishi uchun ketadigan vaqt) taxminan 12 minut. Parchalanish sxemasini quyidagicha yozish mumkin:

Antineytrinoning massasi nolga teng. Neytronning massasi protonning massasidan kattaroqdir, shuning uchun neytronning massasi tenglamaning o'ng tomonida paydo bo'lgan zarrachalarning umumiy massasidan (66,7), ya'ni 0,77 MeV ga oshadi. Bu energiya shakldagi neytronning parchalanishi paytida chiqariladi kinetik energiya hosil bo'lgan zarralar.

Atom yadrosining xususiyatlari. Atom yadrosining eng muhim belgilaridan biri zaryad raqami Z. Yadroni tashkil etuvchi protonlar soniga teng bo'lib, uning zaryadini aniqlaydi, unga teng Z soni kimyoviy elementning tartib raqamini aniqlaydi. Mendeleyev davriy sistemasida. Shuning uchun u yadroning atom raqami deb ham ataladi.

Yadrodagi nuklonlar soni (ya'ni proton va neytronlarning umumiy soni) A harfi bilan belgilanadi va yadroning massa soni deb ataladi. Yadrodagi neytronlar soni

Yadrolarni belgilash uchun ishlatiladigan belgi

bu erda X elementning kimyoviy belgisidir. Massa raqami chap tomonda, atom raqami chap tomonda joylashgan (oxirgi belgi ko'pincha o'tkazib yuboriladi).

Ba'zan massa raqami kimyoviy element belgisining chap tomoniga emas, balki o'ng tomoniga yoziladi

Z bir xil, lekin har xil A bo'lgan yadrolar izotoplar deyiladi. Ko'pgina kimyoviy elementlarning bir nechta barqaror izotoplari mavjud. Shunday qilib, masalan, kislorod uchta barqaror izotopga ega: qalay o'nta va hokazo.

Vodorodning uchta izotopi bor:

Protiy va deyteriy barqaror, tritiy radioaktivdir.

Bir xil massa soni A bo'lgan yadrolar izobarlar deyiladi. Neytronlar soni bir xil bo'lgan yadrolarga misol tariqasida izotonlar deyiladi.Nihoyat, bir xil Z va A bo'lgan radioaktiv yadrolar mavjud bo'lib, ular yarim yemirilish davri bilan farqlanadi. Ular izomerlar deyiladi. Masalan, yadroning ikkita izomeri bor, ulardan birining yarim yemirilish davri 18 minut, ikkinchisining yarim yemirilish davri 4,4 soat.

1500 ga yaqin yadro ma'lum bo'lib, ular Z yoki A yoki ikkalasida farqlanadi. Bu yadrolarning taxminan 1/5 qismi barqaror, qolganlari radioaktivdir. Ko'pgina yadrolar yadro reaktsiyalari yordamida sun'iy ravishda olingan.

Tabiatda texnetiy va prometiy bundan mustasno Z atom raqami 1 dan 92 gacha bo'lgan elementlar mavjud.Plutoniy sun'iy yo'l bilan olinganidan keyin tabiiy mineral - smola aralashmasida arzimas miqdorda topilgan. Qolgan transuran (ya'ni transuran) elementlari (Z bilan 93 dan 107 gacha) turli yadro reaktsiyalari orqali sun'iy ravishda olingan.

Transuran elementlari kuriy, eynshteyn, fermiy) va mendeleviy) atoqli olimlar P. va M. Kyuri, A. Eynshteyn, E. Fermi va D. I. Mendeleyevlar sharafiga nomlangan. Lorensiy siklotron ixtirochisi E. Lourens nomi bilan atalgan. Kurchatovy) o'z nomini taniqli sovet fizigi I. V. Kurchatov sharafiga oldi.

Baʼzi transuran elementlari, jumladan kurchatoviy va 106 va 107 raqamlari boʻlgan elementlar Sovet olimi G. N. Flerov va uning hamkorlari tomonidan Dubnadagi Birlashgan Yadro tadqiqotlari institutining Yadro reaksiyalari laboratoriyasida olingan.

Yadro o'lchamlari. Birinchi yaqinlashishda yadroni radiusi formula bilan aniq aniqlangan shar deb hisoblash mumkin.

(Fermi - yadro fizikasida qo'llaniladigan uzunlik birligining nomi, sm ga teng). (66.8) formuladan kelib chiqadiki, yadro hajmi yadrodagi nuklonlar soniga proporsionaldir. Shunday qilib, barcha yadrolardagi moddalarning zichligi taxminan bir xil.

Yadroning aylanishi. Nuklonlarning spinlari yadroning hosil bo'lgan spiniga qo'shiladi. Nuklonning spini shuning uchun kvant soni yadro spini l toq sonli A nuklonlari uchun yarim butun son, juft A uchun esa butun yoki nolga teng bo'ladi. l yadrolarining spinlari bir necha birlikdan oshmaydi. Bu shuni ko'rsatadiki, yadrodagi ko'pchilik nuklonlarning spinlari antiparallel bo'lib, bir-birini bekor qiladi. Barcha juft-juft yadrolar (ya'ni, protonlari juft va neytronlari juft sonli yadrolar) spini nolga teng.