Каковы особенности ядерных сил кратко

Обновлено: 05.07.2024

К четко выраженным особенностям ядерных сил относится насыщение. Эта особенность не может быть объяснена только взаимодействиями, по своей природе подобными электрическим. Аналогично возможен переход нейтрального я-ме-зона от протона к протону либо от нейтрона к нейтрону. Суммарная энергия системы нуклон - нуклон при таких переходах остается, естественно, неизменной. [3]

А) Осноаными особенностями ядерных сил являются их очень значительная величина и очень малый радиус дгиствия. [4]

Весьма плодотворной для уяснения особенностей ядерных сил явилась мезонная теория, выдвинутая и развитая Юкавой. Согласно мезонной теории, каждый нуклон окружен мезонным полем, посредством которого он взаимодействует с другими нуклонами. Подобно тому, как электрическое взаимодействие связано с переносом фотона от одного заряженного объекта к другому, возникновение ядерных сил, согласно мезонной теории, обусловлено переносом частицы, названной мезоном. Свойствам этой частицы хорошо удовлетворяет открытая в 1947 г. частица с массой, равной 270 электронным массам, и названная я-мезоном. [5]

Ядерная физика в самом широком ее понимании исследует строение атомных ядер, особенности ядерных сил , законы превращения ядер при ядерных реакциях и распаде, а также их взаимодействия с другими ядрами и частицами. Узловые моменты ядерной теории, конечно же, необходимы для более полного понимания обсуждаемых в третьей части книги вопросов, связанных с механической реализацией гиперреактивного движения с помощью разработанного инструмента его осуществления в виде цепных ядерных реакций деления во внешних направленных электромагнитных полях. Электромагнитные тороидальные вакуумные ядерные генераторы, в недрах которых как раз и происходят эти управляемые ядерные реакции на быстрых нейтронах, могут рассматриваться как своеобразный слепок с лазерных квантовых генераторов в области производства и поддержания сверхвысоких значений ядерной и электромагнитной энергий. [6]

Свойство насыщения - каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом окружающих нуклонов. Эта особенность ядерных сил вытекает из того, что удельная энергия связи слабо зависит от числа нуклонов в ядре. [7]

Ядерные силы должны обладать каким-то свойством, которое приводит к насыщению, т.е. к закону Е А. Это происходит при достаточно высоких плотностях в атомных ядрах, как и в любых системах, состоящих из нуклонов. Особенностью ядерных сил должно быть притяжение при небольшом числе нуклонов и отталкивание, когда нуклонов становится много. Насыщаются и химические силы: два атома водорода образуют молекулу, но третий атом не может к ним присоединиться. В ядерных силах насыщение возникает в результате влияния нескольких эффектов. [8]

При рассмотрении вопросов строения ядра был приведен ряд опытных данных о свойствах ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами. В настоящее время трудности определения всех количественных соотношений пока не преодолены. Источниками наших сведений об особенностях ядерных сил являются экспериментальные исследования, важнейшие из которых будут рассмотрены ниже. [9]

Следует, наконец, остановиться на нелинейных квантовых теориях, не связанных непосредственно с унитарной программой. Говоря об индуцированных нелинейностях, мы уже упоминали о контактных мезон-мезонных взаимодействиях, учет к-рых осуществляется путем феноменологич. Значительный произвол в способах введения таких нслпиейностей может быть уменьшен, если привлечь экспериментальные данные и соображения простоты. Интересны попытки связать нелинейность мезодинамики с особенностями ядерных сил , с проблемой множественного образования частиц. [11]

Очевидно, что электромагнитные распады ядер, как и аналогичные процессы в атомах и молекулах, связаны и перестройкой ядра в целом. Что же касается слабых распадов, го хотя свойства конкретного ядра оказывают на них определенное влияние, по существу, это процессы взаимного превращения нуклонов. Последнее, в частности, следует из того факта, что электроны ( позитроны), испускаемые при р-распаде, не могут, как было показано выше, входить в состав ядра. Они рождаются вместе с нейтрино в момент превращения нуклонов пир друг в друга. Поэтому для изучения особенностей слабых ядерных сил достаточно познакомиться с Р - - распадом нейтрона и с родственными ему процессами. [12]

А | Б | В | Г | Д | Е | Ж | З | И | К | Л | М | Н | О | П | Р | С | Т | У | Ф | Х | Ц | Ч | Ш | Щ | Э | Ю | Я

Особенности ядерных сил

Огромная энергия связи нуклонов в ядрах (по сравнению с энергией связи электронов в атоме) означает, что между нуклонами действуют мощные ядерные силы притяжения, по сравнению с которыми электромагнитные силы отталкивания в сотни раз слабее.

Механизм взаимодействия нуклонов

Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется посредством силовых полей. Так, покоящийся электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое воздействует на другой заряд с некоторой силой.

Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля: всякому полю должна соответствовать определенная частица – квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодействий частиц и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуществляется путём обмена фотонами).

При взаимодействии нуклонов квантами поля являются π-мезоны, существование которых было предсказано Юкавой (1935 г.). По его оценке эти частицы занимали промежуточное положение по массе между электроном и нуклоном. И такие частицы были экспериментально обнаружены.

Взаимодействие между нуклонами, возникающее в результате обмена квантами массы m, приводит к появлению потенциала U(r):

Квантовая природа подобных процессов взаимодействия заключается в том, что они могут происходить только благодаря соотношению неопределенностей. По классическим законам такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии. Ясно, что, например, покоившийся свободный нейтрон не может самопроизвольно превратиться в нейтрон +π-мезон, суммарная масса которых больше массы нейтрона.

Квантовая теория этот запрет устраняет. Согласно ей энергия состояния системы, существующего время Δt, оказывается определенной лишь с неопределенностью ΔE, удовлетворяющей соотношению ΔE∙Δt ~ ћ. Из этого соотношения следует, что энергия системы может претерпевать отклонения ΔE, длительность которых не должна превышать величины Δt ≈ ћ/ΔE.

В этом случае нарушение закона сохранения энергии при испускании π-мезона обнаружить нельзя.

Согласно соотношению неопределенностей энергия-время испущенный π-мезон с энергией mπc 2 (а это есть величина ΔE) может существовать только конечное время, которое не больше, чем:

По истечении этого времени π-мезон поглощается испустившим его нуклоном. Расстояние, на которое π-мезон удаляется от нуклона, при этом составляет:

что равно комптоновской длине волны π-мезона λc = λc/2π.

Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называют виртуальными .

Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами — возникает ядерное взаимодействие. В этом и состоит механизм взаимодействия нуклонов. Мы видим, что радиус действия ядерных сил имеет порядок комптоновской длины волны (2.21). Из опыта известно, что этот радиус порядка 10 −13 см, что позволяет с помощью (2.21) оценить массу π-мезона: m_π ~ 270m_e.

Зависимость радиуса действия ядерных сил от массы виртуальных частиц – переносчиков взаимодействия – это фундаментальный квантовый закон . Именно этим законом определяется дальнодействие электромагнитных сил, поскольку кванты электромагнитного поля – виртуальные фотоны являются безмассовыми частицами, которые могут иметь сколь угодно малую энергию.

Если нуклону передать энергию не меньше, чем энергия покоя π-мезона, то один или несколько виртуальных мезонов могут быть превращены в обычные π-мезоны, существующие независимо от нуклона Это происходит, например, при столкновении нуклонов достаточно высоких энергий.

А | Б | В | Г | Д | Е | Ж | З | И | К | Л | М | Н | О | П | Р | С | Т | У | Ф | Х | Ц | Ч | Ш | Щ | Э | Ю | Я

Строение атомного ядра. Ядерные силы

Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра.
Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.

Протонно-нейтронная модель ядра

Согласно протоннонейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке.
Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

A = Z + N

Массы протона и нейтрона близки друг к другу, и каждая из них примерно равна атомной единице массы.
Масса электронов в атоме много меньше массы его ядра.
Поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента.
Массовые числа могут быть определены путем приближенного измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точностью.

Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением Z, но с различными массовыми числами А, т. е. с различными числами нейтронов N.

Ядерные силы

Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими.
Это не гравитационные силы, которые слишком слабые.
Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами, так как между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание.
А нейтроны не имеют электрического заряда.

Значит, между ядерными частицами — протонами и нейтронами, их называют нуклонами — действуют особые силы, называемые ядерными силами.

Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы примерно в 100 раз превышают электрические (кулоновские) силы.
Это самые мощные силы из всех существующих в природе.
Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре.
Это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями.

Другая важная особенность ядерных сил — их коротко- действие.
Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния.
Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра (10 -12 —10 -13 см), что показали уже опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц атомными ядрами.
Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана.
Значительные успехи в ее разработке были достигнуты совсем недавно — в последние 10—15 лет.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы удерживаются в ядре ядерными силами.

Изотопы

Изучение явления радиоактивности привело к важному открытию: была выяснена природа атомных ядер.

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно обнаружилось, что существуют вещества, тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся по-разному).
Их никак не удавалось разделить ни одним из известных химических способов.
На этом основании Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью.
Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева.
Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях.
Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов.
Бо́льшая часть их имеет относительную массу, равную 20.
Но существует незначительная часть атомов с относительной атомной массой 22.
В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2.
Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой.

Оба вида атомов неона, естественно, занимают одно и то же место в таблице Д. И. Менделеева и, следовательно, являются изотопами.
Таким образом, изотопы могут различаться не только своими радиоактивными свойствами, но и массой.
Именно поэтому у изотопов заряды атомных ядер одинаковы, а значит, число электронов в оболочках атомов и, следовательно, химические свойства изотопов одинаковы.
Но массы ядер различны.
Причем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными.
Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу.

В настоящее время установлено существование изотопов у большинства химических элементов.
Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы.
Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

Особенно интересны изотопы водорода, так как они различаются по массе в 2 и 3 раза.
Изотоп с относительной атомной массой 2 называется дейтерием.
Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород.
При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода.
Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды.
При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и замерзает при 3,8 °С.

Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием.
Он β-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет.

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома.
Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.

Примечательно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам.
А вот атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел.
Так, относительная атомная масса хлора равна 35,5.
Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях.
Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.

Большинство химических элементов имеют изотопы.
Заряды атомных ядер изотопов одинаковы, но массы ядер различны.

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика