• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Дефект маси та енергія зв’язку ядра. Ядерні сили

Користуючись таблицею мас ізотопів легко пересвідчитись, що маса ядра завжди менша від суми мас нуклонів, з яких воно складається. Величину

(8.3)

називають дефектом маси ядра. Його існування зумовлене тим, що при об’єднанні нуклонів в ядро виділяється енергія. Її можна розрахувати за формулою Ейнштейна

, (8.4)

де с – швидкість світла у вакуумі. Очевидно, щоб розкласти ядро на невзаємодіючі нуклони, потрібно таку ж енергію затратити. Ця енергія

(8.5)

називається енергією зв’язку ядра.

Для практичних застосувань співвідношення (8.5) зручно записувати у вигляді

, (8.6)

де – маса атома водню, а m_a – маса атома, ядро якого розглядається. При переході до наближеної формули (8.6) нехтують малою енергією зв’язку електронів; зручність цієї формули полягає у тому, що в довідниках наводяться не маси ядер , а маси атомів . На основі (8.4) можна пересвідчитись, що 1а.о.м. еквівалентна енергії 931,5 МеВ; тому, виражаючи фігурну дужку формули (8.6) в а.о.м., для енергії зв’язку ядра в МеВ одержують

. (8.7)

Очевидно, енергія зв’язку ядра характеризує міцність ядра. Зручно ввести в розгляд так звану питому енергію зв’язку (енергія зв’язку, що припадає на один нуклон). Розрахунки показують, що ця величина залежить від масового числа А елемента (рис.8.1).

Для легких ядер стрибкоподібно зростає до 6 – 7 МеВ, далі більш повільно зростає до максимального значення 8,7 МеВ для елементів з масовим числом А ~ 50 – 60, а тоді повільно зменшується для важких елементів (наприклад, для ). Аналіз кривої показує:

- найбільш стійкими є ядра середньої частини таблиці елементів Менделєєва;

- енергетично можливими є два процеси, які повинні супроводжуватися виділенням енергії, – процес поділу важких ядер і процес синтезу легких ядер.

Величезна питома енергія зв’язку ядра свідчить, що між нуклонами в ядрі діють особливі сили, які значно переважають електромагнітну та гравітаційну взаємодію нуклонів. Ядерна взаємодія між нуклонами одержала назву сильної взаємодії. Ядерні сили характеризуються такими особливостями:

- короткодіючі: в ядрі, (на відстанях r~10^–15м) зумовлюють ефективне притягання між нуклонами; поза ядром (при r > 10^–14м) практично зникають; при r < 10^–15м стають силами відштовхування і це суттєво, щоб ядро не колапсувало;

- зарядовонезалежні, тобто мають неелектричну природу;

- залежать від взаємної орієнтації спінів нуклонів;

- мають спін-орбітальний характер (залежать від взаємної орієнтації спіна і орбітального момента нуклона);

- є нецентральними (не напрямлені вздовж прямої, що з’єднує центри нуклонів);

- мають властивість насичення, тобто діють лише між найближчими сусідами.

У 1934 р. І.Є. Тамм висунув гіпотезу, що сильна взаємодія повинна мати обмінну природу. По аналогії з електромагнітною взаємодією, яка квантовою електродинамікою описується як процес віртуального обміну електронів фотонами

, (8.8)

нуклони в ядрі повинні обмінюватись деякими віртуальними частинками з масою, відмінною від нуля. Дійсно, віртуальними називаються частинки, час життя яких менший від того, що визначається співвідношенням невизначеностей

, (8.9)

де – невизначеність енергії квантового стану, – тривалість існування цього стану. Очевидно, радіус дії обмінних сил оцінюється величиною

,

тобто він може бути скінченним, якщо маса віртуальної частинки відмінна від нуля.

У 1935 р. Х. Юкава показав, що для пояснення величини ядерних сил слід припустити існування віртуальних частинок з масою у 200–300 разів більшою від маси електрона. Віртуальна частинка може стати реальною, якщо їй надати достатньої енергії. Подібні частинки з масою у 1936 р. виявили К. Андерсон і С. Неддермайер в космічних променях; вони дістали назву м’юонів (μ-мезонів). Проте, лабораторними дослідженнями було доведено, що м’юони практично не взаємодіють з ядрами, тому не можуть бути носіями ядерних сил. У 1947 р. С. Поуелл і Дж. Оккіаліні виявили в космічних променях ще один тип мезонів, які назвали -мезонами (піонами). Вони і виявились носіями ядерних сил. Існують три типи піонів: . Заряд –мезонів за абсолютною величиною рівний елементарному зарядові е, їх маси: , . Спін усіх – мезонів S = 0, всі вони нестабільні; час життя , . В основному піони розпадаються за схемами:

де – м’юони, – м’юонні нейтрино і антинейтрино, γ – g‑квант.

За рахунок процесів:

, (8.10)

, (8.11)

, (8.12)

здійснюється обмін нуклонів віртуальними піонами, що приводить до сильної взаємодії нуклонів. Така модель підтверджується дослідами по розсіянню нейтронів на протонах. При проходженні пучка нейтронів через водень у пучку з’являються протони, які мають енергію і напрямок руху нейтронів; відповідне число нерухомих нейтронів виявляється в мішені. Природно припустити, що нейтрон, пролітаючи поблизу протона, захоплює віртуальний p⁺-мезон. В результаті нейтрон перетворюється в протон, а протон, який втратив свій заряд, перетворюється в нейтрон (рис. 8.2).

На основі процесів (8.10), (8.11) можна також пояснити магнітні моменти протона і нейтрона. Від’ємний магнітний момент нейтрона зумовлений орбітальним рухом p^––мезона у віртуальному стані нейтрона (8.11);. аномальний магнітний момент протона (більший від одного магнетона) зумовлений орбітальним рухом p⁺–мезона у віртуальному стані протона (8.10).

Незважаючи на пояснення природи ядерних сил, послідовна кількісна теорія ядра донині не побудована, бо являє собою громіздку квантову задачу багатьох тіл, в якій закон дії ядерних сил невідомий. Це спонукає йти по шляху створення моделей ядра, які, за рахунок введення певних параметрів, що підбираються в узгодженні з дослідом, дозволяють простими засобами описувати деяку сукупність властивостей ядра. Найбільш вживаними з них є краплинна та оболонкова моделі ядра.

Краплинна модель ядра (К.Вейцзеккер, Я.І.Френкель, Н.Бор, 1935–1939р.), базуючись на властивості насичення ядерних сил і молекулярних сил в рідині, уподібнює ядро до зарядженої краплини рідини. Це дозволило одержати напівемпіричну формулу для енергії зв’язку ядра і, зокрема, пояснити процеси поділу важких ядер.

Оболонкова модель ядра (М. Гепперт-Майєр, Х. Ієнсен, 1949–1950р.) базується на уявленні, що нуклони рухаються незалежно в усередненому центрально-симетричному полі. У зв’язку з цим виникають дискретні енергетичні рівні, які заповнюються нуклонами на основі принципу Паулі. Ці рівні групуються в оболонки, в кожній з яких може перебувати певне число нуклонів. Повністю заповнена оболонка є особливо стійким утворенням. Такими особливо стійкими (магічними) виявляються ядра, у яких число протонів Z або число нейтронів N рівні: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Ядра, у яких магічними є Z та N, називаються двічі магічними. Їх відомо п’ять: , вони особливо стійкі.

Відома також узагальнена модель ядра (О. Бор, Б. Моттельсон, 1952 – 1953 рр.), що є спробою синтезу двох попередніх. Проте, кожна з цих моделей не характеризує загальної поведінки ядер.

Читайте також:

1. Аналогія величин і рівнянь поступального і обертального руху. Кінетична енергія обертання тіла
2. Важливим параметром конденсаторів є пробивна напруга конденсатора. Чим вона більша, тим надійніший конденсатор, тим більша енергія може сконцентруватись на ньому.
3. Вибір раціональних способів усунення заданих дефектів
4. Вибір раціональних способів усунення заданих дефектів
5. Вибір способів усунення дефектів
6. Вимоги до якості і дефекти консервів
7. Власна енергія зарядів.
8. Внутрішня енергія реального газу
9. Внутрішня енергія реального газу
10. Внутрішня енергія системи
11. Внутрішня енергія та ентальпія
12. Встановлення зв’язку нещасного випадку з виробництвом.

Переглядів: 2505