Взаимодействие нуклонов в ядре

Ядерные силы - особые силы, действующие между частицами, образующими атомные ядра (нейтронами и протонами). Опыты привели к заключению, что ядерные силы взаимодействия между парами частиц протон-протон, нейтрон-протон, нейтрон-нейтрон одинаковы. В явлениях, зависящих только от ядерных сил, нейтрон и протон ведут себя подобно. Эти две частицы объединяют общим термином нуклон.

Наиболее характерной особенностью ядерных сил является короткодействие - они достигают очень большой величины при сближении нуклонов на расстояние порядка 10^-13 см, но при увеличении этого расстояния всего в несколько раз так сильно спадают, что ими можно пренебречь.

Нуклон создаёт в окружающем пространстве поле ядерных сил, и это поле действует на другие нуклоны, попадающие в сферу его влияния. Чем больше масса покоя, тем меньше сфера действия сил.

Очевидно, между нуклонами в ядре действуют силы притяжения неэлектрической природы. Эти силы получили название ядерных. Взаимодействие нуклонов получило название сильного взаимодействия.

Свойства ядерных сил: зарядовая независимость; короткодействующий характер (ядерные силы действуют на расстояниях, не превышающих 2·10^{-15 м); насыщаемость (ядерные силы удерживают друг возле друга не больше определенного числа нуклонов).}

Энергия, которую надо затратить, чтобы, преодолев ядерные силы, расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи атомного ядра. Как следует из закона сохранения энергии, если ядро образуется из отдельных нуклонов, то энергия связи ядра в момент его формирования выделяется в виде излучения.

Масса стабильных ядер меньше суммы масс входящих в ядро нуклонов, разность этих величин и определяет энергию связи ядра:

E_св = Zm_p + (A – Z)m_n – M_N(A,Z), здесь M_N(A,Z) – масса ядра, Z – число протонов в ядре, А – число нуклонов. Однако в таблицах масс приводятся, как правило, не массы ядер, а массы нейтральных атомов либо величины «избытков масс» Δ = M – A, где М – масса нейтрального атома в МэВ. Это связано, в первую очередь, с методикой измерения масс с помощью масс-спектрометров.

Часто массы нейтральных атомов приводят в единицах

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи: dЕ=ΔЕ/А

Удельная энергия связи равна энергии, которую необходимо затратить. чтобы удалить из ядра 1 нуклон. Вычисление dЕ проведены для всех химических элементов.

На основании этого анализа сделан вывод о том, что практически можно осуществить два способа высвобождения внутриядерной энергии:

 деление тяжелых ядер (цепная реакция)

 синтез легких ядер (термоядерная реакция).

32. Ядерная реакция - это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов - протонов и нейтронов).

Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления - это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

При благоприятных условиях нейтроны могут попасть в другие ядра и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция - часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп урана-238 также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Реакция синтеза легких ядер может начаться и протекать лишь при нагреве вещества до температуры, при которой кинетическая энергия теплового движения ядер становится достаточной для преодоления сил взаимного электрического отталкивания, действующих между ними.

Реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие в условиях нагрева вещества до температуры десятков миллионов градусов и более, называются термоядерными.

Реакция синтеза ядер происходит с большой скоростью, при этом выделяется достаточно большое количество энергии.

33. Элементарные частицы, в узком смысле - частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В современной физике термин " элементарные частицы " используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Элементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимодействие обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три основные группы.

Первую составляют так называемые бозоны - переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физического воздействия и является одной из фундаментальных физических постоянных; принято, что с = (299792458±1,2) м/с.

Третья группа элементарных частиц - адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиболее многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином ½ћ, мезоны - частицы с целочисленным спином (0 или 1); а также так называемые резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ p) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m _e и равной 1,672648×10^-24 г (≈938,3 МэВ), и положительным электрическим зарядом, равным заряду нейтрон (символ n) - электрически нейтральная частица, масса которой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все атомные ядра, именно сильное взаимодействие обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые свойства и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопическим спином ½ћ (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной: Λ-гиперон имеет массу 1116 МэВ, Σ-гиперон - 1190 МэВ, Θ-гиперон - 1320 МэВ, Ω-гиперон - 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона (π-мезон, K -мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положительным и отрицательным элементарным электрическим зарядом). Все мезоны по своим статистическим свойствам относятся к бозонам.

Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e^-e⁺, мюонных пар μ⁺μ^- новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc - и bb -состояний. Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).