Раздел Vll. Элементы ядерной физики
И физики элементарных частиц
Тема 22.Атомное ядро.
Состав атомных ядер.
Ядро (Я) - центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд.
Я состоит из протонов (p) и нейтронов (n), общее название которых – нуклоны.
Характеристики протона и нейтрона
p
1)  ;
2)  ;
3)  ;
| n
1)  ;
2)  ;
3) ;
|
4)Собственный магнитный момент
 ;
|  ;
|
где 
- “ядерный магнетон” - единица магнитного момента;
5)Время жизни в свободном состоянии
 лет;
|  мин;
|
5)Размеры 
(Ферми); 
;
6)Плотность вещества 
.
Взаимопревращения в Я:
;
.
Взаимодействие нуклонов.
Нуклоны во всех фундаментальных взаимодействиях: гравитационном; слабом; электромагнитном; сильном (фундаментальные - взаимодействия, которые нельзя представить как результат действия более простых взаимодействий).
В Я гравитационное взаимодействие мало; слабое проявляется во взаимопревращении частиц; электромагнитное – в кулоновском и электромагнитном взаимодействии ядер и взаимодействии их с излучением; сильное – в виде ядерных сил.
Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 
(1 Ферми), слабого - 
(
), то есть оба взаимодействия – короткодействующие.
22.2.2.Ядерные силы.
Нуклоны внутри Я удерживаются яд. силами. Нуклоны имеют сложную структуру. На это, в частности, указывает наличие собственного магнитного момента у n.
Рис.22.1.
|
Свойства яд. сил (установлены экспериментально):
1.Короткодействие - радиус действия я. сил 
.
2.Силы притяжения быстро 
при 
расстояния между нуклонами (рис.22.1) 
каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным количеством нуклонов. Такое свойство я. сил называется насыщением. При сближении нуклонов (
) появляются силы отталкивания.
3. Яд. силы не обладают центральной симметрией.
4. Интенсивность яд. взаимодействия зависит от взаимной ориентации спинов нуклонов: при 
ориентации она больше, чем при 
. С учетом принципа Паули среди возможных систем из двух нуклонов: (nn,pp,pn) наблюдаются только связанные p и n ).
5. Яд. взаимодействие не зависит от электрического заряда нуклонов.
Модели ядра.
Описание Я затруднено, так как:
n недостаточно известен характер взаимодействия нуклонов;
n Я - квантовая система многих сильно взаимодействующих частиц.
Наиболее часто используют две приближенных модели Я:
- капельная (Борн,1936г.);
-оболочечная (М. Гепперт-Майер и И.Ч. Йенсон, 1949-1950гг.).
В капельной модели Я - капля заряженной несжимаемой и сверхплотной жидкости. Плюсы модели:
- получить полуэмпирическую формулу энергии связи Я;
- определить соотношение между числом p и nв стабильных Я;
- качественно объяснить процесс деления тяжелых Я и др.
Но эта модель не описывает особенности основных и возбужденных состояний Я.
Оболочечная модель Я строится по аналогии с оболочечной моделью многоэлектронного атомов.
В основе модели - замена реальных межнуклонных сил действием общего для всех нуклонов силового центра, в поле которого движутся отдельные нуклоны, а потенциальная функция подбирается так, чтобы найденные на ее основе решения соответствовали наблюдаемым свойствам Я.
Рис.22.2.
|
Из этой модели следует квантованием энергетических состояний Я.
Энергетические уровнигруппируются в оболочки - группы уровней, интервалы между которыми значительно меньше интервалов между уровнями соседних оболочек (Рис.22.2).
Если все уровни верхней оболочки заняты нуклонами, образуется устойчивое состояние Я. Из опыта: оболочки заполнены при 
или 
, равными 2, 8, 20,28, 50, 82,126. Эти числа и соответствующие им Я называются магическими. Если у Я и , и 
магические, то Я особо устойчивы и называются дважды магическими (это: 
).
Плюсы модели:
качественно объясняет свойства легких и средних Я ядер, значение спинов, линейчатый спектр 
- излучения, существование изомеров - долгоживущих возбужденных Я ядер.
Характеристики атомного ядра.
1.Атомный номер указывает на заряд Я 
, где - число протонов в ядре.
2. Массовое число указывает на число нуклонов в Я ядре 
, где 
- число нейтронов.
Обозначение Я: 
, где 
- символ химического элемента.
Я с одинаковыми , но различными 
, называются изотопами (
). Всего известно более 2000 изотопов; из них около 300 - устойчивых.
Я с одинаковыми , но разными , называют изобарами (
; 
).
Я с одинаковыми называют изотонами (
).
3.Размер и плотность Я.
Размер
,
где 
.
Объем Я:
.
Таким образом, плотность вещества во всех Я одинакова:
.
4.Собственный механический момент Яскладывается из орбитальных и спиновых моментов нуклонов и квантуется, как и в атоме. Так как спины нуклонов в Я компенсируются, то спины Я малы (от 
до 
).
5.Магнитные моменты Я малы (т.к. яд. магнетон в 1836 раз меньше магнетона Бора).