Ядерные силы

Свойства ядерных сил:

Притяжение: ядерные силы короткодействующие, поэтому притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

Насыщенность: каждый нуклон в ядре взаимодействует с определённым числом нуклонов.

Независимость от ориентации спина: зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов.

Независимость от заряда: ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном имеет одинаковую величину.

Магические числа для особо стабильных ядер – числа протонов или нейтронов, особо устойчивых ядер (2, 8, 20, 28, 50, 83, 126). Также существуют дважды магические ядра.

Модели ядер: капельная и оболочечная.

Капельная: связана с коротковременным действием нуклонов в ядре и крайне малой сжимаемостью ядерного вещества.

Оболочечная: нуклоны движутся независимо в усреднённом центрально-симметричном поле, что приводит к образованию оболочек, в каждой из которых находится определенное количество нуклонов.

ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ - свойство симметрии сильных взаимодействий, обусловливающее существование особых семейств адронов - т. и. изотопических мультиплетов, состоящих из частиц с одинаковыми квантовыми числами (барионным числом, спином, внутренней чётностью, странностью и т. д.), близкими по значению массами, но с отличающимися электрич. зарядами.

, , , ,

1°. Силы, действующие между нуклонами в ядре и обес­печивающие существование устойчивых ядер, называются ядерными силами. Ядерные силы являются особыми силами, отличными от гравитационных сил (1.2.8.1°) и сил электро­магнитного взаимодействия (III. 1.3. Г). Взаимодействие между нуклонами является примером сильных взаимодей­ствий между элементарными частицами (VI.5.4.Г).

■ 2°. Ядерные силы обладают рядом особых свойств:

а) Эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, из­вестных в классической физике.

б) Ядерные силы — силы короткодействующие. Они про­являются лишь на весьма малых расстояниях между нук­лонами, сравнимых с линейными размерами самих нукло­нов. Расстояние г, на котором действуют ядерные силы, на­зывается радиусом действия ядерных сил (r«2-Ю" ¹⁶ м).

в) Они обладают свойством зарядовой независимости: ядерные силы, действующие между двумя протонами, меж­ду двумя нейтронами или между протоном и нейтроном, одинаковы. Отсюда следует, что ядерные силы не могут иметь электромагнитной природы. Равество сил, действую­щих между двумя протонами, двумя нейтронами, а также протоном и нейтроном, подтверждается сравнением энер­гетических уровней пар зеркальных ядер: с точностью до постоянного сдвига системы этих уровней идентичны. Яд­ро В называется зеркальным по отношению к ядру А, если число [[ротонов в В равно числу нейтронов в А, а число нейтронов в В равно числу протонов в А. Простейшие зер­кальные ядра трития? Н и гелия 'Не имеют энергии связи, равные соответственно 8, 49 МэВ и 7, 72 МэВ. В обоих ядрах имеется по три нуклона, в ядре трития они связаны сильнее, чем в ядре гелия. В ядре гелия взаимное отталкивание двух протонов уменьшает энергию связи на (8, 49—7, 72) МэВ. Принимая потенциальную энергию П (г) отталкивания про­тонов П (г)=е²/(4пе₍₎)г=0, 77 МэВ, можно оценить расстоя­ние между протонами в ядре jHe. Оно оказывается равным 1, 9-КЗ^-15 м и соответствует радиусу действия ядерных сил.

г) У них имеется свойство насыщения: каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра. Это свой­ство вытекает из практически линейной зависимости энер­гии связи А Е_св в ядре от массового числа А. Если бы насы­щения не было и каждый из А нуклонов взаимодействовал бы со всеми (А—1) нуклонами, то энергия связи была бы про­порциональна числу пар нуклонов в ядре, т. е. числу соче-

Д/Д Д2 Д

таний из А частиц по две: ——- = —2—• Зависимость

А£ _свот А была бы нелинейной, а квадратичной. Подобно то­му, как насыщение ковалентной химической связи (VI.3.3. Г) приводит к образованию устойчивых групп атомов — моле­кул, так и насыщение ядерных сил обусловливает устойчи­вость определения групп нуклонов. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у а-частицы, представ­ляющей собой устойчивое образование из двух протонов и двух нейтронов (VI.4.4.2°).

д) Ядерные силы не являются центральными силами (нецентральность ядерных сил), в отличие от кулоновских и гравитационных сил, которые зависят от расстояния между частицами (центральные силы — 1.2.8.1°).

Это проявляется в том, что ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов, от того, параллельны они или а непараллельны (VI.2.8.2°). Опытным путем дока­зано, что поток нейтронов рассеивается по-разному на моле­кулах орто- и параводорода. Параводородом называется молекула Н₂, у которой спины обоих протонов в ядрйх а н- типараллельны. В молекуле ортоеодорода спины обоих протонов параллельны. Если бы взаимо­действие нуклонов не зависело от ориентации их спинов, то рассеяние нейтронов на орто- и параводороде происходи­ло бы одинаково.

е) Ядерные силы имеют обменный характер. Это прояв­ляется в том, что силы, действующие между двумя ядерными частицами, рассматриваются как результат обмена между ними некоторой промежуточной частицей.

3°. Ядерные силы детально не изучены до настоящего времени. Законченной теории ядерных сил пока не сущест­вует. Плодотворным методом изучения различных свойств атомного ядра является метод моделей ядра, основанный иа внешней аналогии свойств атомных ядер со свойствами дру­гих систем, хорошо изученных в физике.

4°. Простейшая, капельная модель ядра использует внеш­нюю аналогию следующих шести свойств атомного ядра и заряженной положительно капли жидкости:

а) Малый радиус действия ядерных сил и сил взаимо­действия между молекулами в капле жидкости.

б) Свойство насыщения сил, действующих между моле­кулами жидкости, и насыщение ядерных сил.

в) Постоянная плотность вещества в капле жидкости, не зависящая от числа молекул, входящих в каплю. Средняя плотность ядерного вещества также постоянна и не зависит от числа нуклонов в ядре.

г) В капле жидкости и атомном ядре существует опреде­ленная подвижность частиц — молекул в капле и нукло­нов в ядре.

д) Энергии притяжения нуклонов в ядре, обусловленной ядерными силами, соответствует энергия межмолекулярного притяжения в капле жидкости. Энергия связи в ядре должна уменьшаться за счет кулоновского отталкиваний одноименно заряженных протонов. С увеличением числа прогонов в ядрах этот эффект должен возрастать. Этому соответствует в капле жидкости снижение ее устойчивости с увеличением массы, т. е. возрастанием числа молекул в капле.

е) Молекулы жидкости, находящиеся на ее поверхности, испытывают одностороннее притяжение внутрь жидкости, характеризуемое коэффициентом поверхностного натяже­ния жидкости (11.6.1.3°). Нуклоны, находящиеся на «по­верхности» ядра, испытывают одностороннее притяжение внутрь ядра, обусловленное ядерными силами. Это притя­жение можно также характеризовать некоторым коэффи­циентом поверхностного натяжения ядра-капли. Ядро мо­жет характеризоваться величиной поверхностной энер­гии, подобной энергии поверхностного слоя жидкости (11.6.1.2°).

5°. Атомное ядро называется устойчивым (стабильность атомного ядра), если его состав не изменяется с течением времени. Соотношение между числом протонов Z_y(T и мас­совым числом А в устойчивом ядре согласно капельной мо­дели:

А

7 ______________

S" 1, 98 + 0, 015Л^2/3'

Z_JCT принимается равным целому числу, ближайшему к тому, которое получается из этой формулы. Для легких ядер Z_yCT «Л/2: в стабильных легких ядрах числа нейтро­нов и протонов равны (VI.4.1.1°).