Ядерные силы. Модели ядра

Прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, свидетельствует о наличии в атомных ядрах особых ядерных сил.

Опр. 38.1. Ядерные силы – особые, специфические для ядер силы, действующие между составляющими ядро нуклонами. Значительно превышают кулоновские силы отталкивания между протонами.

С помощью экспериментальных данных (рассеяние нуклонов на ядрах, ядерные превращения и т.д.) доказано, что ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним.

Ядерные силы относятся к классу сильных взаимодействий.

Основные свойства ядерных сил: ядерные силы

1) являются силам притяжения,

2) являются коротко действующими — их действие проявляете на расстояниях ≈ м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы → к нулю, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются ≈ в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том ж расстоянии. Длина м называется радиусом действия ядерных сил;

3) им свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном, одинаковы по величине; имеют неэлектрическую природу;

4) им свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нукло­нов не растет, а остается приблизительно постоянной;

5) зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон толь­ко при условии параллельной ориентации их спинов;

6) не являются цен­тральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Ядерные частицы – нуклоны – являются источниками особого ядерного поля, характеризующего ядерные силы. Ядерное поле следует определить как особую форму материи, обусловливающую ядерные взаимодействия нуклонов. Взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется путем обмена особыми частицами - мезонами. В названии этих частиц подчеркивается, что масса их должна быть промежуточной между массами электрона и протона («мезо» - средний, промежуточный).

Размер ядра – область пространства в атоме, вне которой не действуют специфические ядерные силы притяжения между нуклонами. При определении размеров ядра нужно учесть, что ядро является системой частиц, подчиняющихся квантовой механике и, следовательно, соотношению неопределенностей Гейзенберга. Вследствие этого размеры области, в которой находятся ядерные частицы, могут быть заданы лишь с точностью, допускаемой этим соотношением. Другими словами, границы области, называемой размерами ядра, по необходимости «размыты». , где . Средняя плотность ядерного вещества кг/м³.

Сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра (ядро с мас­совым числом А представляет собой систе­му из А тел) не позволили до настоящего времени разработать единую последова­тельную теорию атомного ядра. Поэтому на данной стадии прибегают к рассмотре­нию приближенных ядерных моделей, в которых ядро заменяется некоторой мо­дельной системой, довольно хорошо опи­сывающей только определенные свойства ядра и допускающей более или менее про­стую математическую трактовку. Ни одна из моделей не дает исчерпывающего описания ядра, поэтому пользуются несколькими моделями, каждая из которых описывает свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений.

1. Капельная модель ядра (1936;Н. Бор и Я. И. Френкель). Основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. В обоих случаях силы, действующие между составными частицами — молекулами в жидкости и нуклонами в ядре,— являются коротко­действующими и им свойственно насыще­ние. Для капли жидкости при данных внешних условиях характерна постоянная плотность ее вещества. Ядра характе­ризуются практически постоянной удель­ной энергией связи и постоянной плот­ностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре. Наконец, объем капли и объем ядра пропорциональны числу частиц. Отличие ядра от капли жидкости в этой модели: ядро - капля электрически заряженной не­сжимаемой жидкости (с плотностью, рав­ной ядерной), подчиняющуюся законам квантовой механики.

Капельная модель ядра

· позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре,

· объяснила механизм ядерных ре­акций и особенно реакции деления ядер.

· не смогла объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа про­тонов и нейтронов.

2. Оболочечная модель ядра (1949— 1950; американский физик М. Гепперт-Майер (1916—1975) и немецкий физик X. Иенсен (1907—1973)). Нуклоны считаются беспорядочно движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. Предполагает распределение нук­лонов в ядре по дискретным энергетиче­ским уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с запол­нением этих уровней. Ядра с полностью заполненными оболочками считаются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра дей­ствительно существуют.

Наиболее устойчивыми оказываются магические ядра - число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50. 82, 126. Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых маги­ческими являются и число протонов, и чис­ло нейтронов (этих ядер всего пять: ).Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы.

Оболочечная модель ядра

· позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер,

· различную устойчивость атомных ядер и периодичность изменений их свойств.

· хорошо при­менима для описания легких и средних ядер, и ядер, находящихся в ос­новном (невозбужденном) состоянии.

3. Обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей),нуклоны ядра движутся в некотором самосогласованном поле, действующем на выделенный нуклон со стороны остальных.

4. Оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налета­ющими частицами) и т. д.