Ядерные силы. Ядерные силы: свойства

Взаимодействие ядер между собой свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

Ядерные силы - это силы, удерживающие нуклоны в ядре и представляющие собой проявление сильного взаимодействия.

Свойства ядерных сил:

1) они являются короткодействующими: на расстояниях порядка ~1(Н 5 м ядерные силы как силы притяжения удерживают нуклоны, несмотря на кулоновское отталкивание между протонами; на меньших расстояниях притяжение нуклонов сменяется отталкиванием;
2) обладают зарядовой независимостью: притяжение между двумя любыми нуклонами одинаково (п-п, р-р, п-р );
3) ядерным силам свойственно насыщение: каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;
4) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов (например, протон и нейтрон образуют дейтрон - ядро изотопа дейтерия ] Н, только если их спины параллельны друг другу);
5) ядерные силы не являются центральными, т.е. не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов, о чем свидетельствует их зависимость от ориентации спинов нуклонов.

Эксперименты по нуклон-нуклонному рассеянию показали, что силы ядерного взаимодействия, действующие между нуклонами в ядре, имеют обменный характер и обусловлены обменом квантами поля ядерных сил, названными л-мезонами (пионами, см. подтему 32.2). Гипотезу о пионах в рамках подробной квантовой теории о механизме ядерного взаимодействия предложил японский физик X. Юкава (Нобелевская премия, 1949 г.). Частица Юкавы - пион - характеризуется массой, составляющей примерно 300 электронных масс, и позволяет объяснить короткодействующий характер и большую величину ядерных сил.

Модели атомного ядра. В теории атомного ядра очень важную роль играют модели, достаточно хорошо описывающие определенную совокупность ядерных свойств и допускающие сравнительно простую математическую трактовку. К настоящему времени из-за сложного характера ядерных сил и трудности точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра еще нет законченной теории ядра, которая бы объясняла все его свойства.

Рассмотрим две следующие модели ядра - капельную и оболочечную.

Капельная модель выдвинута немецким ученым М. Борном и российским ученым Я. Френкелем в 1936 г. В этой модели принимается, что ядро ведет себя подобно капле несжимаемой заряженной жидкости с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики. Таким образом, ядро рассматривается как непрерывная среда и движение отдельных нуклонов не выделено. При такой аналогии между поведением молекул в капле жидкости и нуклонов в ядре учитываются короткодей- ствие ядерных взаимодействий, свойство насыщения ядерных сил и одинаковая плотность ядерного вещества в разных ядрах. Капельная модель объяснила механизмы ядерных реакций, особенно реакции деления ядер, позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, а также описала зависимость радиуса ядра от массового числа.

Оболочечная модель была окончательно сформулирована американским физиком М. Гёпперт-Майер и немецким физиком Й.Х. Йенсен в 1949-1950 гг. В этой модели нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле остальных нуклонов ядра. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Учитывается спин-орбитальное взаимодействие нуклонов. В ядрах, за исключением самых легких, осуществляется j- /"-связь.

Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Магическими называются атомные ядра, у которых число нейтронов N или (и) число протонов Zравно одному из магических чисел:

2, 8, 20, 28, 50, 82 и TV = 126. Магические ядра отличаются от других ядер, например, повышенной устойчивостью, большей распространенностью в природе.

Ядра, у которых магическими являются и Z, и N, называются дважды магическими. К дважды магическим ядрам относятся: гелий Не, кислород J> 6 0, кальций joСа, олово jjfSn, свинец g^fPb. В частности, особенная устойчивость ядра Не проявляется в том, что это единственная частица, называемая а-частицей, испускаемая тяжелыми ядрами при радиоактивном распаде.

Кроме предсказания магических чисел, эта модель позволила найти согласующиеся с опытом значения спинов основных и возбужденных состояний ядер, а также их магнитные моменты. Особо хорошо данная модель применима для описания легких и средних ядер, а также для ядер, находящихся в основном состоянии.

Наша задача: познакомить с основными свойствами ядерных сил, вытекающих из имеющихся экспериментальных данных.

Начнем с перечисления известных свойств ядерных сил, чтобы потом перейти к их обоснованию:

Это силы притяжения.
Они короткодействующие.
Это силы большой величины (по сравнению с электромагнитными, слабыми и гравитационными).
Они обладают свойством насыщения.
Ядерные силы зависят от взаимной ориентации взаимодействующих нуклонов.
Не являются центральными.
Ядерные силы не зависят от заряда взаимодействующих частиц.
Зависят от взаимной ориентации спина и орбитального момента.
Ядерные силы носят обменный характер.
На малых расстояниях (r м) являются силами отталкивания.

Не приходится сомневаться в том, что ядерные силы - это силы притяжения. Иначе кулоновские силы отталкивания протонов сделали бы невозможным существование ядер.

Свойство насыщения ядерных сил следует из поведения зависимости удельной энергии связи от массового числа (см. лекцию).

Зависимость энергии связи, приходящейся на нуклон, от массового числа

Если бы нуклоны в ядре взаимодействовали со всеми другими нуклонами, энергия взаимодействия была пропорциональна числу сочетаний из A по 2, т.е. A(A-1)/2 ~ A 2 . Тогда энергия связи, приходящаяся на один нуклон, была пропорциональна A . На самом деле, как видно из рисунка, она примерно постоянна ~8 МэВ. Это и свидетельствует об ограниченном числе связи нуклона в ядре.

Свойства, следующие из изучения связанного состояния - дейтрона

Дейтрон 2 1 H представляет собой единственное связанное состояние двух нуклонов - протона и нейтрона. Не существует связанных состояний протон - протон и нейтрон - нейтрон. Перечислим известные из опытов свойства дейтрона.

Энергия связи нуклонов в дейтроне G d = 2.22 МэВ.
Не имеет возбужденных состояний.
Спин дейтрона J = 1 , четность положительная.
Магнитный момент дейтрона μ d = 0.86 μ я , здесь μ я = 5.051·10 -27 Дж/Тл - ядерный магнетон.
Квадрупольный электрический момент положителен и равен Q = 2.86·10 -31 м 2 .

В первом приближении взаимодействие нуклонов в дейтроне можно описать прямоугольной потенциальной ямой

Здесь μ - приведенная масса, равная μ = m p ·m n /(m p +m n) .

Это уравнение можно упростить, введя функцию χ = r*Ψ(r) . Получим

Решаем отдельно для областей r и r > a (учтем, что E для связанного состояния, которое ищем)

Коэффициент B надо положить равным нулю, иначе при r → 0 волновая функция Ψ = χ/r обращается в бесконечность; и коэффициент B 1 = 0 , иначе решение расходится при r → ∞ .

Решения должны быть сшиты при r = a , т.е. приравнять значения функций и их первых производных. Это дает

Рис.1 Графическое решение уравнения (1)

Подставляя в последнее уравнение значения k , k 1 и полагая E = -G d получим уравнение, связывающее энергию связи G d , глубину ямы U 0 и ее ширину a

Правая часть, учитывая малость энергии связи, - малое отрицательное число. Следовательно, аргумент котангенса близок к π/2 и слегка превышает его.

Если взять экспериментальное значение энергии связи дейтрона G d = 2.23 МэВ, то для произведения a 2 ·U 0 получаем ~2.1·10 -41 м 2 Дж (к сожалению, по отдельности значения U 0 и a получить не удается). Задаваясь разумным a = 2·10 -15 м (следует из опытов по рассеянию нейтронов, об этом дальше), для глубины потенциальной ямы получаем примерно 33 МэВ.

Умножим левую и правую часть уравнения (1) на a и введем вспомогательные переменные x = ka и y = k 1 a . Уравнение (1) приобретает вид

Атомное ядро, состоящее из определенного числа протонов и нейтронов, является единым целым благодаря специфическим силам, которые действуют между нуклонами ядра и называются ядерными. Экспериментально доказано, что ядерные силы имеют очень большие значения, намного превышающие силы электростатического отталкивания между протонами. Это проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре намного больше работы сил кулоновского отталкивания. Рассмотрим основные особенности ядерных сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силамипритяжения . Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядрепорядка 10 –15 м. Длина (1,5 – 2,2)·10 –15 м называется радиусом действияядерных сил они быстро уменьшаются с увеличением расстояния между нуклонами. На расстоянии (2-3)м ядерное взаимодействие практически отсутствует.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения , т.е. каждый нуклон взаимодействует только с определенным числом ближайших соседей. Такой характер ядерных сил проявляется в приближенном постоянстве удельной энергии связи нуклонов при зарядовом числеА >40. Действительно, если бы насыщения не было, то удельная энергия связи возрастала бы с увеличением числа нуклонов в ядре.

3. Особенностью ядерных сил является также их зарядовая независимость , т.е. они не зависят от заряда нуклонов, поэтому ядерные взаимодействия между протонами и нейтронами одинаковы.Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи зеркальных ядер .Так называются ядра , в которых одинаково общее число нуклонов , ночисло протонов в одном равно числу нейтронов другом . Например, энергии связи ядер гелия и тяжелого водорода – трития составляют соответственно 7,72 МэВ и 8,49 МэВ .Разность энергий связи этих ядер, равная 0,77 МэВ, соответствует энергии кулоновского отталкивания двух протонов в ядре. Полагая этувеличину равной, можно найти, что среднее расстояние r междупротонами в ядре равно 1,9·10 –15 м, что согласуется с величинойрадиуса действия ядерных сил.

4. Ядерные силы не являются центральными и зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Это подтверждается различным характером рассеяниянейтронов молекулами орто- ипараводорода. В молекуле ортоводородаспины обоих протонов параллельны друг другу, а в молекуле параводорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтроновна параводороде в 30 раз превышает рассеяние на ортоводороде.

Сложный характер ядерных сил не позволяет разработать единую последовательную теорию ядерного взаимодействия, хотя было предложено много различных подходов. Согласно гипотезе японского физика Х. Юкавы (1907-1981), которую он предложил в 1935 г., ядерные силы обусловлены обменом - мезонами, т.е. элементарными частицами, масса которых приблизительно в 7 раз меньше массы нуклонов. По этой модели нуклонза время m - масса мезона) испускает мезон, который, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, проходит расстояние, после чего поглощается вторым нуклоном. В свою очередь второй нуклон также испускает мезон, который поглощается первым. В модели Х. Юкавы, таким образом, расстояние, на котором взаимодействуют нуклоны, определяется длиной пробега мезонов, что соответствует расстоянию около м и по порядку величины совпадает с радиусом действия ядерных сил.

Вопрос 26. Реакции деления . В 1938г немецкие ученые О. Ган (1879-1968) и Ф. Штрассман (1902-1980) обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра приблизительно вдвое меньшие, чем исходное ядро урана. Это явление было названо делением ядра .

Оно представляет собой первую экспериментально наблюдаемую реакцию ядерных превращений. Примером может служить одна из возможных реакций деления ядра урана-235:

Процесс деления ядер протекает очень быстро (в течение времени ~10 -12 с). Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (7.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.

В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:

Нейтроны (7.15)

Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 7.2).

Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результате ядро деформируется, что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия. Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации , то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части, с испусканием нейтронов деления . Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до

критической стадии деления и, испустив -квант, возвращается в основное

состояние.

Важной особенностью ядерной реакции деления является возможность реализовать на ее основе самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию. Это обусловлено тем, что при каждом акте деления выделяется в среднем больше одного нейтрона. Масса, заряд и кинетическая энергия осколков Х и У, образующихся в процессе реакции деления типа (7.15), различны. Эти осколки быстро тормозятся средой, вызывая ионизацию, нагревание и нарушение ее структуры. Использование кинетической энергии осколков деления за счет нагревания ими среды является основой превращения ядерной энергии в тепловую. Осколки деления ядра находятся после реакции в возбужденном состоянии и переходят в основное состояние путем испускания β - частиц и –квантов.

Управляемая ядерная реакция осуществляется в ядерном реакторе и сопровождается выделением энергии. Первый ядерный реактор был построенв 1942 г в США (Чикаго) под руководством физика Э.Ферми (1901 – 1954). В СССР первый ядерный реактор создан в 1946 г под руководством И. В. Курчатова. Затем, после накопления опытов управления ядерными реакциями, начали строить атомные электростанции.

Вопрос 27. Реакция синтеза . Ядерным синтезом называется реакция слиянияпротонов и нейтронов или отдельных легких ядер, в результате которой образуется более тяжелое ядро. Простейшими ядерными реакциями синтеза являются:

, ΔQ = 17,59 МэВ; (7.17)

Расчеты показывают, что энергия, которая выделяется в процессе ядерных реакций синтеза в расчете на единицу массы, значительно превышает энергию, выделяющуюся в реакциях ядерного деления. В процессе реакции деления ядра урана–235 выделяется примерно 200 МэВ, т.е. 200:235=0,85 МэВ на нуклон, а в процессе реакции синтеза (7.17) выделяется энергия примерно 17,5 МэВ, т.е.3,5 МэВ на нуклон (17,5:5=3,5 МэВ). Таким образом, процесс синтеза примерно в 4 раза эффективнеепроцесса деления урана (в расчете на один нуклон ядра, участвующего вреакции деления).

Большая скорость протекания этих реакций и относительно высокоеэнерговыделение делают равнокомпонентную смесь дейтерия и трития наиболее перспективной для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза. С управляемым термоядерным синтезом связаны надежды человечества на решение своих энергетических проблем. Ситуация заключается в том, что запасы урана, как сырья для атомных электростанций, на Земле ограничены. А вот дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешевого ядерного горючего. Несколько сложнее обстоит ситуация с тритием. Тритий радиоактивен (его период полураспада составляет 12,5 лет, реакция распада имеет вид:), не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения работы термоядерного реактора , использующего в качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена возможность его воспроизводства.

С этой целью рабочая зона реактора должна быть окружена слоем легкого изотопа лития, в которой будет идти реакция

В результате этой реакции образуется изотоп водорода тритий () .

В перспективе рассматривается возможность создания малорадиоактивного термоядерного реактора на смеси дейтерия и изотопа гелия, реакция синтеза имеет вид:

МэВ. (7.20)

В результате этой реакции из-за отсутствия нейтронов в продуктах синтеза биологическая опасность реактора может быть снижена на четыре-пять порядков величины как по сравнению с ядерными реакторами деления, так и с термоядерными реакторами, работающими на топливе из дейтерия и трития, отпадает необходимость промышленной обработки радиоактивных материалов и их транспортировки, качественно упрощается захоронение радиоактивных отходов. Впрочем, перспективы создания в будущем экологически чистого термоядерного реактора на смеси дейтерия () c изотопом гелия () осложняются проблемой сырья: естественные запасы изотопа гелия на Земле незначительны. Hлия ом дейтерия ия в будущем экологически чистого термоядерного

На пути реализации реакций синтеза в земных условиях возникает проблема электростатического отталкивания легких ядер при их сближении до расстояний, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения, т.е. порядка 10 -15 м, после чего процесс их слияния происходит за счет туннельного эффекта . Для преодоления потенциального барьера сталкивающимся легким ядрам должна быть сообщена энергия ≈10 кэВ, что соответствует температуре T ≈10 8 K и выше. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Для их осуществления в земных условиях необходим сильный разогрев вещества либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц. Термоядерные реакции осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных (водородных) бомб.

Основные требования, которым должен удовлетворять термоядерный реактор, как устройство для осуществления управляемого термоядерного синтеза, заключаются в следующем.

Во-первых, необходимо надежное удержание горячей плазмы (≈10 8 K) в зоне реакции. Основополагающая идея, определившая на долгие годы пути решения этой проблемы, была высказана в середине 20-го столетия в СССР, США и Великобритании практически одновременно. Эта идея состоит в использовании магнитных полей для удержания и термоизоляции высокотемпературной плазмы.

Во-вторых, при работе на топливе, содержащем тритий (представляющем собой изотоп водорода с высокой радиоактивностью), будут возникать радиационные повреждения стенок камеры термоядерного реактора. По оценкам экспертов механическая стойкость первой стенки камеры вряд ли сможет превышать 5-6 лет. Это означает необходимость периодического полного демонтажа установки и последующей ее новой сборки с помощью дистанционно действующих роботов из-за исключительно высокой остаточной радиоактивности.

В-третьих, основное требование, которому должен удовлетворять термоядерный синтез, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание самой реакции. Большой интерес представляют собой «чистые» термоядерные реакции,

не дающие нейтронов, (см. (7.20) и реакцию ниже:

Вопрос 28. Радиоактивный распад α−, β−, γ− излучения.

Под радиоактивностью понимают способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие атомные ядра с испусканием радиоактивного излучения.

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций, осуществляемыхна ускорителях и ядерных реакторах.

Радиоактивные превращения протекают с изменением строения, состава и энергетического состояния ядер атомов, и сопровождаются испусканием или захватом заряженных или нейтральных частиц, и выделением коротковолнового излучения электромагнитной природы (кванты гамма-излучения). Эти испускаемые частицы и кванты носят общее название радиоактивных (или ионизирующих ) излучений, а элементы, ядра которых могут по тем или иным (естественным или искусственным) причинам самопроизвольно распадаться, называются радиоактивными или же радионуклидами . Причинами радиоактивного распада являются нарушения равновесия между ядерными (короткодействующими) силами притяжения и электромагнитными (дальнодействующими) силами отталкивания положительно заряженных протонов.

Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. По своей природе делится на фотонное (гамма-излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение) и корпускулярное (альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное, мезонное).

Из 2500 нуклидов, известных в настоящее время, стабильны только 271. Остальные (90%!) нестабильны, т.е. радиоактивны; путем одного или нескольких последовательных распадов, сопровождающихся испусканием частиц или γ-квантов,они превращаются в стабильные нуклиды.

Изучение состава радиоактивного излучения позволило разделить его на три различных компонента:α–излучение представляет собой поток положительно заряженных частиц − ядер гелия (), β−излучение – поток электронов или позитронов,γ-излучение –поток коротковолнового электромагнитного излучения.

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма лучей – жесткого, коротковолнового электромагнитного излучения. Гамма-лучи являются основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием кванта.

Законы сохранения. При радиоактивном распаде сохраняются следующие параметры:

1. Заряд . Электрический заряд не может создаваться или исчезать. Общий заряд до и после реакции должен сохраняться, хотя может по-разному распределяться среди различных ядер и частиц.

2. Массовое число или число нуклонов после реакции должно быть равно числу нуклонов до реакции.

3. Общая энергия . Кулоновская энергия и энергия эквивалентных масс должна сохраняться во всех реакциях и распадах.

4.Импульс и угловой момент . Сохранение линейного импульса ответственно за распределение кулоновской энергии среди ядер, частиц и/или электромагнитного излучения. Угловой момент относится к спину частиц.

α−распадом называют испускание атомным ядром α− частицы. При α− распаде, как и всегда, должен выполняться закон сохранения энергии. В то же время любым изменениям энергии системы соответствуют пропорциональные изменения ее массы. Поэтому при радиоактивном распаде масса материнского ядра должна превышать массу продуктов распада на величину, соответствующую кинетической энергии системы после распада (если до распада материнское ядро покоилось). Таким образом, в случае α− распада должно выполняться условие

где - масса материнского ядра с массовым числомА и порядковым номеромZ, - масса дочернего ядра и - масса α− частицы. Каждую из этих масс, в свою очередь, можно представить в виде суммы массового числа и дефекта массы:

Подставив эти выражения для масс в неравенство (8.2), получим следующее условие для α− распада:, (8.3)

т.е. разница в дефектах масс материнского и дочернего ядер должна быть больше дефекта массы α− частицы. Таким образом, при α− распаде массовые числа материнского и дочернего ядер должны отличаться друг от друга на четыре. Если же разность массовых чисел равна четырем, то при дефекты масс естественных изотопов всегда убывают с увеличением А . Таким образом, при неравенство (8.3) не выполняется, так как дефект массы более тяжелого ядра, которое должно бы быть материнским, меньше дефекта массы более легкого ядра. Поэтому приα− распад ядер не происходит. Это же относится и к большинству искусственных изотопов. Исключением являются несколько легких искусственных изотопов, для которых скачки в энергии связи, а следовательно, и в дефектах масс по сравнению с соседними изотопами особенно велики (например, изотоп бериллия,распадающийся на две α− частицы).

Энергия α− частиц, возникающих при распаде ядер, заключена в сравнительно узких пределахот 2до 11Мэв.При этом имеется тенденция к уменьшениюпериода полураспада с увеличением энергии α− частиц. Особенно эта тенденция проявляется при последовательных радиоактивных превращениях в пределах одного и того же радиоактивного семейства (закон Гейгера-Нэттола). Например, энергия α− частиц при распаде урана(Т=7,1 . 10 8 лет )составляет 4,58 Мэв ,при распаде протактиния(Т=3,4 . 10 4 лет )- 5,04 Мэви при распаде полония(Т=1,83 . 10 -3 с )- 7,36Мэв .

Вообще говоря, ядра одного и того же изотопа могут испускать α− частицы с несколькими строго определенными значениямиэнергии (в предыдущем примере указана наибольшая энергия). Иначе говоря, α− частицы обладают дискретным энергетическим спектром. Объясняется это следующим образом. Получающееся при распаде дочернее ядро согласно законам квантовой механики может находиться в нескольких,различных состояниях, в каждом из которых оно обладает определенной энергией. Состояние с наименьшей возможной энергией является устойчивым и называется основным . Остальные состояния называются возбужденными . В них ядро может находиться весьма малое время (10 -8 - 10 -12 сек), а затемпереходит в состояние с меньшей энергией (не обязательно сразу в основное) с испусканием γ− кванта.

В процессе α− распада различают две стадии: образование α− частицы из нуклонов ядра и испускание α− частицы ядром.

Бета–распад (излучение). Понятие распад объединяет три вида самопроизвольных внутриядерных превращений: электронный −распад, позитронный − распад и электронный захват (Е - захват).

Бета − радиоактивных изотопов значительно больше, чем альфа- активных. Они имеются во всей области изменения массовых чисел ядер (от легких ядер до самых тяжелых).

Бета-распад атомных ядер обусловлен слабым взаимодействием элементарных частиц и так же, как и -распад, подчиняется определенным закономерностям. При распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, испуская при этом электрон и электронное антинейтрино. Этот процесс происходит по схеме: . (8.8)

При −распаде происходит превращение в нейтрон одного из протонов ядра с испусканием при этом позитрона и электронного нейтрино:

Свободный, не входящий в состав ядра нейтрон, распадается самопроизвольно согласно реакции (8.8) с периодом полураспада около 12 мин.Это возможно потому, что масса нейтрона а.е.м. больше массы протона а.е.м. на величину а.е.м., которая превышает массу покоя электрона а.е.м. (масса покоя нейтрино равна нулю). Распад же свободного протона запрещен законом сохранения энергии, так как сумма масс покоя получающихся частиц - нейтрона ипозитрона - больше массы протона. Распад (8.9) протона, таким образом, возможен только в ядре, если масса дочернего ядра меньше массы материнского ядра на величину, превышающую массу покоя позитрона (массы покоя позитрона и электрона равны). С другой стороны аналогичное условие должно выполняться и в случае распада нейтрона, входящего в состав ядра.

Кроме процесса, происходящего согласно реакции (8.9), превращение протона в нейтрон может происходить также путем захвата протоном электрона с одновременным испусканием при этом электронного нейтрино

Так же, как и процесс (8.9), процесс (8.10) не происходит со свободным протоном. Однако если протон находится внутри ядра, то он может захватить один из орбитальных электронов своего атома при условии, что сумма масс материнского ядра и электрона больше массы дочернего ядра. Сама возможность встречи протонов, находящихся внутри ядра, с орбитальными электронами атома обусловлена тем, что, согласно квантовой механике, движение электронов в атоме происходит не по строго определенным орбитам, как это принимается в теории Бора, а имеется некоторая вероятность встретить электрон в любой области пространства внутри атома, в частности, и в области, занятой ядром.

Превращение ядра, вызванное захватом орбитального электрона, называют Е -захватом. Чаще всего происходит захват электрона, принадлежащего ближайшей к ядру К-оболочке (К-захват). Захват электрона, входящего в состав следующейL-оболочки (L-захват), происходит примерно в 100 раз реже.

Гамма-излучение. Гамма-излучение является коротковолновым электромагнитным излучением, обладающим чрезвычайно малой длиной волны и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. представляет собой поток квантов, обладающих энергией (ν − частота излучения), импульсом и спином J (в единицахħ ).

Гамма − излучение сопровождает ираспады ядер, возникает при аннигиляции частиц и античастиц, при торможении быстрых заряженных частиц в среде, при распадах мезонов, присутствует в космическом излучении, в ядерных реакциях и др. Экспериментально установлено, что образовавшееся в результате илираспада возбужденное ядро может пройти ряд промежуточных, менее возбужденных состояний. Поэтому излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько видов квантов, отличающихся друг от друга значениями энергии. Время жизни возбужденных состояний ядер обычно резко возрастает с уменьшением их энергии и с увеличением разности спинов ядра в исходном и конечном состояниях.

Испускание кванта происходит также при радиационном переходе атомного ядра из возбужденного состояния с энергией E i в основное или менее возбужденное состояние с энергией E k (E i >E k ). Согласно закону сохранения энергии (с точностью до энергии отдачи ядра) энергия кванта определяется выражением: . (8.11)

При излучении выполняются также законы сохранения импульса и момента импульса.

В связи с дискретностью энергетических уровней ядра излучение имеет линейчатый спектр энергии и частот. В действительности энергетический спектр ядра делится на дискретную и непрерывную области. В области дискретного спектра расстояния между энергетическими уровнями ядра существенно больше энергетической ширины Г уровня, определяемой временем жизни ядра в этом состоянии:

Время определяет скорость распада возбужденного ядра:

где число ядер в начальный момент времени (); число нераспавшихся ядер в момент времени t .

вопрос 29. Законы смещения. Испуская частицу, ядро теряет два протона и два нейтрона. Поэтому у получившегося (дочернего) ядра по сравнению с исходным (материнским) ядром массовое число меньше на четыре, а порядковый номер – на два.

Таким образом, при распаде получается элемент, который в таблице Менделеева занимает место на две клетки левее по сравнению с исходным:. (8.14)

При распаде один из нейтронов ядра превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (–распад). В результате распада число нуклонов в ядре остается неизменным. Поэтому массовое число не меняется, иначе говоря, происходит превращение одного изобара в другой. Однако заряд дочернего ядра и его порядковый номер изменяются. При –распаде, когда нейтрон превращается в протон, порядковый номер увеличивается на единицу, т.е. в этом случае возникает элемент, смещенный в таблице Менделеева по сравнению с исходным на одну клетку вправо:

При распаде, когда протон превращается в нейтрон, порядковый номер уменьшается на единицу, и вновь получившийся элемент оказывается смещенным в таблице Менделеева на одну клетку влево:

В выражениях (8.14) − (8.16) X – символ материнского ядра, Y – символ дочернего ядра;– ядро гелия, и − символические обозначениясоответственно электрона, для которогоA = 0 и Z = –1, и позитрона, для которого A = 0 и Z =+1.

Естественно-радиоактивные ядра образуют три радиоактивных семейства , называемых семейством урана (), семейством тория ()и семействомактиния (). Свои названия они получили подолгоживущим изотопам с наибольшими периодами полураспада. Все семейства после цепочки α− и β−распадов заканчиваются на устойчивых ядрах изотопов свинца – ,и. Семейство нептуния, начинающееся от трансуранового элемента нептуния, получено искусственным путем и заканчивается на изотопе висмута.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами притяжения . Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10 –15 м. Расстояние порядка (1,5 – 2,2)·10 –15 м называется радиусом действия ядерных сил, с его увеличением ядерные силы быстро уменьшаются. На расстоянии порядка (2-3) м ядерное взаимодействие между нуклонами практически отсутствует.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения , т.е. каждый нуклон взаимодействует только с определенным числом ближайших соседей. Такой характер ядерных сил проявляется в приближенном постоянстве удельной энергии связи нуклонов при зарядовом числе А >40. Действительно, если бы насыщения не было, то удельная энергия связи возрастала бы с увеличением числа нуклонов в ядре.

3. Особенностью ядерных сил является также их зарядовая независимость , т.е. они не зависят от заряда нуклонов, поэтому ядерные взаимодействия между протонами и нейтронами одинаковы. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи зеркальных ядер . Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов другом. Например, энергии связи ядер гелия и тяжелого водорода – трития составляют соответственно 7,72 МэВ и 8,49 МэВ . Разность энергий связи этих ядер, равная 0,77 МэВ, соответствует энергии кулоновского отталкивания двух протонов в ядре . Полагая эту величину равной , можно найти, что среднее расстояние r между протонами в ядре равно 1,9·10 –15 м, что согласуется с величиной радиуса действия ядерных сил.

4. Ядерные силы не являются центральными и зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Это подтверждается различным характером рассеяниянейтронов молекулами орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода спины обоих протонов параллельны друг другу, а в молекуле параводорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтронов на параводороде в 30 раз превышает рассеяние на ортоводороде.

Сложный характер ядерных сил не позволяет разработать единую последовательную теорию ядерного взаимодействия, хотя было предложено много различных подходов. Согласно гипотезе японского физика Х. Юкавы, которую он предложил в 1935 г., ядерные силы обусловлены обменом - мезонами, т.е. элементарными частицами, масса которых приблизительно в 7 раз меньше массы нуклонов . По этой модели нуклон за время m - масса мезона) испускает мезон, который, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, проходит расстояние , после чего поглощается вторым нуклоном. В свою очередь второй нуклон также испускает мезон, который поглощается первым. В модели Х. Юкавы, таким образом, расстояние, на котором взаимодействуют нуклоны, определяется длиной пробега мезонов, что соответствует расстоянию около м и по порядку величины совпадает с радиусом действия ядерных сил.

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны. Модуль заряда - или - мезонов численно равен элементарному заряду e . Масса заряженных - мезонов одинакова и равна (140 МэВ ), масса - мезона равна 264 (135 МэВ ). Спин как заряженных, так и нейтральных - мезонов равен 0. Все три частицы нестабильны. Время жизни - и - мезонов составляет 2,6 с , - мезона – 0,8·10 -16 с . Взаимодействие между нуклонами осуществляется по одной из следующих схеме:

(22.7)
1. Нуклоны обмениваются мезонами:

В этом случае протон испускает - мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон, затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть в нейтральном.

2. Нуклоны обмениваются - мезонами:

3. Нуклоны обмениваются - мезонами:

. (22.10)

Все эти процессы доказаны экспериментально. В частности, первый процесс подтверждается при прохождении пучка нейтронов через водород. В пучке появляются движущиеся протоны, а соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени.

Модели ядра. Отсутствие математического закона для ядерных сил не позволяет создать и единой теории ядра. Попытки создания такой теории наталкиваются на серьезные трудности. Вот некоторые из них:

1. Недостаточность знаний о силах, действующих между нуклонами.

2. Чрезвычайную громоздкость квантовой задачи многих тел (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел).

Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать с помощью сравнительно простых математических средств определенную совокупность свойств ядра. Ни одна из подобных моделей не может дать абсолютно точное описание ядра. Поэтому приходится пользоваться несколькими моделями.

Под моделью ядра в ядерной физике понимают совокупность физических и математических предположений с помощью которых можно рассчитать характеристики ядерной системы, состоящей из А нуклонов. Было предложено и разработано много моделей разной степени сложности. Мы рассмотрим лишь наиболее известные из них.

Гидродинамическая (капельная) модель ядра была разработана в 1939г. Н. Бором и советским ученым Я. Френкелем. В ее основу положено предположение о том, что благодаря большой плотности нуклонов в ядре и чрезвычайно сильному взаимодействию между ними независимое движение отдельных нуклонов является невозможным и ядро представляет собой каплю заряженной жидкости плотностью . Как и в случае обычной капли жидкости, поверхность ядра может колебаться. Если амплитуда колебаний становится достаточно большой, происходит процесс деления ядра. Капельная модель дала возможность получить формулу для энергии связи нуклонов в ядре, пояснила механизм некоторых ядерных реакций. Однако эта модель не позволяет объяснить большинство спектров возбуждения атомных ядер и особую устойчивость некоторых из них. Это обусловлено тем, что гидродинамическая модель весьма приближенно отражает суть внутреннего строения ядра.

Оболочечная модель ядра разработана в 1940-1950 гг американским физиком М. Гепперт – Майер и немецким физиком Х. Иенсеном. В ней предполагается, что каждый нуклон движется независимо от других в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме , создаваемом остальными нуклонами ядра. В рамках оболочечной модели функция не вычисляется, а подбирается так, чтобы можно было добиться наилучшего согласия с опытными данными.

Глубина потенциальной ямы составляет обычно ~ (40-50) МэВ и не зависит от количества нуклонов в ядре. В соответствии с квантовой теорией нуклоны в поле находятся на определенных дискретных уровнях энергии. Основное предположение создателей оболочечной модели о независимом движении нуклонов в среднем потенциальном поле находится в противоречии с основными положениями разработчиков гидродинамической модели. Поэтому характеристики ядра, которые хорошо описываются гидродинамической моделью (например, значение энергии связи), не находят объяснения в рамках оболочечной модели, и наоборот.

Обобщённая модель ядра , разработанная в 1950-1953гг, объединяет основные положения создателей гидродинамической и оболочечной моделей. В обобщенной модели предполагается, что ядро состоит из внутренней устойчивой части – остова, который образован нуклонами заполненных оболочек, и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами остова. В связи с этим движение остова описывается гидродинамической моделью, а движение внешних нуклонов - оболочечной. За счет взаимодействия с внешними нуклонами остов может деформироваться, а ядро – вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси деформации. Обобщенная модель позволила объяснить основные особенности вращательных и колебательных спектров атомных ядер, а также высокие значения квадрупольного электрического момента у некоторых из них.

Мы рассмотрели основные феноменологические, т.е. описательные, модели ядра. Однако для полного понимания характера ядерных взаимодействий, определяющих свойства и структуру ядра, необходимо создать такую теорию, в которой ядро рассматривалось бы как система взаимодействующих нуклонов.

Ядерные силы обеспечивают притяжение - это следует из самого факта существования стабильных ядер, состоящих из протонов и нейтронов.

Ядерные силы велики по абсолютной величине. Их действие на малых расстояниях значительно превосходит действие всех известных в природе сил, в том числе и электромагнитных.

До сих пор нам известно четыре вида взаимодействия:

а) сильные (ядерные) взаимодействия;

б) электромагнитные взаимодействия;

в) слабые взаимодействия, особенно ясно наблюдаемые у частиц, не проявляющих сильных и электромагнитных взаимодействий (нейтрино);

г) гравитационные взаимодействия.

Сравнение сил при этих видах взаимодействия можно получить путем использования системы единиц, в которой характерные константы взаимодействия, соответствующие этим силам (квадраты «зарядов»), безразмерны.

Так, для взаимодействия внутри ядра двух нуклонов, обладающих всеми этими силами, константы взаимодействия имеют порядок:

Ядерные силы обеспечивают существование ядер. Электромагнитные - атомов и молекул. Средняя энергия связи нуклона в ядре равна т. е. где энергия покоя нуклона. Энергия связи электрона в атоме водорода составляет всего т. е. где энергия покоя электрона. Следовательно, в этом масштабе энергии связи относятся как характерные константы:

Слабые взаимодействия ответственны за такие тонкие эффекты, как взаимные превращения пр путем -распада и -захвата (см. § 19), за различные распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

С гравитационными взаимодействиями связана устойчивость космических тел и систем.

Силы взаимодействия второго и четвертого типа убывают с расстоянием, как т. е. довольно медленно и, следовательно, являются дальнодействующими. Взаимодействия же первого и третьего типа убывают с расстоянием очень быстро и поэтому являются короткодействующими.

Ядерные силы короткодействующие. Это следует: а) из опытов Резерфорда по рассеянию -частиц легкими ядрами (для расстояний, превосходящих см, результаты опытов

объясняются чисто кулоновским взаимодействием -частиц с ядром, но при меньших расстояниях наступают отклонения от закона Кулона, обусловленные ядерными силами. Отсюда следует, что радиус действия ядерных сил во всяком случае меньше

б) из изучения -распада тяжелых ядер (см. § 15);

в) из опытов по рассеянию нейтронов на протонах и протонов на протонах.

Остановимся на них несколько подробнее.

Рис. 17. Частица и рассеивающая мишень

При малых энергиях нейтронов рассеяние их в системе центра инерции изотропно. Действительно, классическая частица с импульсом «зацепится» за рассеивающую мишень с радиусом действия ядерных сил если она пролетает на расстояниях, меньших т. е. если компонента ее момента количества движения в направлении, перпендикулярном плоскости траектории не превышает гор (рис. 17).

Но согласно соотношению де Бройля для падающей частицы следовательно,

Однако максимальное значение проекции орбитального момента частицы может быть равно только Поэтому

Таким образом, при значение а при волновая функция, описывающая состояние системы, сферически симметрична в с. ц. и., т. е. в этой системе рассеяние должно быть изотропно.

При рассеяние уже не будет изотропным. Уменьшая энергию падающих нейтронов и тем самым увеличивая можно найти то ее значение, при котором достигается изотропия рассеяния. Это дает оценку радиуса действия ядерных сил.

Максимальная энергия нейтронов, при которой еще наблюдалось сферически симметричное рассеяние, равнялась Это позволило определить верхнюю границу радиуса действия ядерных сил, она оказалась равной см.

Далее, при рассеянии потока протонов на протонной мишени можно рассчитать ожидаемое значение эффективного сечения процесса, если действуют только кулоновские силы. Однако, когда частицы сильно сближаются, ядерные силы начинают преобладать

над кулоновскими, и распределение рассеянных протонов изменяется.

Из таких опытов найдено, что ядерные силы резко спадают с увеличением расстояния между протонами. Область их действия крайне мала и тоже по порядку величины см. К сожалению, результаты опытов по рассеянию нуклонов малых энергий не дают сведений о законе изменения ядерных сил с расстоянием. Детальная форма потенциальной ямы остается неопределенной.

Эксперименты по исследованию свойств двух связанных нуклонов в ядре дейтона также не позволяют одйозначно установить закон изменения потенциала поля ядерных сил с расстоянием. Причина заключается в необычайной малости радиуса действия ядерных сил и очень большой их величине в пределах радиуса действия. В качестве первого приближения к потенциалу, описывающему свойства дейтона можно брать довольно широкий круг различных функций, которые должны достаточно быстро убывать с расстоянием.

Данным опыта грубо удовлетворяют, например, следующие функции.

Рис. 18. Возможные формы потенциальной ямы дейтона: а - прямоугольная яма; экспоненциальная яма; в - форма ямы при потенциале Юкавы; -яма при потенциале с твердой отталкивающей серединой

1. Прямоугольная потенциальная яма (рис. 18,а):

где радиус действия ядерных сил, расстояние между центрами двух взаимодействующих нуклонов.

2. Экспоненциальная функция (рис. 18,б):

3. Мезонный потенциал Юкава (рис. 18,в):

4. Потенциал с твердой отталкивающей серединой (рис. 18,г):

Детальное изучение структуры рассеяния и сравнение с теоретическими расчетами говорит в пользу последней из указанных форм. В настоящее время для расчетов используют и более сложные формы, обеспечивающие лучшее совпадение с данными опыта.

Во всех случаях глубина потенциальной ямы имеет порядок нескольких десятков Значение в случае потенциала с отталкивающей серединой имеет порядок десятых долей Ферми.

Ядерные силы не зависят от электрических зарядов взаимодействующих частиц. Силы взаимодействия между или одинаковы. Это свойство вытекает из следующих фактов.

У легких стабильных ядер, когда электромагнитным отталкиванием еще можно пренебречь, число протонов равно числу нейтронов Следовательно, силы, действующие между ними, равны, иначе существовал бы сдвиг в какую-то сторону (либо либо

Легкие зеркальные ядра (ядра, получающиеся заменой нейтронов на протоны и наоборот, например имеют одинаковые энергетические уровни.

Опыты по рассеянию нейтронов на протонах и протонов на протонах показывают, что величина ядерного притяжения протона с протоном и нейтрона с протоном одна и та же.

Это свойство ядерных сил носит фундаментальный характер и указывает на глубокую симметрию, существующую между двумя частицами: протоном и нейтроном. Оно получило название зарядовой независимости (или симметрии) и позволило рассматривать протон и нейтрон как два состояния одной и той же частицы - нуклона.

Таким образом, у нуклона есть некоторая дополнительная внутренняя степень свободы - зарядовая - по отношению к которой возможны два состояния: протон и нейтрон. Это аналогично спиновым свойствам частиц: спин является также дополнительной к движению в пространстве внутренней степенью свободы частицы, по отношению к которой электрон (или нуклон) имеют только два возможных состояния. Последовательное квантовомеханическое

описание этих двух степеней свободы: зарядовой и спиновой - формально одинаково. Поэтому соответственно принято наглядно описывать зарядовую степень свободы с помощью условного трехмерного пространства, которое называют изотопическим, а состояние частицы (нуклона) в этом пространстве характеризовать изотопическим спином, обозначаемым

Рассмотрим это несколько подробнее, возвращаясь к понятию обыкновенного спина.

Допустим, что имеются два электрона, которые, как известно, совершенно идентичны. Оба они обладают собственным моментом количества движения - спином. Однако направление их вращения обнаружить невозможно. Поместим теперь их во внешнее магнитное поле. Согласно основным постулатам квантовой механики «ось вращения» каждой частицы может занимать только строго определенные положения относительно этого внешнего поля. Спиновая ось у частиц со спином равным может быть ориентирована либо вдоль, либо навстречу направлению поля (рис. 19). Частица с моментом может иметь состояний; у электрона, у которого имеется 2 состояния. Значение проекций спина может быть Это приводит к тому, что частицы в магнитном поле могут иметь теперь разные энергии и появляется возможность отличать их одну от другой. Отсюда видно, что состояние электрона благодаря его магнитным свойствам является дублетным.

Без внешнего магнитного поля нет никакой возможности разделить два возможных состояния электрона; говорят, что состояния «вырождаются» в неразличимые.

С аналогичной ситуацией приходится встречаться и в атоме водорода. Для характеристики состояний атома вводится орбитальное квантовое число характеризующее орбитальный момент количества движения атомов. Атом с данным I может иметь состояний, так как во внешнем поле могут существовать только вполне определенные значения проекций I на направление поля (от - I до Пока внешнего поля нет, состояние -кратновырождено.

Открытие нейтрона привело к мысли о существовании явления, похожего на магнитное вырождение электрона.

Ведь зарядовая независимость ядерных сил означает, что при сильном взаимодействии протон и нейтрон ведут себя как одна и та же частица. Их можно различить только, если принять во внимание, электромагнитное взаимодействие. Если же представить, что электромагнитные сиды могут быть каким-то образом «выключены» (рис. 20, а), то протон и нейтрон станут неразличимыми частицами и даже массы их будут равны (подробнее о равенстве масс; см. § 12). Поэтому цуклон можно рассматривать как «зарядовый дублет», в котором одно состояние представляет протон, а другое - нейтрон. Если включить электромагнитные силы, условно

представленные на рис. 20,б пунктиром, то к прежним зарядово-независимым силам прибавятся электрические силы, зависящие от заряда.

Рис. 19. Ориентация спина электрона в магнитном поле

Рис. 20. Различие между протоном и нейтроном, обусловленное электромагнитным взаимодействием

Энергия заряженных частиц при этом будет отличаться от энергии нейтральных частиц и можно разделить протон и нейтрон. Следовательно, и массы покоя их не будут равными.

Для того чтобы характеризовать состояние нуклона в ядре, Гейзенберг ввел чисто формально понятие об изотопическом спин который по аналогии с квантовыми числами должен определять число вырожденных состояний нуклона, равное Слово «изотопический» выражает тот факт, что протон и нейтрон близки по своим свойствам (изотопы - одинаковые по химическим свойствам атомы, отличающиеся числом нейтронов в ядре).

Слово же «спин» в данном понятии возникло из чисто математической аналогии с обычным спином частицы.

Важно еще раз отметить, что квантовомеханический вектор изотопического спина вводится не в обычном, а в условном пространстве, называемом изотопическим или зарядовым пространством. Последнее, в отличие от обычных осей задается условными осями . В этом пространстве частица не может двигаться поступательно, а только вращается.

Таким образом, изотопический спин следует рассматривать как математическую характеристику, отличающую протон от нейтрона; физически они отливаются разным отношением к электрог магнитному полю.

Изотопический спин нуклона равен и имеет компоненты и по отношению к оси Проекция на эту ось обозначается Условно было принято, что для протона а для нейтрона т. е. протон переходит в нейтрон при повороте изотопического спина на 180° в изотопическом пространстве.

При использовании такого формального приема зарядовая аеаависимость принимает форму закона сохранения: при взаимодействии нуклонов полный изотопический спин и его проекция сохраняются неизменными, т. е.

Этот закон сохранения можно формально рассматривать, как следствие независимости физических законов от поворота в изотопическом пространстве. Однако этот закон сохранения приближенный. Он справедлив в той мере, в какой можно пренебрегать электромагнитными силами и может немного нарушаться, - в меру отношения электромагнитных и ядерных сил. Физический же смысл его заключается в том, что ядерные силы в системах и одинаковы.

Мы вернемся к понятию изотопического спина в главе об элементарных частицах, для которых он приобретает дополнительный смысл.

Ядерные силы зависят от спина. Зависимость ядерных сил от спина вытекает из следующих фактов.

Одно и то же ядро в состояниях с различными спинами обладает различными энергиями связи. Например, энергия связи дей-тона, в котором спины параллельны, равна при антипараллельных спинах устойчивого состояния вообще нет.

Рассеяние нейтронов на протонах чувствительно к ориентации спинов. Была теоретически рассчитана вероятность взаимодействия нейтронов и протонов при предположении, что потенциал взаимодействия не зависит от спина. Оказалось, что полученные из опыта результаты отличаются от теоретических в пять раз.

Расхождение устраняется, если учитывать, что взаимодействие зависит от взаимной ориентации спинов.

Зависимость ядерных сил от ориентации спина проявляется в опыте по рассеянию нейтронов на молекулах орто- и пара-водорода.

Дело в том, что молекулы водорода существуют двух типов: в молекуле орто-водорода спины двух протонов параллельны друг другу, полный спин равен 1 и может иметь три ориентации (так называемое триплетное состояние); в молекуле пара-водорода спины антипараллельны полный спин равен нулю и возможно единственное состояние (так называемое син-глетное состояние),

Соотношение между числом молекул орто- и пара-водорода при комнатной температуре равно Это соотношение определяется числом возможных состояний.

Энергия основного пара-состояния ниже энергии основного орго-состояния. При низких температурах молекулы орто-водорода превращаются в молекулы пара-водорода. В присутствии катализатора это превращение идет достаточно быстро и можно получить жидкий водород в чистом состоянии пара-водорода. В случае

рассеяния нейтронов на орто-водороде, спин нейтрона либо параллелен спинам обоих протонов, либо обоим антипараллелен; т. е. существуют конфигурации:

При рассеянии на пара-водороде спин нейтрона всегда параллелен спину одного протона и антипараллелен спину другого протона; независимо от ориентации молекулы пара-водорода конфигурация имеет характер

Рис. 21 Рассеяние нейтронов на молекулах водорода

Рассмотрим рассеяние как волновой процесс. Если рассеяние зависит от взаимной ориентации спинов, то наблюдаемый интерференционный эффект нейтронных волн, рассеянных обоими протонами, будет существенно различным для процессов рассеяния на молекулах орто- и пара-водорода.

Какова должна быть энергия нейтронов для того, чтобы можно было заметить разницу в рассеянии? В молекуле протоны находятся на расстоянии во много раз превышающем радиус действия ядерных сил. см. Поэтому в силу волновых свойств нейтрона процесс рассеяния может происходить одновременно на обоих протонах, если (рис. 21). Необходимой для этого волне де Бройля

для нейтрона, масса которого эквивалентна энергии

Ядерные силы обладают свойством насыщения. Как уже говорилось в § 4, свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре - А, а не

Указанная особенность ядерных сил следует также из стабильности легких ядер. Нельзя, например, добавлять к дейтону все новые и новые частицы, известна только одна такая комбинация с добавочным нейтроном-тритий. Протон, таким образом, может образовывать связанные состояния не более чем с двумя нейтронами.

Для объяснения насыщения Гейзенбергом было выдвинуто предположение о том, что ядерные силы имеют обменный харак тер.

Ядерные силы имеют обменный характер. Впервые обменный характер был установлен у сил химической связи: связь образуется в результате перехода электронов от одного атома к другому. Электромагнитные силы можно также относить к силам обменным: взаимодействие зарядов объясняется тем, что они обмениваются у-квантами. Однако насыщения в данном случае нет, так как обмен у-квантами не меняет свойств каждой из частиц.

Обменное свойство ядерных сил проявляется в том, что при столкновении нуклоны могут передавать друг другу такие свои характеристики, как заряд, проекции спинов и другие.

Обменный характер подтверждается различными опытами, например результатами измерений углового распределения нейтронов высоких энергий при рассеянии их на протонах. Остановимся на этом подробнее.

В ядерной физике энергию называют высокой, когда волна де Бройля частицы удовлетворяет соотношению т. е.

Для нуклонов длина волны де Бройля связана с кинетической энергией уравнением

и, следовательно, можно назвать высокой кинетическую энергию нуклона, если она значительно больше

Квантовая механика позволяет получить зависимость эффективного сечения рассеяния от энергии падающих нейтронов и угла рассеяния, если известен потенциал взаимодействия.

Расчеты показывают, что для потенциала типа прямоугольной ямы сечение рассеяния должно меняться в зависимости от энергии частиц как а само рассеяние должно происходить в пределах малого угла Следовательно, угловое распределение рассеянных нейтронов в системе центра инерции должно иметь максимум в направлении их движения, а распределение протонов отдачи должно иметь максимум в противоположном направлении.

На опыте же для нейтронов был обнаружен не только пик в угловом распределении, направленный вперед, но и второй пик, в направлении назад (рис. 22).

Рис. 22. Зависимость дифференциального сечения рассеяния нейтронов на протонах от угла рассеяния

Объяснить экспериментальные результаты можно только предположив, что между нуклонами действуют обменные силы и в процессе рассеяния нейтроны и протоны обмениваются своими зарядами, т. е. идет рассеяние с «перезарядкой». При этом часть нейтронов превращается в протоны, и наблюдаются протоны, летящие в направлении падающих нейтронов, так называемые протоны перезарядки. Одновременно часть протонов превращается в нейтроны и регистрируется, как нейтроны, рассеянные назад в с.

Относительная роль обменных и обычных сил определяется по отношению числа нейтронов, летящих назад к числу нейтронов, летящих вперед.

Опираясь на квантовую механику, можно доказать, что существование обменных сил всегда ведет к явлению насыщения, так как частица не может взаимодействовать путем обмена одновременно со многими частицами.

Однако более детальное изучение экспериментов по нуклон-нуклонному рассеянию показывает, что хотя силы взаимодействия и в самом деле имеют обменный характер, смесь обычного потенциала с обменным такова, что не может полностью объяснить насыщение. Обнаруживается и другое свойство ядерных сил. Оказывается, что если на больших расстояниях между нуклонами действуют преимущественно силы притяжения, то при тесном сближении нуклонов (на расстоянии порядка см) возникает резкое отталкивание. Это можно объяснить наличием у нуклонов отталкивающихся друг от друга сердцевин.

Расчеты показывают, что именно эти сердцевины несут главную ответственность за эффект насыщения. В связи с этим ядерное взаимодействие, по-видимому, следует характеризовать не однородным потенциалом типа прямоугольной ямы (рис. сложной функцией с особенностью на малых расстояниях (рис. 18,г).