Jedrske sile: lastnosti. Med delci, ki delujejo jedrske sile?

V fiziki se izraz "sila" nanaša na merilo medsebojnega vplivanja materialnih formacij, vključno z interakcijo delov snovi (makroskopskih teles, osnovnih delcev) med seboj in s fizičnimi polji (elektromagnetnimi, gravitacijskimi). Skupaj v naravi obstajajo štiri vrste interakcij: močna, šibka, elektromagnetna in gravitacijska in vsaka ima svoje vrste sil. Prva od teh se nanaša na jedrske sile, ki delujejo znotraj atomskih jeder.

Kaj združuje jedra?

Znano je, da je jedro atoma majhno, njegova velikost je štiri do pet decimalnih zaporedij manjša od velikosti atoma. V zvezi s tem se postavlja očitno vprašanje: zakaj je tako majhno? Navsezadnje so atomi, sestavljeni iz drobnih delcev, še vedno veliko večji od delcev, ki jih vsebujejo.

Nasprotno, jedra niso zelo različna po velikosti od nukleonov (protonov in nevtronov), iz katerih so nastala. Ali obstaja razlog za to ali je nesreča?

Medtem pa je znano, da električne sile zadržujejo negativno nabite elektrone blizu atomskih jeder. Kakšno silo ali sile držijo glavne delce skupaj? To nalogo opravljajo jedrske sile, ki so merilo močnih interakcij.

Močna jedrska interakcija

Če so v naravi obstajale samo gravitacijske in električne sile, tj. tiste, s katerimi se srečujemo v vsakdanjem življenju, atomsko jedro, pogosto sestavljeno iz mnogih pozitivno nabitih protonov, bi bilo nestabilno: električne sile, ki potiskajo protone narazen, bi bile milijone krat močnejše od vseh gravitacijskih sil, ki jih privlačijo prijatelju. Jedrske sile zagotavljajo privlačnost še močnejšo od električnega odbijanja, čeprav se v strukturi jedra pokaže le senca njihove prave velikosti. Ko proučujemo strukturo protonov in samih nevtronov, vidimo resnične možnosti pojava, znane kot močna jedrska interakcija. Jedrske sile so njena manifestacija.

Zgornja slika kaže, da sta nasprotni sili v jedru električni odboj med pozitivno nabitimi protoni in moč jedrske interakcije, ki skupaj privzema protone (in nevtrone). Če število protonov in nevtronov ni preveč različno, so druge sile boljše od prve.

Protoni so analogi atomov in jedra so analogi molekul?

Med delci, ki delujejo jedrske sile? Najprej med nukleoni (protoni in nevtroni) v jedru. Na koncu delujejo tudi med delci (kvarki, gluoni, antikvarkovi) znotraj protona ali nevtrona. To ni presenetljivo, če se zavedamo, da so protoni in nevtroni notranje kompleksni.

V atomu so drobna jedra in še manjši elektroni relativno daleč drug od drugega v primerjavi z njihovo velikostjo, in električne sile, ki jih zadržujejo v atomu, so dokaj preproste. V molekulah pa je razdalja med atomi primerljiva z velikostjo atomov, tako da pride do notranje zapletenosti slednjih. Raznolika in kompleksna situacija, ki jo povzroča delna kompenzacija znotraj-atomskih električnih sil, generira procese, v katerih lahko elektroni dejansko preidejo z enega atoma na drugega. Zaradi tega je fizika molekul veliko bogatejša in kompleksnejša od atomov. Podobno je razdalja med protoni in nevtroni v jedru primerljiva z njihovo velikostjo - in tudi, tako kot pri molekulah, so lastnosti jedrskih sil, ki držijo jedra, veliko bolj zapletene kot preprosta privlačnost protonov in nevtronov.

Ni jedra brez nevtrona, razen v vodiku

Znano je, da so jedra nekaterih kemijskih elementov stabilna, za druge pa se neprestano razpadajo, hitrostni razpon tega razpada pa je zelo širok. Zakaj potem sile, ki držijo nukleone v jedrih, ustavijo svoje delovanje? Poglejmo, kaj se lahko naučimo iz preprostih premislekov o lastnostih jedrskih sil.

Eden od njih je, da vse jedra, razen najpogostejših vodikovih izotopov (ki imajo samo en proton), vsebujejo nevtrone; to pomeni, da ni jedra z več protoni, ki ne vsebujejo nevtronov (glej sliko spodaj). Jasno je torej, da imajo nevtroni pomembno vlogo pri pomoči protonom skupaj.

Na sl. Zgoraj je prikazano svetlobno stabilno ali skoraj stabilno jedro skupaj z nevtronom. Slednji, kot tritij, je prikazan s pikčasto črto, kar kaže, da se na koncu razpadejo. Druge kombinacije z majhnim številom protonov in nevtronov sploh ne tvorijo jedra ali tvorijo zelo nestabilna jedra. Tudi v ležečem tisku so alternativna imena, ki se pogosto dajejo nekaterim od teh objektov; Na primer, jedro helija-4 se pogosto imenuje α-delček, ime, ki mu je bilo dano, ko je bilo prvič odkrito v prvih študijah radioaktivnosti leta 1890.

Nevtroni kot protonski pastirji

Ravno nasprotno, ne obstaja jedro samo nevtronov brez protonov; večina lahkih jeder, kot so kisik in silicij, ima približno enako število nevtronov in protonov (slika 2). Velika jedra z velikimi masami, kot so zlato in radij, imajo nekoliko več nevtronov kot protoni.

Piše dve stvari:

1. Ne le nevtroni so potrebni, da se protoni držijo skupaj, temveč so potrebni tudi protoni za ohranjanje nevtronov skupaj.

2. Če postane število protonov in nevtronov zelo veliko, je treba električni odgon protonov kompenzirati z dodatkom več dodatnih nevtronov.

Zadnja izjava je prikazana na spodnji sliki.

Zgornja slika prikazuje stabilna in skoraj stabilna atomska jedra kot funkcijo P (število protonov) in N (število nevtronov). Črta, prikazana s črnimi pikami, označuje stabilna jedra. Vsak premik od črne črte navzgor ali navzdol pomeni zmanjšanje življenjske dobe jeder - blizu nje je življenjska doba jedra milijon let ali več, saj se modra, rjava ali rumena območja premikajo navznoter (različne barve ustrezajo različnim mehanizmom jedrskega razpada), njihova življenjska doba postane krajša, do sekunde.

Upoštevajte, da imajo stabilna jedra P in N, ki sta za majhna P in N približno enaka, vendar N postopoma postane več kot P več kot pol in pol. Upoštevajte tudi, da skupina stabilnih in dolgoživih nestabilnih jeder ostaja v dokaj ozkem pasu za vse vrednosti P do 82. Z večjim številom njih so znana jedra načeloma nestabilna (čeprav lahko obstajajo milijoni let). Očitno omenjeni mehanizem za stabilizacijo protonov v jedrih z dodajanjem nevtronov zanje v tej regiji nima sto odstotkovne učinkovitosti.

Kako je velikost atoma odvisna od mase njenih elektronov.

Kako vplivajo zadevne sile struktura atomskega jedra? Jedrske sile vplivajo predvsem na njeno velikost. Zakaj je jedro tako majhno v primerjavi z atomi? Da bi ugotovili, začnimo z najpreprostejšim jedrom, ki ima proton in nevtron: to je drugi najpogostejši izotop vodika, katerega atom vsebuje en elektron (kot vse vodikove izotope) in jedro iz enega protona in enega nevtrona. Ta izotop se pogosto imenuje "devterij", njegovo jedro (glej sliko 2) pa se včasih imenuje "deuteron". Kako lahko pojasnimo, kaj drži deuteron skupaj? No, lahko si predstavljate, da ni tako drugačen od atoma navadnega vodika, ki vsebuje tudi dva delca (proton in elektron).

Na sl. Zgoraj je prikazano, da sta jedro in elektronov v atomu vodika zelo oddaljena drug od drugega, v smislu, da je atom veliko večji od jedra (elektron je še manjši). Vendar je v deuteronu razdalja med protonom in nevtronom primerljiva z njihovo velikostjo. To delno pojasnjuje, zakaj so jedrske sile veliko bolj kompleksne kot sile v atomu.

Znano je, da imajo elektroni majhno maso v primerjavi s protoni in nevtroni. Iz tega sledi, da

• masa atoma je v bistvu blizu mase njegovega jedra,
• velikost atoma (v bistvu velikost elektronskega oblaka) je obratno sorazmerna masi elektronov in obratno sorazmerna s celotno elektromagnetno silo; Načelo negotovosti kvantne mehanike ima ključno vlogo.

In če so jedrske sile podobne elektromagnetnim

Kaj pa deuteron? Kot atom je sestavljen iz dveh predmetov, vendar sta skoraj enaka. mase (mase) nevtroni in protoni se razlikujejo le po delih za približno 1500 del), tako da sta oba delca enako pomembna pri določanju mase deuterona in njegove velikosti. Predpostavimo, da jedrska sila potegne proton proti nevtronu, tako kot elektromagnetne sile (to ni ravno tako, ampak si zamislite za trenutek); in potem po analogiji z vodikom pričakujemo, da bo velikost deuterona obratno sorazmerna masi protona ali nevtrona in obratno sorazmerna z velikostjo jedrske sile. Če bi bila njegova velikost enaka (na določeni razdalji) kot elektromagnetna sila, bi to pomenilo, da je proton približno 1850-krat težji od elektrona, potem pa mora biti deuteron (in dejansko vsako jedro) vsaj tisočkrat manjši. kot vodik.

Kaj pojasnjuje bistveno razliko med jedrskimi in elektromagnetnimi silami

Vendar smo že domnevali, da je jedrska sila veliko bolj elektromagnetna (na isti razdalji), ker če ni tako, ne bi mogla preprečiti elektromagnetnega odrivanja med protoni do razpada jedra. Tako se proton in nevtron pod njegovim delovanjem še bolj zbližata. Zato ni presenetljivo, da deuteron in druga jedra niso samo tisoč, ampak sto tisočkrat manjši od atomov! Tudi to je samo zato

• protoni in nevtroni so skoraj 2000-krat težji od elektronov,
• pri teh razdaljah je velika jedrska sila med protoni in nevtroni v jedru večkrat večja od ustreznih elektromagnetnih sil (vključno z elektromagnetnim odbijanjem med protoni v jedru).

Ta naivna ugibati daje o pravilnem odgovoru! Vendar to ne odraža v celoti kompleksnosti interakcije med protonom in nevtronom. Eden od očitnih problemov je, da se sila, podobna elektromagnetnemu, vendar z večjo vlečno ali odbojno sposobnostjo, očitno očitno kaže v vsakdanjem življenju, vendar ne opazimo ničesar podobnega. Torej mora biti nekaj v tej moči drugačno od električnih sil.

Jedrska energija kratkega dosega

Kar jih razlikuje, je, da so jedrske sile, ki zadržujejo atomsko jedro pred propadanjem, zelo pomembne in velike za protone in nevtrone, ki so na zelo kratki razdalji drug od drugega, vendar na določeni razdalji (tako imenovani "razpon" sile), padejo. zelo hitro, veliko hitreje kot elektromagnetno. Izkazalo se je, da je obseg lahko tudi velikost zmerno velikega jedra, le nekajkrat večjega od protonskega. Če postavite proton in nevtron na razdaljo, ki je primerljiva s tem razponom, se bosta drug drugega privabili in tvorili detonacijo; če so razbite na večjo razdaljo, bodo komaj občutili privlačnost. Pravzaprav, če so postavljeni preveč blizu drug drugega, tako da se začnejo prekrivati, se bodo dejansko odbijali. Tu se pokaže zapletenost takšne stvari, kot so jedrske sile. Fizika se še naprej razvija v smeri pojasnjevanja mehanizma njihovega delovanja.

Fizični mehanizem jedrske interakcije

Vsak materialni proces, vključno z medsebojnim delovanjem med nukleoni, mora imeti iste nosilce materiala. To so kvanti jedrskega polja (pioni), zaradi katerih je med nukleoni prisotna privlačnost.

V skladu z načeli kvantne mehanike se pi-mezoni, ki se pojavljajo in takoj izginjajo, oblikujejo okoli "golih" nukleonov, podobnih oblaku, ki se imenuje mezonski plašč (pomisli na elektronske oblake v atomih). Ko sta dve nukleoni, obdani s takšnimi nanosi, na razdalji približno ^10-15 m, se pioni izmenjujejo kot valentni elektroni v atomih, ko se tvorijo molekule, in pride do privlačnosti med nukleoni.

Če razdalje med nukleoni postanejo manj kot 0,7-10 ^-15 m, začnejo izmenjevati nove delce - tako imenovane. ω in ρ-mezoni, zaradi katerih ne pride do odbijanja med nukleoni, ampak privlačnost.

Jedrske sile: struktura jedra od najpreprostejših do največjih

Če povzamemo vse zgoraj navedeno, lahko ugotovimo:

• močna jedrska interakcija je veliko, veliko šibkejša od elektromagnetizma na razdaljah, ki so veliko večje od velikosti tipičnega jedra, tako da ga v vsakdanjem življenju ne srečamo; ampak
• na kratkih razdaljah, primerljivih z jedrom, postane veliko močnejša - sila privlačnosti (pod pogojem, da razdalja ni prekratka) je sposobna premagati električno odbijanje med protoni.

Torej je ta sila pomembna le na razdaljah, primerljivih z velikostjo jedra. Spodnja slika prikazuje pogled na odvisnost od razdalje med nukleoni.

Velika jedra se držijo skupaj s pomočjo bolj ali manj iste sile, ki drži deuteron skupaj, vendar so podrobnosti procesa zapletene, zato jih ni lahko opisati. Prav tako niso popolnoma razumljeni. Čeprav so temeljni načrti jedrske fizike že desetletja dobro raziskani, se še vedno dejavno preiskujejo številne pomembne podrobnosti.