Nuklearne sile: svojstva. Između onih čestica koje rade nuklearne sile?

U fizici, pojam "sila" odnosi se na mjeru međudjelovanja materijalnih formacija međusobno, uključujući interakciju dijelova tvari (makroskopskih tijela, elementarnih čestica) međusobno i sa fizičkim poljima (elektromagnetskim, gravitacijskim). Ukupno postoje četiri vrste interakcija u prirodi: jake, slabe, elektromagnetske i gravitacijske, a svaka ima svoje vrste sila. Prvi od njih odgovara nuklearnim silama koje djeluju unutar atomskih jezgri.

Što ujedinjuje jezgre?

Poznato je da je jezgra atoma sićušna, njegova veličina je četiri do pet decimalnih zapisa manjih od veličine samog atoma. U tom pogledu, nameće se očigledno pitanje: zašto je on tako mali? Uostalom, atomi sastavljeni od sićušnih čestica su još uvijek mnogo veći od čestica koje sadrže.

Naprotiv, jezgre se ne razlikuju po veličini od nukleona (protona i neutrona) iz kojih su nastali. Postoji li razlog za to ili je slučajno?

U međuvremenu, poznato je da električne sile drže negativno nabijene elektrone u blizini atomskih jezgri. Kakva sila ili sile drže jezgrene čestice zajedno? Taj zadatak obavljaju nuklearne sile, koje su mjera jakih interakcija.

Jaka nuklearna interakcija

Ako su u prirodi postojale samo gravitacijske i električne sile, tj. one koje susrećemo u svakodnevnom životu, atomske jezgre, često sastavljene od mnogih pozitivno nabijenih protona, bile bi nestabilne: električne sile koje guraju protone odvojeno mogle bi biti milijune puta jače od bilo kojih gravitacijskih sila koje ih privlače prijatelju. Nuklearne sile pružaju privlačnost još jaču od električne odbojnosti, iako se samo struktura njihove prave veličine očituje u strukturi jezgre. Kada proučavamo samu strukturu protona i neutrona, vidimo prave mogućnosti pojave poznate kao jaka nuklearna interakcija. Nuklearne sile su njezina manifestacija.

Gornja slika pokazuje da su dvije suprotne sile u jezgri električni odboj između pozitivno nabijenih protona i jakost nuklearne interakcije, koja zajedno privlači protone (i neutrone). Ako broj protona i neutrona nije previše različit, onda su druge sile bolje od prvog.

Protoni su analogi atoma, a jezgre su analogi molekula?

Između onih čestica koje rade nuklearne sile? Prije svega, između nukleona (protona i neutrona) u jezgri. Na kraju, oni također djeluju između čestica (kvarkova, gluona, antikvarkova) unutar protona ili neutrona. To ne iznenađuje kada prepoznajemo da su protoni i neutroni unutar kompleksa.

U atomu su sitne jezgre i još manji elektroni relativno udaljeni jedan od drugoga u usporedbi s njihovom veličinom, a električne sile koje ih drže u atomu prilično su jednostavne. Ali u molekulama udaljenost između atoma je usporediva s veličinom atoma, tako da unutarnja složenost potonje dolazi u igru. Različita i složena situacija uzrokovana djelomičnom kompenzacijom unutar-atomskih električnih sila generira procese u kojima elektroni mogu zapravo ići od jednog atoma do drugog. To čini fiziku molekula mnogo bogatijima i složenijima od atoma. Slično tome, udaljenost između protona i neutrona u jezgri usporediva je s njihovom veličinom - a također, kao i kod molekula, svojstva nuklearnih sila koje drže jezgre zajedno mnogo su složenije od jednostavne privlačnosti protona i neutrona.

Nema jezgre bez neutrona, osim u vodiku

Poznato je da su jezgre nekih kemijskih elemenata stabilne, dok za druge kontinuirano propadaju, a raspon brzine ovog propadanja je vrlo širok. Zašto onda sile koje drže nukleone u jezgrama zaustavljaju svoje djelovanje? Pogledajmo što možemo naučiti iz jednostavnih razmatranja o svojstvima nuklearnih sila.

Jedna od njih je da sve jezgre, s izuzetkom najčešćeg izotopa vodika (koje ima samo jedan proton), sadrže neutrone; to jest, nema jezgre s nekoliko protona koji ne sadrže neutrone (vidi donju sliku). Stoga je jasno da neutroni igraju važnu ulogu u pomaganju protona da se drže zajedno.

Na sl. Navedeno pokazuje stabilne ili gotovo stabilne jezgre uz neutron. Potonje, kao i tricij, prikazano je isprekidanom crtom, što znači da se na kraju raspadaju. Druge kombinacije s malim brojem protona i neutrona uopće ne tvore jezgre niti oblikuju izrazito nestabilne jezgre. U kurzivu su prikazana i alternativna imena koja se često daju nekim od tih objekata; Primjerice, jezgra helija-4 često se naziva α-čestica, ime koje joj je dano kada je prvi put otkriveno u prvoj studiji radioaktivnosti 1890. godine.

Neutroni kao protonski stočari

Naprotiv, ne postoji jezgra samo neutrona bez protona; većina lakih jezgri, kao što su kisik i silicij, imaju otprilike isti broj neutrona i protona (slika 2). Velike jezgre s velikim masama, poput zlata i radija, imaju nešto više neutrona nego protoni.

Piše dvije stvari:

1. Ne samo da su neutroni potrebni da se protoni drže zajedno, već su i protoni potrebni da bi se neutroni zadržali zajedno.

2. Ako broj protona i neutrona postane vrlo velik, tada bi se električno odbijanje protona trebalo kompenzirati dodavanjem nekoliko dodatnih neutrona.

Posljednja izjava prikazana je na sljedećoj slici.

Gornja slika pokazuje stabilne i gotovo stabilne atomske jezgre kao funkciju P (broj protona) i N (broj neutrona). Crta prikazana crnim točkama označava stabilne jezgre. Svaki pomak od crne linije prema gore ili dolje znači smanjenje života nukleusa - blizu njega, životni vijek jezgre je milijun godina ili više, budući da se plave, smeđe ili žute regije kreću prema unutra (različite boje odgovaraju različitim mehanizmima nuklearnog raspada) njihov životni vijek postaje kraći, na djelić sekunde.

Treba primijetiti da stabilne jezgre imaju P i N, koji su približno jednaki za mala P i N, ali N postupno postaje više od P više od jednog i pol puta. Napominjemo da skupina stabilnih i dugovječnih nestabilnih jezgri ostaje u prilično uskom pojasu za sve vrijednosti od P do 82. Kod većeg broja njih poznate jezgre u načelu su nestabilne (iako mogu postojati milijuni godina). Čini se da gore spomenuti mehanizam za stabilizaciju protona u jezgrama dodavanjem neutrona na njih u ovoj regiji nema stopostotnu učinkovitost.

Kako veličina atoma ovisi o masi njegovih elektrona.

Kako te sile utječu struktura atomske jezgre? Nuklearne sile prvenstveno utječu na njezinu veličinu. Zašto je jezgra tako mala u usporedbi s atomima? Da bismo to otkrili, počnimo s najjednostavnijom jezgrom, koja ima i proton i neutron: ona je drugi najčešći izotop vodika, čiji atom sadrži jedan elektron (kao i svi izotopi vodika) i jezgru iz jednog protona i jednog neutrona. Ovaj izotop se često naziva "deuterij", a njegova se jezgra (vidi sliku 2) ponekad naziva "deuteron". Kako možemo objasniti što drži deuteron zajedno? Pa, možete zamisliti da nije toliko različit od atoma običnog vodika, koji također sadrži dvije čestice (proton i elektron).

Na sl. iznad je pokazano da su u atomu vodika jezgra i elektron vrlo udaljeni jedan od drugoga, u smislu da je atom mnogo veći od jezgre (a elektron je još manji). Ali u deuteronu udaljenost između protona i neutrona usporediva je s njihovom veličinom. To djelomično objašnjava zašto su nuklearne sile mnogo složenije od sila u atomu.

Poznato je da elektroni imaju malu masu u usporedbi s protonima i neutronima. Iz toga slijedi

• masa atoma je u biti blizu mase njegove jezgre,
• veličina atoma (u biti veličina elektronskog oblaka) obrnuto je proporcionalna masi elektrona i obrnuto proporcionalna ukupnoj elektromagnetskoj sili; Princip nesigurnosti kvantne mehanike igra ključnu ulogu.

I ako su nuklearne sile slične elektromagnetskim

Što je s Deuteronom? Ona se, kao i atom, sastoji od dva objekta, ali su gotovo isti. mase (mase) Neutroni i protoni razlikuju se samo u dijelovima za otprilike 1500 dijelova), tako da su obje čestice jednako važne za određivanje mase deuterona i njegove veličine. Pretpostavimo sada da nuklearna sila vuče proton prema neutronu baš kao i elektromagnetske sile (to nije sasvim slučaj, ali zamislite na trenutak); i onda, po analogiji s vodikom, očekujemo da će veličina deuterona biti obrnuto proporcionalna masi protona ili neutrona i obrnuto proporcionalna veličini nuklearne sile. Ako je njegova magnituda ista (na određenoj udaljenosti) kao elektromagnetska sila, onda bi to značilo da budući da je proton oko 1850 puta teži od elektrona, tada deuteron (i doista svaka jezgra) mora biti najmanje tisuću puta manja. nego vodik.

Što objašnjava značajnu razliku između nuklearnih i elektromagnetskih sila

Ali već smo pretpostavili da je nuklearna sila mnogo više elektromagnetska (na istoj udaljenosti), jer ako nije tako, ne bi mogla spriječiti elektromagnetsko odbijanje između protona do raspada jezgre. Tako se proton i neutron pod njegovim djelovanjem još više zbližavaju. I stoga ne čudi da deuteron i druge jezgre nisu samo tisuću, nego sto tisuća puta manje od atoma! Opet, to je samo zato

• protoni i neutroni su gotovo 2000 puta teži od elektrona,
• na tim udaljenostima velika nuklearna sila između protona i neutrona u jezgri je mnogo puta veća od odgovarajućih elektromagnetskih sila (uključujući elektromagnetsko odbijanje između protona u jezgri).

Ovaj naivan pogoditi daje o točnom odgovoru! No to ne odražava u potpunosti složenost interakcije između protona i neutrona. Jedan od očiglednih problema je u tome što bi se sila slična elektromagnetskoj, ali s većom vlačnom ili odbojnom sposobnošću, očito trebala očitovati u svakodnevnom životu, ali mi ne promatramo ništa slično. Dakle, nešto u toj moći mora biti različito od električnih sila.

Nuklearna energija kratkog dometa

Ono što ih razlikuje jest da su nuklearne sile koje drže atomsku jezgru iz propadanja vrlo važne i velike za protone i neutrone koji su na vrlo kratkoj udaljenosti jedan od drugog, ali na određenoj udaljenosti (takozvani "raspon" sile), oni padaju vrlo brzo, mnogo brže od elektromagnetskog. Ispada da raspon može biti i veličine umjereno velike jezgre, samo nekoliko puta veće od protona. Ako postavite proton i neutron na udaljenosti koja je usporediva s tim rasponom, privući će se i formirati deton; ako su razbijene na veću udaljenost, teško će osjetiti bilo kakvu privlačnost. Zapravo, ako su postavljeni preblizu jedan drugome, tako da se počinju preklapati, oni će se zapravo odbijati. Tu se očituje složenost takve stvari kao što su nuklearne sile. Fizika se nastavlja razvijati u smjeru objašnjavanja mehanizma njihovog djelovanja.

Fizički mehanizam nuklearne interakcije

Svaki materijalni proces, uključujući interakciju između nukleona, treba imati iste nosače materijala. To su kvantaioni nuklearnog polja (pioni), zbog čije razmjene postoji privlačnost između nukleona.

Prema principima kvantne mehanike, pi-mezoni, koji se tu i tamo pojavljuju i odmah nestaju, oblikuju se oko "golih" nukleona nešto poput oblaka, nazvanog mezonska dlaka (mislimo na elektronske oblake u atomima). Kada su dvije nukleone, okružene takvim slojevima, na udaljenosti od oko 10 ^-15 m, pioni se razmjenjuju kao valentni elektroni u atomima kada se formiraju molekule, a dolazi do privlačenja između nukleona.

Ako udaljenosti između nukleona postanu manje od 0,7-10 ^-15 m, tada počinju razmjenjivati ​​nove čestice - tzv. ω i ρ-mezoni, zbog čega se ne javlja odbijanje između nukleona, već privlačnost.

Nuklearne sile: struktura jezgre od najjednostavnijih do najvećih

Rezimirajući sve gore navedeno, možemo napomenuti:

• jaka nuklearna interakcija je mnogo, mnogo slabija od elektromagnetizma na udaljenostima koje su mnogo veće od veličine tipične jezgre, tako da se ne susrećemo s njime u svakodnevnom životu; ali
• na kratkim udaljenostima, usporedivim s nukleusom, ona postaje mnogo jača - sila privlačenja (pod uvjetom da udaljenost nije prekratka) može prevladati električno odbijanje između protona.

Dakle, ova sila je važna samo na udaljenostima usporedivim s veličinom jezgre. Donja slika pokazuje pogled na njegovu ovisnost o udaljenosti između nukleona.

Velike jezgre se drže zajedno uz pomoć manje ili više iste sile koja drži deuteron zajedno, ali detalji procesa su komplicirani, tako da ih nije lako opisati. Oni također nisu u potpunosti shvaćeni. Iako su osnovni obrisi nuklearne fizike dobro proučavani već desetljećima, mnogi se važni detalji još uvijek aktivno istražuju.