Какое свойство определяет ядерное взаимодействие
Ядерное взаимодействие 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 являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10–15 м. Длина (1,5 – 2,2)·10–15 м называется радиусом действия ядерных сил.
Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нейтронного. 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, ядра гелия и тяжелого водорода – трития . Энергии связи этих ядер составляют 7,72 МэВ и 8,49 МэВ.
Разность энергий связи 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 ядерных сил.
Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел A. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Ядерные силы зависят от ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Это подтверждается различным характером рассеяния нейтронов 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. Ядерные силы не являются центральными.
Итак, перечислим общие свойства ядерных сил:
· малый радиус действия ядерных сил (R ~ 1 Фм);
· большая величина ядерного потенциала U ~ 50 МэВ;
· зависимость ядерных сил от спинов взаимодействующих частиц;
· тензорный характер взаимодействия нуклонов;
· ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинового и орбитального моментов нуклона (спин-орбитальные силы);
· ядерное взаимодействие обладает свойством насыщения;
· зарядовая независимость ядерных сил;
· обменный характер ядерного взаимодействия;
· притяжение между нуклонами на больших расстояниях (r > 1 Фм), сменяется отталкиванием на малых (r < 0,5 Фм).
взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения квантов ядерного поля – π-мезонов. Они определяют ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами. Взаимодействие между нуклонами, возникающее в результате обмена квантами массы m, приводит к появлению потенциала Uя(r):
.
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
Деление ядер. Радиоактивность.
Атомная электростанция.
Источник
Е.С.КОСОЛАПОВА
, Рљ.Рђ.РљРћРҐРђРќРћР’,
ВятГГУ, г. Киров
center@extedu.kirov.ru
Слабое взаимодействие и
элементы
теории электрослабого взаимодействия
Урок-лекция объяснения нового
материала, 2 ч. 11-й класс
Вы уже знаете, что
все силы в природе сводятся к описанию
гравитационного, электромагнитного и сильного
взаимодействий или их совокупностей.
Гравитационное взаимодействие присуще всем
материальным объектам. К электромагнитному
сводятся не только взаимодействие между
заряженными телами и частицами, но и упругие,
вязкие, молекулярные, химические и другие
взаимодействия. Сильное взаимодействие
удерживает нуклоны в атомных ядрах и определяет
различные превращения частиц друг в друга.
Сегодня мы рассмотрим ещё
один, 4-й, тип фундаментальных взаимодействий,
несводимый ни к одному из названных, – слабое
взаимодействие. Узнаем поразительный факт, что
на малых расстояниях слабое взаимодействие
становится неотличимым от электромагнитного.
Слабое взаимодействие.
Слабым это взаимодействие называется
неслучайно. Во-первых, его проявления редко
встречаются в нашей повседневной жизни, тогда
как мы давно привыкли к различным проявлениям
гравитационного и электромагнитного
взаимодействий (например, падение всех тел на
Землю, трение, молния и др.), к результатам
действия ядерных сил, обеспечивающих
стабильность окружающего нас вещества.
Во-вторых, это взаимодействие действительно
является слабым, т.к. его интенсивность при
низких энергиях, не превышающих 1 ГэВ – энергии
покоя протона, – в миллиарды раз меньше, чем
интенсивность сильного и электромагнитного
взаимодействий.
Кроме того, опыт показывает,
что сильное и электромагнитное взаимодействия
могут обеспечивать как различные превращения
частиц, так и целостность какого-то
материального объекта (например, сильное
взаимодействие обеспечивает целостность ядра,
электромагнитное взаимодействие – целостность
кристаллической решётки). Силы слабого
взаимодействия не хватает, чтобы удерживать
частицы друг около друга (т.е. образовывать
связанные состояния). Оно может проявляться
только при распадах и взаимных превращениях
частиц.
Несмотря на все «слабости»
слабого взаимодействия, оно имеет очень большое
значение. Р
Источник
Силы, действующие между нуклонами в ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер, называются ядерными силами. Они являются особыми силами, отличными от гравитационных сил и сил электромагнитного взаимодействия. Взаимодействие между нуклонами является примером сильных взаимодействий между элементарными частицами.
Ядерные силы обладают рядом особых свойств.
- 1. Эти силы являются силами притяжения.
- 2. Ядерные силы — силы короткодействующие. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях, сравнимых с линейными размерами самих нуклонов {радиус действия ядерных сил г « 2,2 • 1(Г15 м).
- 3. Они обладают свойством зарядовой независимости: ядерные силы, действующие между двумя любыми нуклонами, одинаковы.
- 4. У них имеется свойство насыщения: каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра.
- 5. Ядерные силы не являются центральными силами (,нецентральность ядерных сил), в отличие от кулоновских и гравитационных сил, которые зависят от расстояния между частицами.
Ядерные силы детально не изучены до настоящего времени. Законченной теории ядерных сил пока не существует.
В состав ядра кроме нейтронов входят положительно заряженные протоны, и они должны бы отталкиваться друг от друга, т.е. ядро атома должно бы разрушиться, но этого не происходит. Оказывается, на малых расстояниях (например, внутри ядра) между этими частицами действуют мощные ядерные силы, по сравнению с которыми электромагнитные силы в сотни раз слабее. В пренебрежении электромагнитными силами протон и нейтрон обладают одинаковыми свойствами: при прочих равных условиях ядерные силы, действующие между двумя протонами, равны ядерным силам, действующим между двумя нейтронами, а также между нейтроном и протоном. Ядерные силы обладают насыщенностью, т.е. нуклоны взаимодействуют лишь с ближайшими соседними нуклонами.
В настоящее время в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах. К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы: упругие, вязкие, молекулярные, химические и пр. Слабые взаимодействия вызывают, в частности, Р-распад радиоактивных ядер. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
Сильные и слабые взаимодействия — короткодействующие, т.е. они проявляются только на коротких расстояниях. Радиус действия сильных взаимодействий ~10 1э м, а слабых — ~2-10 18 м. Электромагнитные силы, напротив, являются дальнодействующими; они убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами. По такому же закону убывают и гравитационные силы. Поэтому отношение F3n/FTp не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами, т.е. Fm AFrp = qq2 /(Gmm2). Для взаимодействия двух протонов эта формула дает /%лАРгр~ 1,23-1036. Поэтому в физике микромира гравитационное взаимодействие не учитывается. Но в макромире при рассмотрении движения больших масс: галактик, звезд, планет и пр., а также при рассмотрении движения небольших макроскопических тел в поле таких больших масс гравитационное взаимодействие становится определяющим.
Классическая физика полагала, что взаимодействие между телами передается с конечной скоростью посредством силовых полей. Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля. Из-за корпускулярно-волнового дуализма всякому полю должна соответствовать определенная частица (квант поля), которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает, происходит обмен частицами, поэтому ядерные силы имеют обменный характер. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. В случае электромагнитных взаимодействий квантами поля — переносчиками взаимодействия — являются фотоны. До недавнего времени считалось, что пионы (л+, п, к0) осуществляют сильные взаимодействия. Сейчас эту роль отводят глюонам. Слабые взаимодействия осуществляются (переносятся) WF и Z° — промежуточными векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие переносится гипотетическими гравитонами.
Со времени возникновения кварковой модели (1964 г.) принято считать, что основное взаимодействие между нуклонами сводится к взаимодействию кварков, а взаимодействие кварков осуществляется путем обмена безмассовы- ми частицами со спином 1 — глюонами.
Источник
Макеты страниц
Потери энергии за счет ядерного взаимодействия: рассеяния на ядерных силах, ядерных реакций — имеют большое значение только для сильновзаимодействующих (ядерноактивных) частиц, например -мезонов и протонов высокой энергии, -излучение, возникающее при радиоактивном распаде практически не испытывает ядерных взаимодействий.
Поскольку ядерные силы короткодействующие, частица должна приблизиться к ядру на расстояние порядка радиуса ядра см. Характерный же параметр удара для ионизационных потерь см. Вероятность тех или иных физических явлений, как уже говорилось, определяется эффективным сечением а. Поэтому для взаимодействий, обусловленных ядерными силами» а для ионизационных потерь и их отношение т. е. только в одном случае из 107—108 столкновений происходит ядерная реакция. Таким образом, ядерная реакция — событие очень редкое даже для частиц высокой энергии.
Однако при каждой ядерной реакции частица теряет значительную часть своей энергии, в то время как при столкновении с атомной оболочкой она теряет всего и таким образом ядерноактивные частицы при прохождении через среду эффективно выбывают из коллимированного пучка за счет процессов поглощения и рассеяния. Подробнее различные ядерные реакции будут рассмотрены в соответствующем разделе.
Рис. 55. Движение частицы в поле ядра
Радиационное торможение электронов (тормозное излучение). Согласно классической теории любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна излучать электромагнитные волны. Допустим, что частица с зарядом массой и скоростью движется мимо ядра, обладающего массой и зарядом При рассеянии
кулоновским центром частица претерпевает отклонение (рис. 55) и, следовательно, получает ускорение.
В соответствии с классической электродинамикой заряд, испытывающий ускорение в течение времени излучает энергию
Поскольку то Таким образом, радиационные потери энергии наиболее существенны у самых легких частиц — электронов; для протонов, например, при той же энергии эффект уже в 4-106 раз меньше.
Релятивистский квантовый расчет, проведенный Бете и Гайтлером [10], позволяет найти потери энергии электроном на тормозное излучение
где называемая постоянная тонкой структуры; – классический радиус электрона; число атомов в вещества; —полная энергия излучающего электрона.
Для того чтобы удобнее было сравнивать потери энергии на излучение в различных веществах, вводится так называемая «радиационная» единица длины
другими словами, весь коэффициент при имеющий размерность обозначается Тогда если измерять толщину вещества в этих единицах, то
Отсюда видно, что потери энергии электроном на одной -единице длины не зависят от вещества (но сама эта единица для разных веществ, конечно, различна). Интегрируя (80), получаем простой закон изменения энергии частицы
где начальная энергия электрона. Следовательно, -единица — это та длина, на которой энергия частицы уменьшается в раз. Для воздуха, например, для свинца см.
Как видно из выражения (78), потери энергии на тормозное излучение подчиняются иным закономерностям, чем потери энергии вследствие неупругих соударений:
1) до энергий порядка постоянны, а затем возрастают продорционально и при достаточно больших энергиях становятся преобладающими;
2) потери на излучение пропорциональны квадрату заряда ядра, поэтому для тяжелых элементов они более существенны, чем для легких.
Если сравнить формулы для потерь энергии электронов на ионизацию и тормозное излучение (68) и (78), то можно найти отношение этих потерь:
Рис. 56. Зависимость потерь энергии на излучение кривая) и ионизацию -кривая) от энергии частицы
Отсюда следует, что в воздухе, например, потери на излучение становятся сравнимыми с потерями на ионизацию при Для свинца это наступает уже при (энергия, при которой потери на излучение становятся равными потерям на ионизацию, называется критической энергией (рис. 56).
Поэтому относительный вклад различных потерь энергии существенно зависит не только от вещества, массы, но и от энергии частицы.
Источник
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 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 центральнымии 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 (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 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:
(22.6)
(22.7)
1. Нуклоны обмениваются мезонами: . (22.8)
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:
. (22.9)
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. Под моделью ядра в ядерной физике понимают совокупность физических и математических предположений с помощью которых можно рассчитать характеристики ядерной системы, состоящей из А нуклонов.
Гидродинамическая (капельная) модель ядраВ 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 .
Оболочечная модель ядра В ней предполагается, что каждый нуклон движется независимо от других в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме , создаваемом остальными нуклонами ядра.
Обобщённая модель ядра, 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.
26. Реакции деления атомных ядер. Ядерная энергетика.
Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с другими ядрами или элементарными частицами. Первое сообщение о ядерной реакции принадлежит Э.Резерфорду. В 1919г он обнаружил, что когда – частицы проходят через газообразный азот, некоторые из них поглощаются, причем одновременно происходит испускание протонов. Резерфорд пришел к выводу, что ядра азота превращались в ядра кислорода в результате ядерной реакции вида:
, (22.11)
где − – частица; − протон ( водород).
Важным параметром ядерной реакции является ее энергетический выход , который определятся по формуле:
(22.12)
Здесь и – суммы масс покоя частиц до реакции и после нее. При ядерные реакции протекают с поглощением энергии, поэтому они называются эндотермическими,а при − с выделением энергии. В этом случае они называются экзотермическими.
В любой ядерной реакции всегда выполняются законы сохранения:
− электрического заряда;
− числа нуклонов;
− энергии;
− импульса.
Первые два закона позволяют правильно записывать ядерные реакции даже в тех случаях, когда одна из частиц, участвующих в реакции, или один из его продуктов неизвестны. С помощью законов сохранения энергии и импульса можно определить кинетические энергии частиц, которые образуются в процессе реакции, а также направления их последующего движения.
Для характеристики эндотермических реакций вводится понятие пороговая кинетическая энергия, или порог ядерной реакции , т.е. наименьшая кинетическая энергия налетающей частицы (в системе отсчета, где ядро-мишень покоится), при которой ядерная реакция становится возможной. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что пороговая энергия ядерной реакции рассчитывается по формуле:
. (22.13)
Здесь – энергия ядерной реакции (7.12); -масса неподвижного ядра – мишени; − масса налетающей на ядро частицы.
Реакции деления.В 1938г немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман 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:
. (22.14)
Процесс деления ядер протекает очень быстро за время ~10-12 с. Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (22.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.
В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:
+нейтроны. (22.15)
Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 22.2).
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.
Рис. 22.2
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 (22.15), 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 под руководством физика Э.Ферми. 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.
Источник