Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на расстояниях см друг от друга, несмотря на сильное кулоновское отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия имеет порядок . На расстояниях, существенно меньших , притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеют одинаковую величину. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода дейтрон (или дейтон) только в том. случае, если их спины параллельны друг другу.

4. Ядерные силы не являются центральными. Их нельзя представлять направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Нецентральность ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов.

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растет, а остается примерно постоянной. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов (см. формулу (66.8)).

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов. Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рассмотрим прежде, как выглядит электромагнитное взаимодействие с точки зрения квантовой электродинамики.

Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле. Мы знаем, что это поле может быть представлено как совокупность фотонов.

Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. В этом смысле виртуальные частицы можно назвать воображаемыми.

Чтобы лучше понять смысл термина «виртуальный», рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить уравнением

Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое уравнением (69.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике энергия состояния, существующего время оказывается определенной лишь с точностью , удовлетворяющей соотношению неопределенности:

(см. формулу (20.3)). Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения АЕ, длительность которых не должна превышать значения, определяемого условием (69.2). Следовательно, если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени (где ), то нарушение вакона сохранения энергии не может быть обнаружено.

При сообщении электрону дополнительной энергии (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном) вместо виртуального может быть испущен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.

За определяемое условием (69.2) время виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными расстоянием

Энергия фотона может быть сколь угодно мала (частота изменяется от 0 до ). Поэтому радиус действия электрод магнитных сил является неограниченным.

Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу , то радиус действия соответствующих сил был бы ограничен величиной

где - комптоновскан длина волны данной частицы (см. (11.6)). Мы положили, что частица - переносчик взаимодействия - движется со скоростью с.

В 1934 г. И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц - электрон - обладает комптонозской длиной волны (см. (11.7)), на два порядка превышающей радиус действия ядерных сил. Кроме того, величина сил, которые могли бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой. Таким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной.

В 1935 г. японский физик X. Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200-300 раз большей массы электрона, и что эти то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжелыми фотонами. В связи с тем, что по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впоследствии были названы мезонами (греческое «мезос» означает средний),

В 1936 г. Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой, равной . Вначале полагали, что эти частицы, получившие название -мезонов, или мюонов, и есть переносчики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впоследствии выяснилось, что мюоны очень слабо взаимодействуют с нуклонами, так что не могут быть ответственными за ядерные взаимодействия. Только в 1947 г. Оккиалини и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезонов - так называемые -мезоны, или пионы, которые оказались носителями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юкавой.

Существуют положительный отрицательный и нейтральный мезоны. Заряд и -мезонов равен элементарному заряду . Масса заряженных пионов одинакова и равна , масса -мезона равна .

Спин как заряженных, так и нейтрального -мезона равен нулю Все три частицы нестабильны. Время жизни и -мезонов составляет , -мезона - .

Подавляющая часть заряженных -мезонов распадается по схеме

( - положительный и отрицательный мюоны, v - нейтрино, -антинейтрино). В среднем 2,5 распада из миллиона протекают по другим схемам (например, и т. п., причем в случае образуется т. е. позитрон, а в случае возникает т. е. электрон).

В среднем -мезонов распадаются на два -кванта:

Остальные распадов осуществляются по схемам:

Частицы, называемые -мезонами или мюонами, принадлежат к классу лептонов (см. § 74), а не мезонов. Поэтому в дальнейшем мы будем называть их мюонами. Мюоны имеют положительный или отрицательный заряд, равный элементарному заряду (нейтрального мюона не существует). Масса мюона равна , спин - половине . Мюоиы, как и -мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме:

Время жизни обоих мюонов одинаково и равно .

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов

нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных -мезонов, образующих поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, которое осуществляется по одной из следующих схем:

Соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени. Совершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов. Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных -мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превращается в нейтрон (рис. 69.2).

Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе -мезона, то виртуальный -мезон может стать реальным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном --кванта. При очень больших энергиях соударяющихся растиц может возникнуть несколько реальных

Между составляющими ядро нуклонами действуют ядерные силы , значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. С точки зрения полевой теории элементарных частиц ядерные силы, в основном, являются силами взаимодействия магнитных полей нуклонов в ближней зоне. На больших расстояниях потенциальная энергия такого взаимодействия убывает по закону 1/r 3 - этим объясняется их короткодействующий характер. На расстоянии (3 ∙10 -13 см) ядерные силы становятся доминирующими, а на расстояниях менее (9,1 ∙10 -14 см) они превращаются в еще более мощные силы отталкивания.

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 .

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 .

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.

Энергия связи

Прочность ядер характеризуется энергией связи . По своей величине энергия связи равна той работе, которую необходимо затратить для разрушения ядра на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии . Такое же количество энергии освобождается при образовании ядра из нуклонов. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Количество заключенной в веществе энергии непосредственно связано с его массой соотношением Эйнштейна

E = mc 2 .

В соответствии с этим соотношением масса и энергия представляют собой разные формы одного и того же явления. Ни масса, ни энергия не исчезают, а при соответствующих условиях переходят из одного вида в другой, т.е. любому изменению массы m системы соответствует эквивалентное изменение ее энергии Е .

Разность между суммой масс свободных нуклонов и массой ядра называется дефектом массы атомного ядра . Если ядро с массой m образовано из Z протонов с массой m p и из (А – Z ) нейтронов с массой m n , то дефект массы Δ m определяется соотношением

При образовании ядра из частиц последние за счет действия ядерных сил на малых расстояниях устремляются с огромным ускорением друг к другу. Излучаемые при этом гамма-кванты как раз обладают энергией Е св и массой m .

По дефекту массы, с помощью уравнения Эйнштейна (Е = mc 2 ) можно определить энергию, выделившуюся в результате образования ядра, т.е. энергию связи (Е cв ):

Е cв = Δ mc 2

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон (т. е. полная энергия связи поделенная на число нуклонов в ядре), называется удельной энергией связи :

Чем больше по абсолютной величине удельная энергия связи, тем сильнее взаимодействие между нуклонами и тем прочнее ядро. Наибольшая энергия связи, приходящаяся на один нуклон, порядка 8,75 МэВ, присуща элементам средней части таблицы Менделеева.

Ядерные спектры

Атомное ядро, как и другие объекты микромира, является квантовой системой. Это означает, что теоретическое описание его характеристик требует привлечения квантовой теории. В квантовой теории описание состояний физических систем основывается на волновых функциях, или амплитудах вероятности ψ(α,t). Квадрат модуля этой функции определяет плотность вероятности обнаружения исследуемой системы в состоянии с характеристикой α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2 . Аргументом волновой функции могут быть, например, координаты частицы.

Квантовый характер атомных ядер проявляется в картинах их спектров возбуждения. Ядра обладают дискретными спектрами возможных энергетических состояний. Таким образом, квантование энергии и ряда других параметров является свойством не только атомов, но и атомных ядер. Состояние атомного ядра с минимальным запасом энергии называется основным , или нормальным, состояния с избыточной энергией (по сравнению с основным состоянием) называются возбужденными .

Спектр состояний ядра 12 С

Атомы обычно находятся в возбужденных состояниях примерно 10 -8 секунды, а возбужденные атомные ядра избавляются от избытка энергии за гораздо более короткое время - порядка 10 -15 - 10 -16 секунды. Как и атомы, возбужденные ядра освобождаются от избытка энергии, испуская кванты электромагнитного излучения. Эти кванты называются гамма-квантами (или гамма-лучами). Дискретному набору энергетических состояний атомного ядра соответствует дискретный спектр частот излучаемых ими гамма-квантов.

Многие закономерности в ядерных спектрах можно объяснить, если воспользоваться так называемой оболочечной моделью строения атомного ядра. Согласно этой модели, нуклоны в ядре не перемешаны в беспорядке, а, подобно электронам в атоме, располагаются связанными группами, заполняя разрешенные ядерные оболочки. При этом протонные и нейтронные оболочки заполняются независимо друг от друга. Максимальные числа нейтронов: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 и протонов: 2, 8, 20, 28, 50, 82 в заполненных оболочках получили название магических. Ядра с магическими числами протонов и нейтронов обладают многими замечательными свойствами: повышенным значением удельной энергии связи, меньшей вероятностью вступления в ядерное взаимодействие, устойчивостью по отношению к радиоактивному распаду и т. п. "Дважды магическими" являются, например, ядра 4 He , 16 O , 28 Si . Именно из-за своей особо высокой стабильности эти ядра максимально распространены в природе.

Переход ядра из основного состояния в возбужденное и возвращение его в основное состояние, с точки зрения оболочечной модели, объясняется переходом нуклона с одной оболочки на другую и обратно.

Спонтанные переходы ядер из более высоких возбужденных состояний дискретного спектра ядра в более низкие (в том числе в основное состояние) реализуются, как правило, путем излучения γ-квантов, т.е. за счет электромагнитных взаимодействий . В области больших энергий возбуждения, когда E > E отд, ширины уровней возбужденного ядра резко возрастают. Дело в том, что в отделении нуклона от ядра главную роль играют ядерные силы - т.е. сильные взаимодействия. Вероятность сильных взаимодействий на порядки выше вероятности электромагнитных, поэтому ширины распада по сильным взаимодействиям велики и уровни ядерных спектров в области E > E отд перекрываются – спектр ядра становится непрерывным. Главным механизмом распада высоковозбужденных состояний из этой области энергий является испускание нуклонов и кластеров (α-частиц и дейтронов). Излучение γ-квантов в этой области высоких энергий возбуждения E > E отд происходит с меньшей вероятностью, чем испускание нуклонов. Возбужденное ядро имеет, как правило, несколько путей, или каналов , распада.

Из факта существования ядер следует, что между нуклонами ядра действуют специфические ядерные силы несводимые к электромагнитным силам. Ядерные силы обладают следующими свойствами.

1.Ядерные силы короткодействующие. Они экспоненциально убывают с расстоянием Радиус взаимодействия нуклонов меньше см и связан с массой частицы переносчика взаимодействия (пи-мезоном).

2.Ядерные силы являются силами притяжения и на расстояниях в 1 ферми в раз больше кулоновских сил отталкивания протонов в ядре. Это следует из положительного значения энергии связи ядра и существования дейтрона. Энергия кулоновского отталкивания двух протонов

Удельная энергия связи нуклона в ядре гелия приблизительно 7 Мэв .

3.Ядерные силы имеют нецентральный (тензорный) характер, т.е. зависят от взаимного расположения нуклонов. Это следует из наличия у дейтрона электрического квадрупольного момента.

4. Потенциал ядерных сил зависит от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц и их спинов. На это указывают опыты по рассеянию медленных нейтронов на молекулярном водороде.

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Это следует из того, что энергия связи пропорциональна числу нуклонов А . Если бы каждый нуклон взаимодействовал со всеми остальными, тогда было бы E св ~А 2 .

6.Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости (изотопической инвариантности). Взаимодействие двух протонов, двух нейтронов, нейтрона с протоном в одинаковых квантовых пространственных и спиновых состояниях одинаково, если исключить кулоновское взаимодействие. Об этом свидетельствуют эксперименты по рассеянию (n ,p ) и (p,p ), а также реакции с образованием двух нейтронов в конечных состояниях. в зеркальных ядрах (при замене всех протонов на нейтроны) все свойства почти одинаковы.

7.Ядерные силы имеют обменный характер. Нуклоны взаимодействуя обмениваются координатами, спинами. и зарядами. π-мезон является квантом ядерного взаимодействия при низких энергиях.

8.Большая интенсивность и отталкивательный характер ядерных сил при очень малых расстояниях () следует из наличия внутри нуклонов массивных заряженных частиц (кварков).

9. Экспериментально наблюдается спин-орбитальная зависимость ядерных сил.

10.Наблюдается существенная зависимость ядерных сил от величины изотопического спина Т (1или 0) при энергиях нуклонов меньше 1 Гэв , и независимость от изоспина при энергиях больше 10 Гэв .

11. Общий характер (n,p ) и (p,p )- рассеяния при высоких энергиях больших 100 Мэв приводит к заключению о существовании очень сильного отталкивания нуклонов на расстояниях меньших 0,5 10 -13 см , обменном характере ядерных сил, и спин-орбитальной зависимости ядерных сил(нецентральный тензорный характер ядерных сил следует из фазового анализа (p,p )- рассеяния).

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.

(связанных состояний нуклонов). Само существование атомных ядер заставляет предположить, что в ядерных силах имеется существенное притяжение, которое и обеспечивает энергию связиЭнергия связи - разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше по абсолютной величине, чем прочнее система. Энергия связи с обратным знаком равна минимальной работе, которую нужно затратить, чтобы разделить систему на составляющие ее частицы. нуклонов в ядрах порядка нескольких МэВ на . Кроме того, с увеличением числа нуклонов A в ядре на нуклон остается примерно постоянной, а объем ядра растет пропорционально A . Про системы с такими свойствами говорят, что в них имеется насыщение сил, и потому ядерные силы называют насыщающими. Они приводят к возможности существования ядерной материи (Нейтронные звездыНейтронные звезды - компактные астрофизические объекты с массами около 1,4 массы Солнца и радиусами около 10 км, образующиеся из массивных звезд после вспышки сверхновой. Нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов. Нейтронные звезды являются одними из самых интересных астрофизических объектов с физической точки зрения. Для них характерны такие явления и свойства как: сверхтекучесть, сверхпроводимость, сверхсильные магнитные поля, излучение нейтрино, эффекты специальной и общей теории относительности. В недрах нейтронных звезд могут существовать экзотические формы материи (конденсаты различных элементарных частиц, кварковое вещество). ), плотность энергии которой не зависит от полного числа нуклонов и составляет примерно 16 МэВ на нуклон (если пренебречь электромагнитными (кулоновским) и гравитационными взаимодействиями). В общем случае можно представить себе, что ядерные силы – это притяжение только между нуклонами — ближайшими соседями, поэтому и энергия связи ядра пропорциональна числу в ядре.

Обычно предполагают, что потенциал ядерных сил в произвольной системе нуклонов можно свести к сумме потенциалов парных сил, т.е. сил, действующих между парой нуклонов (влиянием всех остальных нуклонов на данную пару пренебрегают). Хотя кроме парных взаимодействий нуклонов наверняка существуют многочастичные нуклонные взаимодействия, последние проявляются значительно слабее и их пока нельзя однозначно выделить в эксперименте. Поэтому под ядерными силами обычно подразумевают парные ядерные силы.

Совершенно иная ситуация возникает в системе, где преимущественно действуют кулоновские или гравитационныеГравитация - (от латинского gravitas - тяжесть), то же, что тяготение. Тяготение — гравитационное взаимодействие), универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи (обычным веществом, любыми полями физическими). Если это взаимодействие относительно слабое и тела движутся медленно по сравнению со скоростью света в вакууме с, то справедлив всемирного тяготения закон Исаака Ньютона. В случае сильных полей и скоростей, сравнимых с c, необходимо пользоваться созданной Альбертом Эйнштейном общей теорией относительности, являющейся обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной относительности теории. силы. Из-за того, что потенциал этих сил очень медленно спадает с расстоянием r между частицами (как 1 / r), во взаимодействии с данной частицей принимают участие не только ближайшие соседи, но и все частицы системы. Поэтому энергия взаимодействия растет гораздо быстрее, чем число частиц, и насыщения сил не возникает. Ненасыщенные свойства гравитационный сил и является причиной гравитационного коллапсаГравитационный коллапс - катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать ее дальнейшему сжатию и превращению в черную дыру. массивных звезд.

Ядерные силы описывают при помощи потенциала, который является функцией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитационного потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, ядерный потенциал зависит от r гораздо сложнее. Например, на расстоянии 1 ферми (1 ферми=10 -13 см) ядерное притяжение максимально и превышает кулоновское взаимодействие (потенциал) в несколько десятков раз, а гравитационное — в 10 38 раз, однако с увеличением расстояния до r =6 ферми ядерное притяжение убывает в 200 раз, тогда как кулоновское и гравитационное только в 6 раз.

Из-за такого различия ядерных, кулоновских и гравитационных сил их относительный эффект зависит от полного числа частиц в системе. В ядрах с А?300 несущественны, а кулоновские силы отталкивания пропорциональны квадрату числа протонов (Z 2) и уменьшают полную энергию связи примерно на 25% для средних и тяжелых ядер (А?300, Z ~ А / 2). Кулоновские силы приводят также к спонтанному делению тяжелых ядер, потому что суммарная кулоновская энергия отталкивания в ядрах — продуктах деления — меньше, чем в исходном ядре. Эти же кулоновские силы делают невозможным существование равновесной ядерной материи с примерно одинаковым числом протонов и нейтронов, поскольку энергия связи за счет ядерных сил растет как A , а отталкивание за счет кулоновских сил растет как Z 2 ~ A 2 .

Нейтронная ядерная материя в отсутствие гравитационных сил не может существовать, так как, по теоретическим оценкам, притяжения между нейтронами чуть-чуть не хватает для образования связанного состояния. С ростом числа нуклонов в системе, а следовательно ее массы, гравитационные силы становятся все более важными. При суммарной массе нуклонов, сравнимой с массой нейтронной звезды (), гравитационная энергия превышает 15% массы покоя всех нуклонов (в энергетическом выражении); при этом гравитационные силы создают давление, необходимое для существования нейтронной материи в центре нейтронной звезды.

Еще одно свойство потенциала ядерных сил состоит в том, что если кулоновский и гравитационные потенциалы в нерелятивистском приближении зависят только от зарядов и масс частиц соответственно, то потенциал ядерных сил зависит от гораздо большего числа переменных. Определим эти переменные. Нуклоны обладают , зарядом Q и движутся относительно друг друга с орбитальным моментом количества движения L . Кроме того, за счет ядерных сил возможен обмен зарядом между протонами p и нейтронами n.

Количество различных членов в потенциале ядерных силах зависит от всех комбинаций переменных, но уменьшается за счет изотопической и вращательной инвариантности потенциала ядерных сил. Согласно , существуют два различных типа ядерного взаимодействия: одно для симметричных по заряду состояний пары нуклонов pp или nn (ему соответствует так называемый I =0). Согласно вращательной инвариантности, потенциал ядерных сил зависит от ориентации спинов нуклонов относительно друг друга и определенного направления в системе: спины могут быть параллельными или антипараллельными, соответственно суммарный S равен единице или нулю.

При S =1 в потенциале ядерных сил имеется зависимость от ориентации спина относительно направления линии, соединяющей нуклоны. Соответствующий член в потенциале ядерных сил называется потенциалом тензорных сил. Кроме того, спин S =1 может быть по-разному ориентирован относительно плоскости орбиты нуклонов. Член в потенциале, содержащий эту зависимость, называют потенциалом спин-орбитальных сил. Таким образом, основные составляющие части потенциала ядерных сил включают четыре типа потенциала центральных сил (то есть зависящих только от r — расстояния между нуклонами, но не от направления их движения): два по значению полного спина и два по значению изоспина. Имеются также два тензорных потенциала (I =0,1) и два спин-орбитальных (I =0,1). Кроме того, потенциал ядерных сил может зависеть от L 2 и от P 2 — квадрата импульса нуклонов.

Прямое экспериментальное определение парных ядерных сил состоит в опытах по рассеянию нуклонов (протонов или нейтронов) на нуклонной мишени. Для определения зависимости ядерных сил от ориентации спинов требуются опыты с поляризованными нуклонами и поляризованными мишенями. Эти опыты выполнены, и имеются прецизионные данные в интервале энергий до 1000 МэВ (в лабораторной системе отсчета — системе координат, связанной с покоящимся нуклоном).

На основании экспериментальных данных можно утверждать следующее.

1) Все члены в потенциале ядерных сил сравнимы по величине. Главным остается потенциал центральных сил; спин-орбитальные и тензорные силы оказываются меньше, но всего в несколько раз. Для сравнения заметим, что для кулоновских сил в атоме зависящая от спинов часть потенциала составляет около 1% от центральной части (~ Q 1 Q 2 /r ).

2) Ядерные силы обладают конечным радиусом действия, поэтому их называют короткодействующими по сравнению с кулоновскими или гравитационными.

3) На расстоянии 1-1,5 ферми центральная часть взаимодействия является притягивающей — глубина потенциала притяжения (потенциальной ямы) 30-50 МэВ; однако по законам квантовой механики энергия связанного состояния оказывается гораздо меньше (она отличается от глубины ямы на среднюю кинетическую энергию, равную примерно , где r 0 — ширина ямы притяжения, m — масса нуклона). Из-за малого радиуса действия ядерных сил (1,5-2 ферми) притяжение оказывается достаточным для возникновения только одного связанного состояния протона и нейтрона с параллельными спинами () с энергией связи 2,2 МэВ. Два нейтрона (или два протона) вообще не образуют связанного состояния. Для сравнения укажем, что в молекуле водорода над основным состоянием возникает целый спектр возбужденных колебательных и вращательных состояний.

Заметим еще, что энергию ядер или ядерной материи нельзя определить как энергию связи пары (2,2 МэВ), умноженную на полное число пар или число возможных связей; правильный расчет гораздо сложнее и, напр., приводит к большой энергии связи среднего по массе ядра, даже когда энергия связи пары равна нулю.

4) При больших энергиях нуклонов в экспериментах по рассеянию частиц (что эквивалентно малым расстояниям, r < 1 ферми) все компоненты ядерных сил дают сильное отталкивание («кор», от английского core — сердцевина). Величина потенциала ядерных сил на достигнутых малых расстояниях составляет около 1000 МэВ=1 ГэВ. Наличие кора оказывается решающим фактором для насыщения ядерных сил. Если бы величина отталкивающей части потенциала в к’оре была всего в три раза меньше, то нуклоны могли бы коллапсировать на один или несколько центров и ядерной материи в обычном понимании не существовало.

Схематическое поведение потенциала центральных сил V r как функции r показано на рис 1. Оно несколько напоминает поведение потенциала двух нейтральных атомов. В качестве иллюстрации приведем аналитическую зависимость от расстояния r для потенциала Рида, характеризующего взаимодействие двух нейтронов в состоянии с орбитальным моментом, равным нулю:

где и . Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что нуклоны взаимодействуют как весьма сложные объекты.

Теоретическая интерпретация экспериментов по исследованию ядерн. сил осложнена тем, что еще не создана последовательная теория сильных взаимодействий.

Рис. 1. Схематическое поведение потенциала центральных сил V r как функции r

Разработка теории ядерных сил была начата в 1935 году японским физиком Хидэки ЮкавойЮкава Хидэки (1907-1981) - японский физик, иностранный член АН СССР (1966). Предсказал (1935) существование мезонов, развил основные положения мезонной теории. Предсказал (1936, совместно с С. Сакатой) электронный захват. Нобелевская премия (1949). Золотая медаль им. Михаила Васильевича Ломоносова АН СССР (1964). , который предположил, что ядерные силы возникают за счет того, что нуклоны обмениваются?- мезоном с массой 140 МэВ (? -мезон был открыт 10 лет спустя). Такой механизм объясняет конечный радиус действия ядерных сил (он оказывается равным около ферми) и приблизительную величину притяжения на больших расстояниях (r > 1,5 ферми).

В течение 60-х годов 20 века, когда были открыты более тяжелые (r и w), их также включили в схему обмена между нуклонами. Это позволило качественно объяснить возникновение спин-орбитальных сил и отталкивательного кора.

Для объяснения притяжения нужной силы на расстоянии около 1 ферми вводятся гипотетические скалярные мезоны. В настоящее время вместо скалярных мезонов вводится обмен парой скоррелированных -мезонов.

Расчет энергий связи ядер 3 H, 3 He, 4 He с использованием парных потенциалов проводится теперь с точностью около 3%. Оказалось, что такой расчет систематически приводит к недосвязанности ядер (по сравнению с экспериментом). Например, для 3 H и 3 He расчет дает энергию связи на 20% меньше экспериментальной величины, для 4 He — на 30-40% меньше. Расчеты сечений реакций в трех- четырехнуклонных системах в среднем лучше согласуются с опытом в области малых энергий (до 20 МэВ).

Все это в сочетании с трудностью теоретического объяснения величины кора заставляет признать теоретическую картину ядерных сил не вполне удовлетворительной. Возникшая в последние годы кварк-глюонная картина строения частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (), представляет нуклон как систему из трех валентных кварковКварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы - из трех кварков, мезоны - из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1 / 2 , барионным зарядом 1 / 3 , электрическими зарядами -2 / 3 , и +1 / 3 , заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались. , взаимодействующих за счет обмена и находящихся внутри некоторого «пузыря» (обычно называемого кварковым мешком), окруженного давящим на него снаружи вакуумом. В такой картине ядерные силы на малых расстояниях доминирует механизм слипания двух нуклонных мешков с образованием общего шестикваркового менка. Поэтому два нуклона не могут быть рядом, на расстоянии, меньшем размеров общего мешка, что позволяет просто и количественно точно объяснить возникновение отталкивательного кора в ядерных силах (а также и ряд других характеристик яд. сил). Несомненно, кварк-глюонная картина ядерных сил является наиболее фундаментальной, однако в ее конкретном осуществлении делаются только первые шаги.

Дополнительные сведения о ядерных силах смотрите в литературе:

Блатт Дж., Виктор Фредерик ВайскопфВиктор Фредерик Вайскопф (родился в 1908 году) - американский физик-теоретик, иностранный член РАН (1991; иностранный член АН СССР с 1976). Родился в Австрии, работал в Германии и Дании, с 1937 в США. В 1961-65 директор Европейского центра ядерных исследований. Основные труды по физике атомного ядра и элементарных частиц, квантовой теории поля и квантовой электродинамике. , Теоретическая ядерная , перевод с английского, М., 1954; Оге БорОге Бор (родился 19 июня 1922 года, в Копенгагене) - датский физик. Сын Нильса Бора. Член датской АН (1950), Норвежской АН (1962), Шведской АН (1965), Американской академии искусств и наук (1965). Нобелевская премия по физике (1975, совместно с Бенжамином Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером). , , Структура атомного ядра, перевод с английского, т. 1-2, М., 1971-77; Калоджеро Ф., Симонов Ю.А., Ядерные силы, насыщение и структура ядер, в сборнике Будущее науки, в. 9, М., 1976.