Ядрени сили: свойства. Между какви частици работят ядрените сили?

Във физиката терминът "сила" се отнася до измерването на взаимодействието на материалните образувания един с друг, включително взаимодействието на части от веществото (макроскопични тела, елементарни частици) помежду си и с физически полета (електромагнитно, гравитационно). Като цяло има четири вида взаимодействия в природата: силни, слаби, електромагнитни и гравитационни и всеки има свой собствен вид сили. Първият от тях съответства на ядрените сили, действащи вътре в атомните ядра.

Какво обединява ядрата?

Добре известно е, че ядрото на атома е малко, размерът му е от четири до пет десетични реда, по-малък от размера на самия атом. Във връзка с това възниква очевидният въпрос: защо е толкова малък? В крайна сметка, атомите, съставени от малки частици, са все още много по-големи от частиците, които съдържат.

Напротив, ядрата не са много различни по размер от нуклоните (протоните и неутроните), от които са направени. Има ли причина за това или е случайно?

Междувременно е известно, че именно електрическите сили поддържат отрицателно заредени електрони в близост до атомните ядра. Каква сила или сили държат ядрените частици заедно? Тази задача се изпълнява от ядрени сили, които са мярка за силни взаимодействия.

Силно ядрено взаимодействие

Ако в природата има само гравитационни и електрически сили, т.е. онези, с които се сблъскваме в ежедневието, атомните ядра, които често се състоят от много положително заредени протони, биха били нестабилни: електрическите сили, които разделят протоните, ще бъдат милиони пъти по-силни от всякакви гравитационни сили, които ги привличат на приятел. Ядрените сили осигуряват привличане дори по-силно от електрическото отблъскване, въпреки че само сянката на истинската им величина се проявява в структурата на ядрото. Когато изследваме структурата на самите протони и неутрони, виждаме истинските възможности на явлението, известно като силно ядрено взаимодействие. Ядрените сили са неговото проявление.

Фигурата по-горе показва, че двете противоположни сили в ядрото са електрическото отблъскване между положително заредените протони и силата на ядреното взаимодействие, което привлича протоните (и неутроните) заедно. Ако броят на протоните и неутроните не е твърде различен, то вторите сили са по-добри от първите.

Протоните са аналози на атомите, а ядрата са аналози на молекули?

Между какви частици работят ядрените сили? На първо място, между нуклоните (протоните и неутроните) в ядрото. В крайна сметка, те действат и между частици (кварки, глюони, антикварки) в протон или неутрон. Това не е изненадващо, когато признаваме, че протоните и неутроните са вътрешно сложни.

В атома малките ядра и дори по-малките електрони са относително далеч един от друг в сравнение с техния размер, а електрическите сили, които ги задържат в атома, са доста прости. Но в молекулите разстоянието между атомите е сравнимо с размера на атомите, така че вътрешната сложност на последната влиза в игра. Разнообразната и сложна ситуация, причинена от частичната компенсация на вътре-атомните електрически сили, генерира процеси, при които електроните действително могат да преминат от един атом към друг. Това прави физиката на молекулите много по-богата и по-сложна от тази на атомите. По същия начин, разстоянието между протоните и неутроните в ядрото е сравнимо с техния размер - и също, както и с молекулите, свойствата на ядрените сили, държащи ядрата заедно, са много по-сложни, отколкото простото привличане на протони и неутрони.

Няма ядро ​​без неутрон, освен в водород

Известно е, че ядрата на някои химични елементи са стабилни, докато за други те непрекъснато се разпадат, а скоростта на този разпад е много широк. Защо тогава силите, задържащи нуклоните в ядрата, спират действието си? Нека видим какво можем да научим от прости съображения относно свойствата на ядрените сили.

Едно от тях е, че всички ядра, с изключение на най-често срещания водороден изотоп (който има само един протон), съдържат неутрони; няма ядро ​​с няколко протони, които не съдържат неутрони (виж фигурата по-долу). Така че е ясно, че неутроните играят важна роля в подпомагането на протоните да се слепят.

На фиг. Горното показва стабилни или почти стабилни ядра заедно с неутрон. Последният, подобно на тритий, е показан с пунктирана линия, което показва, че в крайна сметка те се разпадат. Други комбинации с малък брой протони и неутрони изобщо не образуват ядра или образуват изключително нестабилни ядра. Показани са и курсивни алтернативни имена, често давани на някои от тези обекти; Например, ядрото на хелий-4 често се нарича α-частица, името което му се дава, когато за първи път е открито в първите изследвания на радиоактивността през 1890 година.

Неутрони като протонни пастири

Напротив, няма ядро, създадено само от неутрони без протони; повечето леки ядра, като кислород и силиций, имат приблизително еднакъв брой неутрони и протони (фигура 2). Големите ядра с големи маси, като злато и радий, имат малко повече неутрони от протоните.

Той казва две неща:

1. Необходими са не само неутрони, за да се задържат протоните заедно, но също така са необходими протони, за да се поддържат заедно неутроните.

2. Ако броят на протоните и неутроните стане много голям, тогава електрическото отблъскване на протоните трябва да се компенсира с добавянето на няколко допълнителни неутрона.

Последната декларация е илюстрирана на фигурата по-долу.

Фигурата по-горе показва стабилни и почти стабилни атомни ядра като функция от Р (броя на протоните) и N (броя на неутроните). Линията, показана с черни точки, показва стабилни ядра. Всяко отклонение от черната линия нагоре или надолу означава намаляване на живота на ядрата - близо до него, времето на живот на ядрата е милиони години или повече, тъй като сините, кафявите или жълтите зони се движат навътре (различните цветове отговарят на различни механизми на ядрен разпад) техният живот става по-кратък до част от секундата.

Трябва да се отбележи, че стабилните ядра имат Р и N, които са приблизително равни за малки P и N, но N постепенно става повече от Р повече от един и половина пъти. Отбележете също така, че групата на стабилни и дългоживеещи нестабилни ядра остава в доста тясна ивица за всички стойности на P до 82. При по-голям брой от тях известните ядра по принцип са нестабилни (въпреки че могат да съществуват милиони години). Очевидно, споменатият по-горе механизъм за стабилизиране на протоните в ядрата чрез добавянето на неутрони към тях в този регион няма сто процента ефективност.

Как размерът на атома зависи от масата на неговите електрони.

Как влияят въпросните сили структурата на атомното ядро? Ядрените сили засягат предимно нейния размер. Защо ядрото е толкова малко в сравнение с атомите? За да разберем, да започнем с най-простото ядро, което има и протон, и неутрон: той е вторият най-често срещан изотоп на водорода, чийто атом съдържа един електрон (като всички водородни изотопи) и ядро ​​от един протон и един неутрон. Този изотоп често се нарича "деутерий", а неговото ядро ​​(вж. Фигура 2) понякога се нарича "дейтрон". Как можем да обясним какво държи дейтерона заедно? Е, можете да си представите, че той не е толкова различен от атома на обикновения водород, който също съдържа две частици (протон и електрон).

На фиг. по-горе е показано, че в водородния атом ядрото и електронът са много далеч един от друг, в смисъл, че атомът е много по-голям от ядрото (и електронът е още по-малък). Но в дейтрона разстоянието между протона и неутрона е сравнимо с техния размер. Това отчасти обяснява защо ядрените сили са много по-сложни от силите в един атом.

Известно е, че електроните имат малка маса в сравнение с протоните и неутроните. От това следва, че

• масата на един атом е по същество близо до масата на нейното ядро,
• размерът на атома (по същество размерът на електронния облак) е обратно пропорционален на масата на електроните и обратно пропорционална на общата електромагнитна сила; Принципът на несигурността на квантовата механика играе решаваща роля.

И ако ядрените сили са подобни на електромагнитните

Какво ще кажете за дейтрона? Тя, подобно на атома, се състои от два обекта, но те са почти еднакви. маси (маси неутрони и протони се различават само на части с около 1500-та част), така че и двете частици са еднакво важни при определяне на масата на дейтрона и неговия размер. Сега да предположим, че ядрената сила издърпва протон към неутрон точно като електромагнитните сили (това не е така, но си представете за момент); и след това, по аналогия с водорода, очакваме размерът на дейтрона да бъде обратно пропорционален на масата на протона или неутрона и обратно пропорционален на величината на ядрената сила. Ако нейната величина е била същата (на определено разстояние) като тази на електромагнитна сила, то това би означавало, че тъй като протонът е около 1850 пъти по-тежък от електрон, тогава дейтрона (и всъщност всяко ядро) трябва да бъде поне хиляда пъти по-малък. от водород.

Какво обяснява значителната разлика между ядрените и електромагнитните сили

Но ние вече се досещаме, че ядрената сила е много по-електромагнитна (на същото разстояние), защото, ако не е така, тя не би могла да предотврати електромагнитното отблъскване между протоните до разпадането на ядрото. Така протонът и неутронът под действието му се сближават още по-тясно. И затова не е изненадващо, че дейтроните и другите ядра не са само хиляда, а сто хиляди пъти по-малки от атомите! Отново, това е само защото

• протоните и неутроните са почти 2000 пъти по-тежки от електроните,
• при тези разстояния голяма ядрена сила между протоните и неутроните в ядрото е много пъти по-голяма от съответните електромагнитни сили (включително електромагнитно отблъскване между протоните в ядрото).

Това наивно Предполагам дава за правилния отговор! Но това не отразява напълно сложността на взаимодействието между протона и неутрона. Един от очевидните проблеми е, че една сила, подобна на електромагнитна, но с по-голяма дръпна или отблъскваща способност, очевидно трябва да се прояви във всекидневния живот, но ние не наблюдаваме нищо подобно. Така че нещо в тази сила трябва да е различно от електрическите сили.

Ядрена енергия от къси разстояния

Това, което ги отличава е, че ядрените сили, които поддържат атомното ядро ​​от разпад, са много важни и големи за протоните и неутроните, които са на много кратко разстояние една от друга, но на определено разстояние (т.нар. "Обхват на силата"), те падат. много бързо, много по-бързо от електромагнитното. Оказва се, че обхватът може да бъде и размер на умерено голямо ядро, само няколко пъти по-голямо от протон. Ако поставите протон и неутрон на разстояние, сравнимо с този обхват, те ще се привличат и образуват детонация; ако те се разбият на по-голямо разстояние, те едва ли ще почувстват каквато и да е привлекателност. Всъщност, ако те са поставени твърде близо един до друг, така че те започват да се припокриват, тогава те действително ще се отблъскват. Тук се проявява сложността на такова нещо като ядрените сили. Физиката продължава да се развива в посока на обяснение на механизма на тяхното действие.

Физически механизъм на ядрено взаимодействие

Всеки материален процес, включително взаимодействието между нуклоните, трябва да има същите носители на материал. Те са квантовете на ядрените полета (пиони), поради обмяната на които е налице привличане между нуклоните.

Според принципите на квантовата механика, пи-мезоните, които се появяват и веднага изчезват, се оформят около „голи” нуклони като облак, наричан мезонен слой (мисля за електронни облаци в атоми). Когато два нуклона, заобиколени от такива слоеве, са на разстояние от около 10 ^-15 m, пионите се обменят като валентни електрони в атомите, когато се образуват молекули, и между нуклеоните възниква привличане.

Ако разстоянията между нуклоните станат по-малко от 0.7-10 ^-15 m, тогава те започват да обменят нови частици - т.нар. ω и ρ-мезони, в резултат на което не се появява отблъскване между нуклоните, но привличане.

Ядрени сили: структурата на ядрото от най-простите до най-големите

Обобщавайки всичко по-горе, можем да отбележим:

• силното ядрено взаимодействие е много, много по-слабо от електромагнетизма на разстояния, много по-големи от размера на типично ядро, така че ние не го срещаме в ежедневието; но
• на къси разстояния, сравними с ядрото, става много по-силно - силата на привличане (при условие, че разстоянието не е твърде кратко) е в състояние да преодолее електрическото отблъскване между протоните.

Така, тази сила е важна само на разстояния, сравними с размера на ядрото. Фигурата по-долу показва оглед на зависимостта му от разстоянието между нуклоните.

Големите ядра се държат заедно с помощта на повече или по-малко същата сила, която държи дейтрона заедно, но детайлите на процеса са сложни, така че не е лесно да се опишат. Те също не са напълно разбрани. Въпреки че основните очертания на ядрената физика са добре проучени в продължение на десетилетия, много важни детайли все още се изследват активно.