Нуклеарне силе: својства. Између којих честица раде нуклеарне силе?

У физици, израз "сила" се односи на мерење интеракције материјалних формација са другим, укључујући интеракцију делова супстанце (макроскопских тела, елементарних честица) једних са другима и са физичким пољима (електромагнетним, гравитационим). Све у свему, постоје четири врсте интеракција у природи: јаке, слабе, електромагнетске и гравитационе, и свака има своју врсту силе. Први од њих одговара нуклеарним снагама које раде унутар атомских језгара.

Шта уједињује језгре?

Познато је да је језгро атома малено, његова величина је четири до пет децималних редова мањих од величине самог атома. У том смислу, намеће се очигледно питање: зашто је он тако мали? На крају крајева, атоми састављени од ситних честица су још много већи од честица које садрже.

Напротив, језгра се не разликују по величини од нуклеона (протона и неутрона) из којих су направљени. Да ли постоји разлог за то или је случајно?

У међувремену, познато је да електричне силе држе негативно набијене електроне у близини атомских језгара. Каква сила или силе држе језгрене честице заједно? Овај задатак обављају нуклеарне силе, које су мера јаких интеракција.

Јака нуклеарна интеракција

Ако су у природи постојале само гравитационе и електричне силе, тј. оне које сусрећемо у свакодневном животу, атомска језгра, која се често састоји од многих позитивно наелектрисаних протона, била би нестабилна: електричне силе које гурају протоне одвојено биле би много милиона пута јаче од било којих гравитационих сила које их привлаче пријатељу. Нуклеарне силе пружају привлачност још јачу од електричне одбојности, иако се само сенка њихове праве величине манифестује у структури језгра. Када проучавамо структуру самих протона и неутрона, видимо праве могућности феномена познатог као јака нуклеарна интеракција. Нуклеарне силе су њена манифестација.

Горе приказана слика показује да су две супротне силе у језгру електрично одбијање између позитивно наелектрисаних протона и јачине нуклеарне интеракције која привлачи протоне (и неутроне) заједно. Ако број протона и неутрона није превише различит, онда су друге силе супериорније од првог.

Протони су аналоги атома, а језгра су аналоги молекула?

Између којих честица раде нуклеарне силе? Пре свега, између нуклеона (протона и неутрона) у језгру. На крају, они такође делују између честица (кваркова, глуона, антикваркова) унутар протона или неутрона. То не изненађује када препознајемо да су протони и неутрони унутар комплекса.

У атому, мале језгре и још мањи електрони су релативно далеко један од другог у односу на њихову величину, а електричне силе које их држе у атому су прилично једноставне. Али у молекулима, удаљеност између атома је упоредива са величином атома, тако да унутрашња сложеност потоње долази у игру. Разноврсна и сложена ситуација узрокована дјеломичном компензацијом унутар-атомских електричних сила генерира процесе у којима електрони могу заправо ићи од једног атома до другог. Ово чини физику молекула много богатијом и сложенијом од оне атома. Слично томе, удаљеност између протона и неутрона у нуклеусу је упоредива са њиховом величином - а исто тако, као и код молекула, својства нуклеарних сила које држе језгре заједно су много сложеније од једноставне привлачности протона и неутрона.

Нема језгра без неутрона, осим у водонику

Познато је да су језгра неких хемијских елемената стабилна, док за друге континуирано пропадају, а опсег брзина овог пропадања је веома широк. Зашто онда силе које држе нуклеоне у језграма заустављају своје деловање? Да видимо шта можемо научити из једноставних разматрања о својствима нуклеарних сила.

Једна од њих је да сва језгра, са изузетком најчешћег изотопа водоника (који има само један протон), садржи неутроне; то јест, не постоји нуклеус са неколико протона који не садрже неутроне (види слику испод). Дакле, јасно је да неутрони играју важну улогу у помагању протона да се држе заједно.

На сл. Горе наведено показује стабилна или скоро стабилна језгра заједно са неутроном. Ово последње, као и трицијум, је приказано испрекиданом линијом, што указује да се они на крају распадају. Друге комбинације са малим бројем протона и неутрона уопште не формирају језгре или формирају изузетно нестабилна језгра. Такође су приказани курзивом алтернативна имена која се често дају неким од ових објеката; На пример, нуклеус хелијума-4 се често назива α-честица, име које је добило када је први пут откривено у првој студији радиоактивности 1890. године.

Неутрони као протонски сточари

Напротив, не постоји нуклеус направљен само од неутрона без протона; већина лаких језгара, као што су кисеоник и силициј, имају отприлике исти број неутрона и протона (слика 2). Велике језгре са великим масама, попут злата и радијума, имају нешто више неутрона него протони.

Пише две ствари:

1. Не само да су неутрони неопходни да се протони држе заједно, већ су и протони потребни да би се одржали и неутрони.

2. Ако број протона и неутрона постане веома велик, онда би електрично одбијање протона требало компензовати додавањем неколико додатних неутрона.

Последња изјава је приказана на слици испод.

Горња слика показује стабилне и скоро стабилне атомске језгре као функцију П (број протона) и Н (број неутрона). Линија приказана црним тачкама означава стабилне језгре. Свако померање од црне линије према горе или доле значи смањење животног века језгра - близу њега, животни век језгра је милионима година или више, пошто се плава, браон или жута подручја крећу према унутра (различите боје одговарају различитим механизмима нуклеарног распада) њихов животни век постаје краћи, до дељења секунде.

Треба приметити да стабилна језгра имају П и Н, који су приближно једнаки за мала П и Н, али Н постепено постаје више од П више од једног и по пута. Треба приметити да група стабилних и дуговјечних нестабилних језгара остаје у прилично уском појасу за све вриједности од П до 82. Код већег броја њих, позната језгра су у принципу нестабилна (мада могу постојати милијуни година). Очигледно, горе поменути механизам за стабилизацију протона у језграма додавањем неутрона на њих у овом региону нема стопостотну ефикасност.

Како величина атома зависи од масе његових електрона.

Како те силе утичу структура атомског језгра? Нуклеарне снаге првенствено утичу на његову величину. Зашто је језгро толико мало у односу на атоме? Да сазнамо, почнимо са најједноставнијим нуклеусом, који има и протон и неутрон: он је други најчешћи изотоп водоника, чији атом садржи један електрон (као и сви изотопи водоника) и нуклеус из једног протона и једног неутрона. Овај изотоп се често назива "деутеријум", а његово језгро (види слику 2) се понекад назива "деутерон". Како можемо објаснити шта држи деутерон заједно? Па, можете замислити да није толико различит од атома обичног водика, који такође садржи две честице (протон и електрон).

На сл. изнад је показано да су у атому водоника језгра и електрон веома удаљени један од другог, у смислу да је атом много већи од нуклеуса (а електрон је још мањи). Али у деутерону је растојање између протона и неутрона упоредиво са њиховом величином. Ово делимично објашњава зашто су нуклеарне силе много сложеније од сила у атому.

Познато је да електрони имају малу масу у односу на протоне и неутроне. Из тога следи

• маса атома је суштински близу масе њеног језгра,
• величина атома (у суштини величина електронског облака) обрнуто је пропорционална маси електрона и обрнуто пропорционална укупној електромагнетној сили; Принцип несигурности квантне механике игра кључну улогу.

И ако су нуклеарне силе сличне електромагнетним

Шта је са Деутероном? Она се, као и атом, састоји од два објекта, али су скоро исти. масе (масе) Неутрони и протони разликују се само делом за око 1500 делова), тако да су обе честице једнако важне у одређивању масе деутерона и његове величине. Претпоставимо сада да нуклеарна сила вуче протон према неутрону баш као електромагнетске силе (ово није сасвим случај, али замислите на тренутак); и онда, по аналогији са водоником, очекујемо да ће величина деутерона бити обрнуто пропорционална маси протона или неутрона и обрнуто пропорционална величини нуклеарне силе. Ако је његова магнитуда иста (на одређеном растојању) као електромагнетска сила, онда би то значило да пошто је протон око 1850 пута тежи од електрона, тада деутерон (и заиста било које језгро) мора бити најмање хиљаду пута мањи. него водоник.

Шта објашњава значајну разлику између нуклеарних и електромагнетних сила

Али већ смо претпоставили да је нуклеарна сила много више електромагнетна (на истој удаљености), јер ако није тако, не би била у стању да спречи електромагнетско одбијање између протона до распада језгра. Тако се протон и неутрон под његовом акцијом још ближе зближавају. И стога не чуди да деутерон и друга језгра нису само хиљаду, већ сто хиљада пута мања од атома! Опет, то је само зато

• протони и неутрони су скоро 2000 пута тежи од електрона,
• на овим удаљеностима, велика нуклеарна сила између протона и неутрона у језгру је много пута већа од одговарајућих електромагнетских сила (укључујући електромагнетно одбијање између протона у језгру.)

Ово наивно погодак даје тачан одговор! Али то не одражава у потпуности сложеност интеракције између протона и неутрона. Један од очигледних проблема је да би сила слична електромагнетној, али са већом вучом или одбојном способношћу, очигледно требало да се манифестује у свакодневном животу, али ми не посматрамо ништа слично. Дакле, нешто у овој моћи мора бити различито од електричних сила.

Нуклеарна енергија кратког домета

Оно што их разликује је то да су нуклеарне силе које држе атомско језгро из пропадања веома важне и велике за протоне и неутроне који су на врло краткој удаљености један од другог, али на одређеној удаљености (такозвани "распон" силе), падају веома брзо, много брже од електромагнетног. Испада да опсег може бити и величине умерено великог језгра, само неколико пута веће од протона. Ако поставите протон и неутрон на раздаљину која је упоредива са овим опсегом, они ће привући један другог и формирати детон; ако су разбијене на већу удаљеност, тешко да ће уопће осјетити привлачност. У ствари, ако су постављени сувише близу један другом, тако да почињу да се преклапају, онда ће се они заправо одбити. Ту се испољава сложеност такве ствари као што су нуклеарне силе. Физика наставља да се развија у правцу објашњавања механизма њиховог деловања.

Физички механизам нуклеарне интеракције

Сваки материјални процес, укључујући интеракцију између нуклеона, треба да има исте носаче материјала. Они су кванта - ниони поља нуклеарне електране (пиони), због чије размене постоји привлачност између нуклеона.

Према принципима квантне механике, пи-мезони, који се појављују и одмах нестају, формирају се око "голог" нуклеона нешто попут облака, названог мезонска длака (мислим на електронске облаке у атомима). Када су два нуклона, окружена таквим слојевима, на удаљености од око 10 ^-15 м, пиони се размјењују као валентни електрони у атомима када се формирају молекули, а долази до привлачења између нуклеона.

Ако удаљености између нуклеона постану мање од 0,7-10 ^-15 м, тада почињу да размењују нове честице - тзв. ω и ρ-мезони, због којих се не јавља одбијање између нуклеона, већ привлачност.

Нуклеарне силе: структура нуклеуса од најједноставнијих до највећих

Сумирајући све горе наведено, можемо напоменути:

• јака нуклеарна интеракција је много, много слабија од електромагнетизма на удаљеностима које су много веће од величине типичног језгра, тако да се не сусрећемо у свакодневном животу; али
• на кратким растојањима, упоредивим са нуклеусом, она постаје много јача - сила привлачења (под условом да удаљеност није превише кратка) може превазићи електрично одбијање између протона.

Дакле, ова сила је важна само на растојањима која су успоредива с величином језгре. Слика испод приказује поглед на његову зависност од удаљености између нуклеона.

Велике језгре се држе заједно уз помоћ мање или више исте силе која држи деутерон заједно, али детаљи процеса су компликовани, тако да их није лако описати. Они такође нису у потпуности схваћени. Иако су основне контуре нуклеарне физике добро проучаване деценијама, многи важни детаљи се још увијек активно истражују.