Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 60
Текст из файла (страница 60)
В настоящее время известно около 1500 различных ядер с У от 1 до 115 и с А от 1 до 271. Примерно одна пятая часть этих ядер устойчивы, остальные, испытывая радиоактивный распад, превращаются в другие ядра. Многие ядра, в частности ядра с У от 93 до 115, были получены искусственным путем посредством ядерных реакций. Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов. При этом средняя плотность числа нуклонов в ядре, т. е.
число нуклонов в единице объема ядра, практически одинакова для всех ядер с А > 10. В этом ае объем ядра пропорционален числу вуююнов А и эффективный размер (радиус) большинства ядер довольно точно определяется формулой Здесь Ф вЂ” ферми — название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной одному фемтометру (1 фм = 10 ~~ м), Ядра с одинаковыми зарядовыми числами 2, но с разными массовыми числами А называются изояолами.
У таких ядер одинаковое число протонов. Атомы изотопов имеют одинаковое строение электронных оболочек. Такие атомы отличаются лишь размерами и массами ядер и не различимы по химическим свойствам. Большинство химических элементов имеет по нескольку изотопов. Так, например, водород имеет три изотопа: обычный водород Н вЂ” протий, ядро которого ~Н представляет собой протон (р); тяжелый водород 17 — дейтерий, ядро которого ~ Н вЂ” дейтрон (И)— состоит из протона и нейтрона; сверхтюкелый водород Т вЂ” тритий, ядро которого ~ Н вЂ” тритон (г) — содержит один протон и два ней~ро~а.
Природный уран та~~с содержит три изотопа э211, э2() н эз(), а у олова число изотопов досппяет десяти. Выделение отдельных изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами является важной технической проблемой. Ее значение возросло с появлением ядерной энергетики. Существует множество методов разделения изотопов, в которых используется разница масс и размеров ядер: центрифугирование, диффузионные методы, злектролиз, электромагнитные методы и др. Так, в центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжелые атомы изотопов за счет центробежных сил скапливаются на периферии, а легкие — в центральной области вблизи оси вращения.
Газообразное соединение разделяемого элемента во внешней и внутренней областях центрифуги прокачивается в противоположных направлениях. Объединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимую степень обогащения. Такой способ пригоден для разделения изотопов как легких, так и тяжелых элементов. Диффузионный метод основан на прокачивании 'при достаточно низком давлении (0,1 Па) газообразного соединения разделяемого элемента через систему пористых перегородок.
Легкие моле- 405 кулы диффундируют через перегородку быстрее тяжелых. Такой процесс многократно повторяется. Диффузионный метод использовался, в частности, на первых заводах по обогащению урана изотопом 92Г Для получения нужной концентрации этого изотопа 235 газообразное соединение $3Р6 подвергалось обогащению повторно около 4000 раз. При электролизе воды или водных растворов электролитов выделяющийся на катоде водород содержит меньше дейтерия, чем исходная вода. Оказалось, что легкий водород Н2 выделяется на катоде в 5 — 6 раз быстрее, чем тяжелый Р2.
В результате в злектролитической ванне растет доля тяжелой воды Р20. Такой метод разделения изотопов применялся в промышленных масштабах для получения тяжелой воды в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Свойства тяжелой воды Р20 отличаются от свойств обычной воды Н20. Прежде всего, плотность 1320 примерно на 11 % превосходит плотность Н20. Точка замерзания Р20 приблизительно на 3,8 К, а точка кипения на 1,4 К выше, чем у обычной воды. В электромагнитном методе разделения изотопов ионный пучок, содержащий различные изотопы некоторого элемента, которые нужно разделить, попадает в вакуумную камеру с поперечным магнитным полем.
Под действием магнитного поля ионы движутся по окружностям, радиусы которых зависят от масс ионов. Несмотря на высокую степень разделения изотопов, такой метод имеет достаточно низкую производительность при высоких эксплуатационных затратах. Впервые этот метод использовался в США (1943 — 1945) для получения изотопа урана 02Пв количестве нескольких килограммов. Перспективным для создания промышленных установок по разделению изотопов является метод лазерного разделения изотопов. В этом методе используется влияние массы ядра и его магнитного момента на оптический спектр поглощения атома.
В результате интенсивного монохроматического излучения лазера удается осуществлять избирательное резонансное воздействие только иа выбранные атомы изотопа, приводя их в возбужденное состояние вплоть до ионизации. После этого становится возможным от- деление возбужденных атомов илн молекул различными физическими или химическими методами.
При ионизации атомов такое отделение можно осуществить с помощью электрического поля. Отметим также, что атомные ядра с одинаковым числом нуклонов, но с разным числом протонов, т. е. ядра, имеющие одинаковые массовые числа А, но различные зарядовые числа У, называются изобарами. К изобарам относятся, например, ядра аргона 1аАг и кальция ЗОСа. Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотопов ~ 6С, 719).
/13 14 В теории атомного ядра используются различные модельные представления о структуре ядер. Наиболее известными являются капельная и оболочечная модели ядра. В капельной модели Я.И. Ф енкель 1 39 о ассма ива- ется как за яженная капля некото ой несжимаемой " е ной жидкости.
П и возбуждении ядра капля начинает периодически изменять свою форму, сове шая некото ые к лебания. В оболочечной мо ели а М. Г пп -Майер, Х. Йенсен, 1949) нуклоны а ассма нваются как независимые частицы с 1 полуцелым олином к = —, движущиеся в некотором усредненном 2 центральном поле ядерных снл. Как н в квантовой модели ато а в заполняют олочечнои модели ядра оны после дискретные энергетические уровни. При этом близкие по энергиям уровни групп тся в оболочки.
П ехо ~ онов на нижние энергетические уровни сопровождаются нс ока нем -и ' Как и л ые модели, ядерные модели, являются ограниченными рабочими гипотезами. Ни одна из моделей не может исчерпывающе описать свойства атомного ядра. При этом в каждой модели имеются параметры, значения которых подбираются из сравнения выводов теории с экспериментальными данными. Тем не менее ядерные модели оказываются весьма полезными прн расчетах различных характеристик ядер.
Ядерные силы. Между протонами и нейтронами действуют ядерные силы, обеспечивающие связанное состояние нуклонов в ядре. Перечислим основные свойства ядерных сил, которые были обнаружены и сформулированы на основании анализа большого числа экспериментальных данных.
407 1. Ядерные силы, действующие между нуклонами в ядре, велики по абсолютной величине. Они являются проявлением самого интенсивного в природе взаимодействия — сильного взаимодействия. Эти силы в сотни и тысячи раз интенсивнее электромагнитных сил. Поэтому ядерные силы удерживают нуклоны в ядре, несмотря на мощное кулоновское отталкивание между протонами. 2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются как мощные силы притяжения только в том случае, если расстояние между центрами нуклонов меньше некоторого радиуса действия ядерных сил г = 1,5 Ф.
На больших расстояниях ядерные силы не проявляются. Следует отметить также, что на расстояниях, существенно меньших г„, ядерные силы меняют свой характер и становятся силами отталкивания. 3. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости. Опыт показывает, что ядерные силы, действующие между двумя протонами, между протоном и нейтроном и двумя нейтронами не зависят от электрических зарядов взаимодействующих нуклонов. 4. Ядерные силы не являются центральными силами.
В классическом понимании это означает, что ядерные силы направлены под некоторым углом к прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов, а их значения зависят не только от расстояния между нуклонами, но и, например, от взаимной ориентации спинов нуклонов. 5. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Насыщение этих сил проявляется в том, что в сферу силового действия одного нуклона может попасть лишь ограниченное число соседних нуклонов в ядре, а не все нуклоны ядра. Перечисленные свойства свидетельствуют о сложном характере ядерных сил. Для объяснения природы таких сил еще в 1934 г. советский физик И.Е.
Тамм высказал предположение о том, что е ные силы носят об ый ха е . Это означает, что ж~~ ные силы м онами возникают за счет обмена ме ну- клонами некого ыми частицами, кото ые и являются пе еносчи- ками е ного мо е" т Квантовая теория показывает, что обмен частицами всегда приводит к появлению сил взаимодействия между двумя объектами. В частности, квантовая теория электромагнитного поля объяснила электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами обменом фотонами.
Можно сказать, что фундаментальным квантовым свойством в природе является обменный характер сил взаимодействий. 408 развивая эту гипотезу, в 1935 г. японский ученый, лауреат Нобелевской премии по физике (1949) Х. Юкава показал, что некоторые основные свойства ядерных сил можно описать в рамках мезонной теории. Мезонная тео ия объясняет появление яд ных сил между нуклонами о меном частицами с ненулевой массой покоя.
акие частицы, которые ис скаются и поглощаются онами, иметь неопределенность эн гии ЬЕ, вчем т ЛЕ = л. Таким образом, вследствие неопределенности энергии нуклон может испустить мезон с ненулевой массой покоя тм, если ЛЕ=е„с . Части ы о ение г ч неоне еленности эн гни кв называются ви т аль- ~ щ~~,Вр*~ у цу б ру время ее существования, которое не может быть больше чем т = = ИЛЕ. Так как по истечении этого времени виртуальная частица должна исчезнуть, то обнаружить нарушение закона сохранения энергии при испускании такой частицы нельзя. Однако это не означает, что виртуальная частица является чисто воображаемым объектом. Если квантовой системе с виртуальной частицей сообщить дополнительно энергию, равную или ббльшую энергии виртуальной частицы, то она может быть экспериментально обнаружена как обычная реальная частица.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
