Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004) (1076130), страница 61
Текст из файла (страница 61)
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 центрифуга 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 купы диффундируют через перегородку быстрее тяжелых.
Такой процесс многократно повторяется. Диффузионный метод использовался, в частности, на первых заводах по обогащению урана изотопом з20. Для получения нужнои концентрации этого изотопа 235 газообразное соединение 11ра 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 Нз выделяется на катоде в 5 — б раз быстрее, чем тяжелый В2. В результате в электролитической 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 020 отличаются от свойств обычной воды Н20. Прежде всего, плотность Р20 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 э20в 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 на 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 Е, называются изобарами. К изобарам относятся, например, ядра аргона фАг и кальция зоСа. Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотонов ~ 6С, 7Х). /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. енкель 19 9 о ассма ива- я как за яженная капля некото ой несжимаемой " е ной' жидкости. П и возбуждении ядра капля начинает п иодически изменять свою форму, сове шая некото ые к б ия. В оболочечной мо елн а М. Гение -Майер, Х. Йенсен, 1949) нуклоны а ассма иваются как независимые частицы с 1 полуцелым спином з = —, движущиеся в некотором усредненном 2 центральном поле ядерных сил. Как и в квантовой модели ат ма в олочечнои модели ядра оны после о заполняют дискретные энергетические уровни.
П и этом близкие по эн гиям уровни груп тся в оболочки. П ехо ~ онов на нижние эн гетические уровни сопровождаются ис сканием -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 при 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 н 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 глюке, 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 ~й ха а е .
Это означает, что я~~~ ные силы ме н онами возникают за счет обмена ме ну- клонами некото ыми частицами, кото ые и являются п носчи- каму е ного о " 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 явля ется 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, Юкава назвал мезонами. Отметим, что мезонная теория ядерных сил является существенно квантовой теорией, так как в классической теории покоящийся нуклон не может испусппь мезон, оставаясь при этом нуклоном.
В таком процессе нарушался бы закон сохранения энергии. Квантовая теория своеобразным образом снимает этот запрет на рождение мезона, так как в квантовой теории справедливо соотношение неопределенности для энергии системы (см. формулу (2.21)). Из этого фундаментаяьного соотношения квантовой теории следует, что в течение некоторого конечного промежутка в мену т система может иметь неопределенность эн гии ЬЕ, вчем т ЛЕ = Й. Таким образом, вследствие неопределенности энергии нуклон может испустить мезон с ненулевой массой покоя т„, если ЛЕ=т с . Части ы о ение к г ч неопеленности эн гни кв ы пазы тся ви ш аль- у~~~Вр~у иу б ру время ее существования, которое не может быть больше чем т = = ЫЬЕ.
Так как по истечении этого времени виртуальная частица должна исчезнуть, то обнаружить нарушение закона сохранения эцергни 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. Итак, нуклон может испустить виртуальный мезон, который существует без нарушения закона сохранения энергии лишь в течение конечного промежутка времени.
Этот промежуток времени не может быть больше чем По истечении такого промежутка времени виртуальный мезон должен исчезнуть. Его может поглотить либо иуклон, сам испустивший его, либо другой нуклон, находящийся поблизости от первого. В последнем случае поглощение виртуального мезона приведет к появлению ядерных сил взаимодействия между нуклонами. Образно можно представить, что любой нуклон как бы окружен облаком (шубой) виртуальных мезонов, которые безостановочно испускаются и поглощаются нуклоиом, удаляясь от него лишь на конечное расстояние. Это расстояние, определяющее радиус г„облака виртуальных мезонов, можно оценить, учитывая, что скорость движения мезонов не может быть больше скорости света в вакууме.
Поэтому й 6 г — ст — с — — — — Л . м з м' т„с ~лмс (7.3) Здесь Лм — комптоновская длина волны мезона. Как только другой нуклон попадает в облако виртуальных мезонов вокруг первого иуклона и начинает поглощать их, между нуклонами возникают ядерные силы взаимодействия. Поэтому ядерные силы имеют конечный радиус действия, причем Ь г Л и„с (7.4) 410 Так теория Юкавы объясняет короткодействующий характер ядерных сил. Из формулы (7.4) следует, что радиус действия ядерных сил определяется значением массы мезоиа.
Поэтому, подставив в зто соотношение значение г„= (1 — 2)Ф, можно оценить массу мезона. Оказывается, что переносчик ядерного взаимодействия между нуклонами должен иметь массу в 200 — 300 раз ббльшую массы электрона. В 1935 г. среди известных элементарных частиц частицы такой массы не было. Начался экспериментальный поиск частицы Юкавы. В 1936 г. в космических лучах была обнаружена частица с массой, равной 207 т,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
