Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 130
Текст из файла (страница 130)
Это означает, что энергетически выгодны следующие процессы: 1) деление тяжелых ядер на более легкие; 2) слияние легких ядер друг с другом в более тяжелые. При обоих процессах выделяется огромное количество энергии; эти процессы в настоящее время осуществлены практически (реакции деления и термоядерные реакции). $ 253. Спин ядра и его магнитный момент Использование приборов высокой разрешающей способности и специальных источников возбуждения спектра позволило обнаружить сверхтонкую структуру спектральных линий. Ее существование В. Паули объяснил (1924) наличием у атомных ядер собственного момента импульса (спина) и магнитного момента. Собственный момент импульса ядра— спин ядра — складывается из спинов нуклонов и из орбитальных моментов импульса нуклонов (моментов импульса, обуслов.
ленных движением нуклонов внутри ядра). Обе эти величины являются векторами, поэтому спин ядра представляет их векторную сумму. Спин ядра квангуется по закону где ! — спиновое ядерное квантовое число (его часто называют просто спинам ядра), которое принимает целые илн полуцелые 1 3 значения О, —, 1, —, .... Ядра с четными э( ' 2' ' 2'"'' имеют целые С с нечетными — полуцелые й Атомное ядро кроме спина обладает магнитным моментом р „. Магнитный момент ядра связан со спинам ядра (см, аналогичное выражение (131.5) для электрона): р„,э=яр!.р, где др — коэффициент пропорциональности, называемый ядерным гнромагнитным отношением. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон р„=ай/(2т,) =-5,0508 ° 1О " Дж/Тл, (253.1) где тр — масса протона (ср. эту формулу с магнетоном Бора ($131)).
Ядерный магнетон в т /т,ж!836 раз меньше магнетона Бора, поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов. В случае эффекта Зеемана (см. 4223) при помещении атома в магнитное поле наблюдается расщепление энергетических уровней и спектральных линий (тонкая структура), обусловленное спин-орбиталь- 4!О 7. Элементы физики втоняого ядра и элементарных чясткц ным взаимодействием электронов.
Во внешнем магнитном поле также наблюдается расщепление уровней энергии атома на близко расположенные подуровни (саерхтонкая структура), обусловленное взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем электронов в атоме. Магнитные моменты ядер могут, таким образом, определяться спектроскопиче. схим методом по сверхтонкой структуре спектральных ливий. Однако магнитные моменты ядер примерно на три порядиа меньше магнитных моментов электронов (см.(253.!) и ($ 131)), поэтому расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, значительно меньше расщепления за счет взаимодействия между сливовым и орбитальным моментами электрона (тонкая структура). Таким образом, из-за малости эффекта, даже при использовании спектральных приборов очень большой разрешающей способности, точность этого метода невелика.
Поэтому были разработаны более точные (не оптические) методы определения магнитных моментов ядер, одним из которых является метод ндерного магнитного резонанса. Явление ядерного магнитного резонанса заключается в следующем; если на вещество, находншееся в сильном постоянном магнитном поле, действовать слабым переменным радиочастотным магнитным полем, то при частотах, соответствующих частотам переходов между ядерными подуровнями, возникает резкий (резонансный) максимум поглощенна. Ядерныя магнитный резонанс обусловлен происходящими под влиянием переменного магнитного поля квантовыми переходами между ядерными подуровнями.
Точность метода задается точностью измерения напряженности постоянного магнитного поля и резонансной частоты, так как по их значениям вычисляются магнитные моменты ядер. Так как для измерения этих величин применяются прецизионные методы, то р„, можно определять с высокой точностью (до шести знаков). Метод ядерного магнитного резонанса позволяет наблюдать ядерный резонанс на ядрах, обладающих магнитным моментом порядка 0,1р.. Количество вещества, необходимое для измерений, должно составлять 10 ' — 1О г (в зависимости от значе.
ния р .]. Измерение значений магнитных моментов ядер часто сводится к сравнению резонансных частот исследуемых ядер с резонансной частотой протонов, что позволяет освободиться от точной калибровки магнитного поля, которая является довольно трудоемкой. 2 254. Ядерные силы. Модели ядра Между составляющими ядро нуклонамн действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами.
Они называются ядерными снламн. С помощью экспериментальных данных (рассеяние нуклонов на ядрах, ядерные превращения и т д.) доказано, что ядерные силы намного превышают грани. тационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий. 11еречислим основные свойства ядерных сил: !) ядерные силы являются силами нриглдкения; 2) ядерные силы являются коротко- действующими — их действие проявляется только на расстояниях примерно 10 ' ' м. При увеличении расстояния между нуклонам и ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии; 3] ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине.
Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу; 4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия Г л а з а 32. ылемен|ы физики атомного хара связи нуклонов в ядре (еслн не учитывать легкие ядра) прн увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной; 5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спиноз взаимодействующих нуклонов.
Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа ',Н) только при условии параллельной ориентации их спинов; 6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов, Сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел) не позволили до настоящего времени разработать единую последовательную теорию атомного ядра.
Поэтому на данной стадии прибегают к рассмотрению приближенных ядерных моделей, в которых ядро заменяется некоторой модельной системой, довольно хорошо описывающей только определенные свойства ядра и допускающей более илн менее простую математическую трактовку. Из большого числа моделей, каждая из которых обязательно использует подобранные произвольные параметры, согласующиеся с экспериментом, рассмотрим две: капельную н оболочечную. !. Капельная модель ядра (1936; Н. Бор и Я.
И. Френкель). Капельная модель ядра является первой моделью. Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами — молекулами в жидкости и нуклонами в ядре,— являются коротко.
действующими и им свойственно насыщение. Для капли жидкости при данных внешних условиях характерна постоянная плотность ее вещества. Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией свнзи и постоянной плотностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре. Наконец, объем капли, так же как и объем ядра (см. (251.1) ), пропорциона- лен числу частиц. Существенное отличие ядра от капли жидкости в этой модели заключается в том, что она трактует ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной), подчиняющуюся законам квантовой механики, Капельная модель ядра позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила ,еханнзм ядерных реакций и особенно реакции деления ядер. Однако эта модель не смогла, например, объяснить повышенную устойчивость вдер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.
2. Оболочечная модель ядра (1949— 1950; американский физик М. ГеппертМайер (1906 †19) и немецкий физик Х. Иенсен (1907 в 1973)). Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют (см. $252).
Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины н магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания легких н средних ядер, а также для ядер, находящихся в основном (невозбужденнам) состоянии, По мере дальнейшего накопления экспериментальных данных о свойствах атомных ядер появлялись все новые факты, не укладывающиеся в рамки описанных моделей.
Так возникли обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и т. д. й 255. Радиоактивное излучение и его виды Французский физик А, Беккерель (1852— 1908) в 1896 г. при изучении люмннесцен- 2 «ч4пты 44нзики атомного ядра и элгмен гарных част4п4 ции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное нспускаиис нми излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывала люминесценцню рида веществ.
Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри — Мария (!8б7 — (934) и Пьер — обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, иак торий и актиний. Они показали также, что урановаи смоляная обманка (руда, из иоторой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность излучения урана. Таким образом удалось выделить два новых элемента — носителя беккерелевского излучения: полоний б,Ро .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
