Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 52
Текст из файла (страница 52)
0 роли слабых взоимодеиствий в окрулеоюигем мире 267 мы наблюдаем. В глобальном историческом аспекте, т.е. с учетом космологического прошлого Вселенной, последствия отсутствия слабого взаимодействия, безусловно, стали бы значительно более драматическими. Привлекая для анализа Стандартную космологическую модель, опирающуюся на концепцию Большого взрыва (гл. 10), легко предсказать такие последствия. Прежле всего, не зажглись и не светили бы звезды, поскольку «стартовыми» ядерными реакциями в звездах являются реакции, идущие по слабому взаимодействию. Без звезд не образовалось бы все богатство окружающих нас химических элементов с Я вплоть до 92 (уран) и мир не возник бы в том виде, в котором мы его наблюдаем. Однако, по-видимому, куда более важным является то, что с исчезновением слабого взаимодействия уже на самом раннем этапе существования Вселенной исчезли бы сопутствующие ему нарушения С- и СР-инвариантности, что привело бы к равенству числа частиц и античастиц любого типа.
Вследствие этого в горячем и остывающем котле ранней Вселенной частицы и античастицы неизбежно бы»сгорели», практически полностью проаннигиллировав, и мир превратился бы в море остывающих фотонов. Глава 6 Атомные ядра — связанные системы нуклонов ф 1. Атомные ядра Единственным стабильным адроном является протон. Его время жизни > 1Озз лет, что неизмеримо превосходит время жизни Вселенной (! 4 млрд лет).
Среди нестабильных адронов своей аномальной «долгоживучестью» выделяется нейтрон (т 900 с). Неудивительно, что именно эти два бариона стали «строительным материалом» следующей по масштабам после адронов микроструктуры материи — атомного ядра. Конечно, сразу возникает вопрос о том, что за силы объединяют протоны и нейтроны в компактные и устойчивые атомные ядра.
Во-первых, это очень мощные силы притяжения, создаваемые взаимодействием между кварками, яходящими в состав нуклонов. Эти силы настолько велики, что способны удержать на расстояниях -10 'з см порялка сотни испытывающих кулоновское оггалкивание протонов. Во-вторых, это короткодействующие силы. Их радиус - 10 'з см. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех химических элементов. Число протонов в ядре определяет атомный номер химического элемента.
Характеристики протона, нейтрона и электрона сведены в табл. б.!. При описании атомных ядер используют обозначения: число протонов Я, число нейтронов Ю, массовое число илн число нуклонов А = к + 2». Ядра с одинаковым л называют изолюиами, а с одинаковым А — изобарами. Конкретное ядро (луклид) чаще всего обозначают "о, где Я вЂ” химический символ элемента, или просто (А, Я). Например, изотоп алюминия, состоящий из 27 нуклонов, из которых 13 протонов, обозначают мА!.
Нейтрон в свободном состояния испытывает !з -распал: (б.1) п- р+е +р« за время 900 с и поэтому, на первый взгляд, факт существования атомных ядер выглядит загадочным явлением. Существование стабильных ялер обусловлено тем, что протоны и нейтроны в ядре оказываются связанными.
Это значит, что суммарная масса нуклонов, из которых состоит ядро, превышает массу ядра. Разность этих двух масс, помноженная на сз, 269 $!. Атомные ядра 2!!блица бд Характеристики протона, нейтрона и электрона : Характеристика Нейтран Энект ран 77ра тон : Масса тсз, МэВ 938,272 939,565 0,511 Электрический заряд (в едини- цах элементарного заряда) , Спин (в единицах Ь) 1/2 1/2 1/2 ' Четность +! Ферми — Дирака Статистика Магнитный момент (дхя нукяо- нов — в ядерных магнетонах, лля электрона — в магнетоиах Бора) — 1,91 +2,79 +1,001 > 10" яет 885,7 т 0,8 с > 4,6 ° 1Ои лет Время жизни ц-ир+е +р, Тиц распада (6.3) При распаде нейтрона выделится энергия (гп„— тр — те)сз = 0,78 МэВ. Из всей разности энергий покоя нейтрона и протона (т„— тр)сз = 1,29 МэВ около 0,51 МэВ идет на создание массы электрона (массу электронною антинейтрино можно считать нулевой) и вместо нейтрона появляется протон.
Однако у двух протонов отсутствует .связанное состояние, Поэтому создание двух протонов из дейтрона, или по-другому, перестройка дейтрона в два протона, требует 2,22 МзВ энергии. Между тем при распаде называется энергией связи ядра В': Вг = [Ятр + ззгт„— М(А, Я)[с, (6.2) где тр, т„и ле(А, У) — массы протона, нейтрона и ядра (А, У). Для того чтобы разделить ядро на протоны и нейтроны, нужно как минимум затратить энергию Йг. Выясним, например, почему оказывается запрещенным распад нейтрона в простейшем ядре зН, которое обычно называютдейтроном и часто обозначают д. Дейтрон представляет собой связанное состояние протона и нейтрона с энергией связи, равной 2,22 МзВ. Это значит, что для разделения дейтрона на составляющие его протон и нейтрон необходимо сообщить дейтрону энергию 2,22 МэВ.
После разделения на протон и нейтрон последний испытает )5 -распад по схеме (6.1). Полная цепочка распада дейтрона будет выглядеть так 270 Отава 6. Ато.иные ядра — связанные системы нуклонов нейтрона выделяется лишь 0,78 МэВ. Отсюда следует, что распад нейтрона в дейтроне запрещен законом сохранения энергии. Любознательный читатель спросит, а как же быть с возможностью несохранения энергии, допускаемой квантовой теорией? Разумеется, виртуальные распады нейтрона будут происходить, но получившиеся при распале протон, электрон и нейтрино должны практически мгновенно схлопнугься снова в нейтрон.
Этот результат можно обобщить и сделать общее утверждение о том, что если энергия перестройки больше, чем выделяющаяся при )3-распаде нейтрона энергия, то нейтрон в ядре будет стабильным. Таким образом, существование стабильных нейтронов в атомных ядрах обусловлено тем, что энергия перестройки ядер, соответствующая превращению нейтрона в протон, оказывается больше энергии, выделяющейся при !5-распаде нейтрона.
Существуют ли ограничения на количества протонов и нейтронов в ядрах? И, если да, то в какой области Я и Х расположены устойчивые и сравнительно лолгоживушие ядра! В природе существует и искусственно получено большое число атомных ядер. В настоящее время техника эксперимента позволяет наблюдать и исследовать ядра с Я вплоть до 112 — 118. Число нуклонов в таких ядрах 290. Всего известно около 3ООО атомных ядер. Среди необычных, искусственно полученных изотопов — такие как '~зНе, ьС, 'а~О и ~~О (здесь нижний индекс указывает число протонов Я).
Условно все известные ядра можно разделить на 2 группы: 1. Стабильные и долгоэеивуите ядра (всего их 285). Стабильных ядер 264. Лолгоживушими принято считать ядра с периодом полураспада 81?з > 5 10а лет, что обеспечивает ненулевое процентное содержание этих ядер в естественной смеси изотопов. 2. Радиоактивные ядра (их около 2700). Дня этой категории ядер 1~?г < 5 1О" лет. Общую ситуацию с известными атомными ядрами наиболее наглялно можно увидеть на ЖЯ-диаграмме атомных ядер (рис.6.1). Каждому ядру соответствует определенное положение на плоскости с осями Л' и а. Точками отмечены лишь стабильные и долгоживушие ядра, и совокупность этих точек образует узкую полосу, называемую линиеи или долиной стабильности.
Легкие стабильные ядра (А С 40) имеют приблизительно равные числа нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к числу протонов начинает возрастать и лостигает величины 1,6 в районе А = 250. Это изменение отношения 1У/У легко понять, если учесть короткодействуюший характер ядерных сил и возрастающую роль кулоновского отталкивания протонов с ростом А.
Тяжелые ядра оказываются энергетически более устойчивыми, если содержат большее число нейтронов гт' по сравнению с числом протонов Я. Наиболее тяжелыми стабильными ядрами являются изотопы свинца (Я = 82) и висмута 27! б 1. Атомные ядра а-радио»а«мание «ааа . »" г ва Рис. 6.1. 1ч л-диаграмма атомных ядер (2 = 83).
Для ядер долины стабильности характерно следующее отношение числа нейтронов к числу протонов: — ! +0,015 А зД Я Добавляя к ядрам, расположенным на линии стабильности, последовательно 1, 2, 3 и более нейтронов, будем получать их все более тяжелые изотопы. Смешаясь от дорожки стабильности вправо, окажемся в области радиоактивных ядер, перегруженных нейтронами. Их называют нейтроноизбыточными ядрами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
