Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 98
Текст из файла (страница 98)
задачу 1 63) Введение 393 к 3 26), а этого, конечно, мало для суждения о силах, действующих между протоном и нейтроном. Положение осложняется тем, что силы взаимодействия нуклонов зависят не только от расстояния мехсду н ми, но и от их скоростей, а также от ориентации сванов. 6. Если бы даже силы взаимодействия между нуклонами были полностью известны, то в теории ядра надо было бы еще решить кван"говомехани вескую задачу многих тел. Она много сложнее аналогичной классической задачи, с которой не может справиться современная математика (даже в случае трех взаимодействующих тел).
Например, если ядро состоит из А нуклонов, то в пренебрежении их спинами его состояние определяется волновой функцией ф(ты гм.,., гл), зависящей от ЗА пространственных координат. Эза функция должна быть определена из уравнения Шредингера с ЗА независимыми переменными. Учет спинов нуклонов невообразимо усложняет эту задачу. С учетом спинов состояние ядра определяется волновой функцией гр(вы вг,, вл, гг, гш..., гл ), зависящей не только от пространственных координат, но и от спиновых переменных (т.
е. от квантовых чисел, определяющих проекции спина на выделенное направление), каждая из которых может принимать два значения: — 1/2 и +1/2. Ее нахождение эквиввленгно определению 2л функций галька от ЗА пространственных координат. Например, при А = 100 число таких функций равно 2'ее = 1,27.10ве, Ясно, что решение такой задачи абсолютно непосильно даже для самых мощных вычислительных машин. В теории атома для преодоления аналогичной трудности разработаны превосходные приближенные методы -- метод Хартри (1897-1958) и еще более точный метод Фока (1898 — 1974). Они используют то обстоятельство, что атом практически пуст — расстояния между электронами атомной оболочки, а также между последними и ядром атома очень велики по сравнению с размерами этих частиц.
В случае ядер такой возможности нет, так как расстояния между нуклонами ядра того же порядка, что и размеры самих нуклонов. Поэтому указанные методы в случае ядра неприменимы. Число нуклонов в ядре (за исключением только протона и дейтрона — ядер атомов водорода и дейтерия) всегда больше двух. Поэтому ядро следует рассматривать как систему многих частиц. Если бы число частиц в системе было очень велико, то надежное и даже единственно возможное описание ее состояния давал бы статистический метод. Но это условие совсем нс выполняется для легких ядер. Для них статистический метод неприменим. Им можно пользоваться для средних и в особенности для тяжелых ядер.
Но и здесь применимость статистического метода ограничена, так как число нуклонов даже в тяжелых ядрах все же недостаточно велико. 7. Сказанное делает понятным, почему мы не располагаем последовательной законченной теорией ядра, которая бы единым образом объясняла все его свойства. Вместо такой теории в ядерной физике используются различные модели ядра, каждая из которых охватывает (Гл. Ч!!1 Статические свойства атомного ядра лишь ограниченный круг явлений ') . Ядерные модели не дают истинной теории явлений, но позволяют систематизировать явления из различных областей ядерной физики, а главное предсказывать новые.
В этом и заключается их польза. Достойно удивления, что на этом пути достигнуто так много в понимании известных из опыта ядерных явлений и предсказании новых. 8. Атомные ядра условно принято делить на стабильные и радиоактивныс. Условность такого деления состоит в том, что в сущности все ядра подвергаются радиоактивному распаду, но с различной скоростью. Стабильными называют ядра, распадающиеся достаточно медленно.
А понятие медленности зависит от конкретно поставленной задачи. Обычно ядра принято считать стабильными, если со времени образования видимой части Вселенной (порядка 10ш лет), т.е. со времени образования химических элементов, распалась ничтожная часть их. Ядра, распадающиеся более быстро, считаются радиоактивными. Физические величины, характеризующие свойства атомных ядер, можно разделить на статические и динамические. Статические характеристики относятся к определенному, обычно невозбужденному состоянию ядра; динамические проявляются при возбуждениях и распадах ядра и в ядерных реакциях. Статические характеристики обычно называют свойствами стабильных ядер.
Изменение терминологии, которому мы следуем, предложено Ю.М. Широковым и П.П. Юдиным в их известном учебнике «Ядерная физика» (Мс Наука, 1980). Оно оправдано тем, что между стабильными и радиоактивными ядрами, как уже указывалось выше, нет резкой границы.
Статические же свойства присущи но только стабильным, но и радиоактивным ядрам и даже ядрам в возбужденных состояниях. Важнейшими статическими характеристиками ядра являются: зарядовое число (атомный номер) Я, масса ядра М, энергия связи б«„, спин 1, магнитный момент р, электрический квадрупольный момент гН, радиус Л и несферичность ядра Ой/Л., четность Р волновой функции «р, изотопический спин Т, спектр возбужденных сосгояний. Радиоактивные ядра дополнительно характеризуются гипом радиоактивного превращения (о- или ~3-распад, спонтанное деление и пр.), временем жизни т (или периодом полураспада Тг~г), энергией испускаемых частиц и т. и. 9.
В настоящее время в природе известны четыре вида фундаментальных взаимодействий: сил'ьпос, электрол«аг««инн«ос, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще также большинству элементарных частиц, так называемых адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и др.). К электромагнитным взаимодействиям сводятся непосредственно воспринимаемые нами силы природы (за исключением тяготения); упругие, вязкие, молекулярные, химические и пр.
Слабые взаимодействия вызывают ) Краткое описание некоторых моделей ядра дано в гл. Х. 1 ОЗ) Введение 395 В-распад радиоактивных ядер (см. 9 74) и наряду с электромагнитными силами управляют поведением лептанав — элементарных частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях и обладающих спинам 1/2 (электрон, мюон, нейтрино и др.). Нейтральные лептоны (все нейтрино и антинейтрино) не участвуют и в элекгромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам. Об интенсивности перечисленных взаимодействий можно судить по скорости процессов, вызываемых имн.
Обычно для сравнения берут скорости процессов при кинетических энергиях: сталкивающихся частиц около 1 ГэВ; такие энергии характерны для физики элементарных частиц. Прн таких энергиях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за времена порядка 10 эв с, электромагнитными -- за времена порядка 10эв с, слабыми — за времена порядка 10" с. Другой величиной, характеризующей интенсивность взаимодействия, является длина свободного пробега частицы в веществе. Сильновзаимодействующие частицы при энергии около 1 ГэВ можно задержать железной плитой толщиной в несколько десятков сантиметров. Нейтрино же с энергией 10 МэВ (такова энергия антннейтрино, образующихся в ядерных реакторах), которым свойственно только слабое взаимодействие, для своего задержания потребовали бы слоя железа толщиной не менее 10 км.
Сильные и слабые взаимодействия проявляются только на коротких расстояниях. 1задиус действии сильных взаимодействий составляет примерно !0 ш см (1 ферми), а слабых — 2. 10 'ь см (0,002 ферми). Электромагнитные силы, напротив, являются дальнадействующими: они убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. По тому же закону убывают с расстоянием и гравитационные силы. Поэтому отношение электромагнитных и гравитационных сил не зависит от расстояния между взаимодействующими частицами. При одном н том же расстоянии оно равно г",/г;р — — е1еэ7(Сгп1тэ), где С гравитационная постоянная, т1 и тэ — массы частиц, е1 и еэ -- их электрические заряды.
Для взаимодействия двух протонов эта формула дает Р'„„~Г„= 1,23 10зь. Таким образом, в области, где проявляются слабые силы, гравитационное взаимодействие частиц на много порядков меньше даже слабого. Поэтому в физике микромира при современном ее состоянии гравитационное взаимодействие не учитывается. Но в макромире при рассмогренни движения болыних масс: галактик, звезд, планет н пр., а также при рассмотрении движения небольших макроскопических тел в поле таких масс гравитационное взаимодействие становится определяющим.
Особенно существенную, пожалуй, главную роль оно играет в процессах образования и эволюции звезд (см. гл. ХЧ). Обусловлено это двумя обстоятельствами: во-первых, дальнодействующим характером гравитационных сил, во-вторых, положительностью масс всех тел. В силу второго обстоятельства гранитационные силы всегда являются силами притяжения. При увеличении масс взаимодействующих тел гравитационное взаимодействие между ними усиливается и притом Статические свойства атомного ядра (Гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
