Вихман Э. Квантовая физика (1185110), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Если бы этого не было, то они распались бы еще в ранней стадии истории Земли и ие существовали бы в настоящее время. Ядра, образующиеся в ядерных реакциях, могут иметь весьма короткие времена жизни — порядка малых долей секунды, Если время жизни очень мало, мы часто говорим з) Аз!он й. 1Г. !зо1орез апг! А!оппе иге!8Ы3.— !Ча!пте, !920, ч.
108з р. 617! см. также: Асбтон гР. Масс-спектры и изотопы.— Мл ИЛ, !948. о ооэбржденноач сосэюянна ядра, особенно в том случае, когда оно испускает у-излучение и, следовательно, А и Л ядра остаются неизменными. В настоящее время известно около 900 ядер„ из них 280 стабильных. Если мы изобразим эти ядра точками на плоскости (А, Л), 47 .-и уг !Гб =АЭЛОатбнПУ рис. Зэд. стабнльнь|е и почтя стабильные ядра. Показаг ы азнсстные ядра, период голураспа. да Т которых больше Блбы лет. Эта значение Т несколько произвольно и взято потому, что оно приблизительно в десять раз болыпе опенки времени существования Солнечной снсгемм.
Таки» образам, включенные в диаграмму ядра являются долгоживущими даже в геологическом масштабе времени. По оси абсннсс диаграммы (раздютснной для удобства на две части) отложено число протонов й, а по оси ординат — число нейтронов А — К Очевидно, что вен ядра группируются в пределах довольна узкой полосы. Для легких ядер число нейтрояов при. близнтельно равна числу протонов, но с увеличением А рост А — й опережает рост Х. Наиболее важным выводом из этой диаграммы является зависимость стабильности адар от того, будут ли числа А — З н й четными нлв нечетными. Эта зависимють имеет следующий харак.
тер: четно-четные ядра наиболее стабкльны, четко-нечетные (и нечетко-четные) ядра менее стабильны, а нечетна-нечетные ядра наименее стабильны. Проверьте зту зависимость, тща. тельно изучив диагремму. Вы обнаружите на ней всего несколько нечетко-нечетных ядер. Прм некоторых значениях А — й и й стабильные ядра вообще отсутствуют. Этим «пробелам» всегда соответствуют нечетные значения А — й и Л 76 то, в соответствии со сказанным выше, точки расположатся вдоль широкой полосы (рис. 35Л). Чем далыпе ядро отстоит от центральной области агой полосы, тем более оио нестабильно.
36. Эксперименты показали, что ядро в первом приближении можно считать сфгрой, радиус которой г-г„Л'~, где г,ж1,2 !О-" см 1,2 ферми (Зба) (единица Рд " с» часто используется в ядерной физике в качестве единицы дтпны; она названа ферми в чгсгь Энрико Ферми). Объем ядра поозорцио ~атгн г', а следовательно !см. формулу (Зба)), числу Л. Отсюда мы делаем заключгниг. ".: и ъпносгь ядерного вгцесгва приблизительно постоянна.
Мзогочпслгпныг эксперпмепгальныг методы позволили определигь паз игры ядра. Накоплен прямой из них ззключзегся в измерении эффгхпшной поверхности поперечного сечения. которую образугг ядро для пучка часпщ высокои энергии в опытах по рассея ни:о.
37. Попыга»1ся дать характеристику тех главных свойсгв ядерных си и которые удер:кивают прогоны и нейтроны в пределах ядра. Эксперименты показали следующее. 1) "Ядерные силы невозможно свести к силам элгкгро»агнптной природы. Они гораздо больше электромагнитных сил. 2) Радиус действия ядерных сил мал. Он не превыщагг! О '-' с», Поэго»у их назыаа;ог коротходгйстауюи(и,ии силами. 3) Ядерные силы между двумя прогонами и двумя нейгронами равны.
Кроме того, ядерные силы, действующие мекду двумя прото ~амя, пмеог ту же природу, что и силы, действующие между протоном и пгйтроиом. Можно было 'бы 'сказать, что оин просто равны.:ю это утверждение требует пояснений. Экспериментальные доказательства трех перечисленных утвео'кцгний следуют из о,ыгов по рассеянию'нуклонов, а также из систематического изучения энергетических уровней стабильных и радиоактивных ядер. Так, короткодействующий характер ядерных сил можно подтвердить следующим образом. Направим на ядра полученный иа ускорителе пучок протонов большой энергии и будем изучать их рассеяние. Когда 'протоны находятся далеко от ядра (иа расстоянии 10 " — 10 " см), единственной силой, действующей на них, является кулоиовское отталкивание.
Это отталкивание не дает прогонам приблизиться к зоне действия ядерных сил, если только энергия протонов не очень велика. Поэтому, если утверждение о малом радиусе действия ядерных сил справедливо, то протоны (или другие заряженные частицы, например и-частицы в опыте Резерфорда) не слишком большой энергии будут рассеиваться так, как 'если бы 'кулоновское отталкивание было единственной 'испытываемой ими силой.
Таким образом, второе утверждение можно проверить с помощью опытов по рассеянию. Эти опыты подтверждают короткодействующий характер ядерных сил. Ув Поскольку протоны заряжены, то на них могут действовать также электромагнитные силы, а два протона в ядре, несомненно, испытывают кулоновское отталкивание. На расстояниях, много ббльших 10 " см, остаются практически одни лишь электромагнитные силы, а на малых расстояниях преобладают ядерные силы.
Электромагнитные силы играют некоторую роль в строении ядра, но роль эта второстепенная. К сказанному необходимо добавить, что электроны совершенно «е «епьгп«леаюгп действия ядерных сил. На них действуют лшиь электромагнитные силы. 38. Рассмотрим некоторые следствия из короткодействующего характера ядерных сил. Согласно современным представлениям о характере этих сил, эффективный потенциал взаимодействия между двумя нуклонами для расстояний г, ббльших 10 " см, можно представить функппей ") и (.)=С-,ехр ~ — ). ь г ь). (38а) ° ) В гл.
9 мы даанк теоретнческаа ооъясненае такой форне потенциала У(г) 7а Константа Ь задает порядок радиуса действия сил; се значение Ь=1,4 10 '" см. Константа С определяет значсние силы. Природа сил на расстояниях, меньших 1О '" см, оказываешься более слон:пой. Ее нельзя выразить потенциалом (38а). Следует иметь в виду, что функция ~l(г) не дает точноео описания взаимодействия между двумя нуклонамп.
Она передает, однако, наиболее существенное свойство этого взаимодействия, а именно экепоненг(«аль«ое падение по«ге«пиала с расстоянием. Посмотрим, что означает такое падение. На расстоянии г=Ь мы имеем У(Ь)=С~е. (Эта величина порядка 10 МэВ.) Когда расстояние увеличивается до г=10Ь=!,4 10 га см, потенциал принимает значение У(10Ь)=0,1Сехр( — 10)жб 10 'С, а на расстоянии г=100Ь=1,4 1О " см потенциал равен (l (100 Ь) = 0,01 С схр ( — 100) ж 10- пС. Этот численный пример показывает, что ядерными силами можно практически полностью пренебречь, если расстояние между нуклонами превосходит 10 '" см. Читателю следует тщательно обдумать выражение (38а).
На первый взгляд этот потенциал напоминает кулоновский, однако, как видно из нашего примера, экспоненциальный множитель коренным образом-меняет ситуацию. Благодаря такому свойству ядерных сил они не играют практически никакой роли в молекулах и твердых телах. Здесь все явления почти полностью определяются электромагнитными силами. На малых расстояниях (г 10 " см) ядерныесилызначительно превосходят электромагнитные и роль последних становится второстепенной. Справедливость этого утверждения непосредственно следует из самого факта существования ядер. Электростатические силы отталкивания стремятся растолкать протоны в ядре, тогда как=ядерные силы действуют в противоположном направлении. Ядро существует, и, следовательно, ядерные силы преобладают.
39. Энергия связи ядер имеет порядок 8 МэВ на нуклон, поэтому можно ожидать, что различные превращения ядер требуют энергии порядка 1 МэВ. Действительно, энергии различных частиц и 7- квантов, испускаемых ядрами, лежат в пределах примерно от 100 кэВ до 10 МэВ. Эти величины на 5 — 7 порядков отличаются от энергий, характерных для химических реакций, и это объясняет нам, почему химические процессы не затрагивают ядер, С точки зрения химии и атомной физики ядро представляет собой очень малую, жесткую, тяжелую н неделимую заряженную сферу. При рассмотрении атома мы показали, что длина волны оптического у-кванта велика по сравнению с размерами атома. Аналогичная ситуация существует и в ядерной физике.
Рассмотрим 7-квант с энергией ! МэВ. Эта величина типична для ядерных переходов. Соответствующая длина волны (1=1,2 10 " ем= = — 1200 ферми) 'велика по сравнению с размерами ядер. Гравитационные и электромагнитные силы 40. Теперь мы объясним, почему, рассматривая атомы, молекулы и ядра, можно пренебречь гравитационными силами. Для отношения гравитационной и электромагнитной сил, действующих между двумя протонами, мы имеем следующее выражение: Л1~~П1(-2 !Ц~6 — 8,1 10 " (40а) где 0=6,6720.10 ' дин см'!г' — гравитационная постоянная.
Это отношение чрезвычайно мало, и при наличии электромагнитного взаимодействия силами гравитации можно полностью пренебречь. Они имеют значение только в том случае, если остальные известные нам взаимодействия не играют роли. Примером может служить гравитационное взаимодействие между двумя (большими) электрически нейтральными телами, расстояние между которыми велико по сравнению с характерными атомными размерамн. Общая теория относительности Эйнштейна является чисто геометрической теорией гравитации. Это великолепная теория, обладающая внутренней согласованностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
