Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Диффузионный метод основан на прокачивании 'при достаточно низком давлении (0,1 Па) газообразного соединения разделяемого элемента через систему пористых перегородок. Легкие моле- 405 кулы диффундируют через перегородку быстрее тяжелых. Такой процесс многократно повторяется. Диффузионный метод использовался, в частности, на первых заводах по обогащению урана изотопом о20. Для получения нужной концентрации этого изотопа 235 газообразное соединение 1)ре 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 Н2 выделяется на катоде в 5 — 6 раз быстрее, чем тяжелый О2. В результате в электролитической ванне растет доля тяжелой воды О20. Такой метод разделения изотопов применялся в промышленных масштабах для получения тяжелой воды в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Свойства тяжелой воды О20 отличаются от свойств обычной воды Н20. Прежде всего, плотность Р20 примерно на 11 % превосходит плотность Н20. Точка замерзания 020 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 9~20 в 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 или 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 У, называются изобарами. К изобарам относятся, например, ядра аргона фАг и кальция зоСа. Ядра с одинаковым числом нейтронов носят название изотолов ~ ЬС, 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 1 39 ется как за яженная капля некото ой несжимаемой " ной" жидкости. Прн возбуждении ядра капля начинает периодически изменять свою форму, сове шая некото ые к лебания.
В оболочечной мо ели а М. Г пп -Майер, Х. Йенсен, 1949) нуклоны а ассма иваются как независимые частицы с 1 полуцелым сливом з = —, движущиеся в некотором усредненном 2 центральном поле ядерных сил. Как и в квантовой модели ато а в заполняют олочечнои модели ядра оны после дискретные энергетические уровни.
При этом близкие по энергиям уровни п тся в оболочки. П еходы онов на нижние эн гетические уровни сопровождаются ис ока ием ' 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 и 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 отгалкивание 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 также, 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 ный ха акте . Это означает, что клер ные силы межд онами возникают за счет обмена ме ну- клонами нек то ыми частицами, кото ые и являются пе еносчи- ками яде ного о е . 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 является 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 снл между нуклонами о меном частицами с ненулевой массой покоя. акие частицы, которые ис скаются и поглощаются рвами, иметь неопределенность энергии ЬЕ, вчем т ЛЕ = Й. Таким образом, вследствие неопределенности энергии нуклон может испустить мезон с ненулевой массой покоя и„, если ЛЕ=т„с . Части о ение к 2 ч неоне еленности эне гии кв называются ~ш и аль- Вру у щу и 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 энергии при испускании такой частицы нельзя. Однако это не означает, что виртуальная частица является чисто воображаемым объектом.
Если квантовой системе с виртуальной частицей сообшить 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 Ь 2' т„с (7.2) 409 Юкава назвал мезоиами. 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 фундаментального соотношения квантовой теории следует, что в течение некоторого конечного промежутка в мену т система может По истечении такого промежутка времени виртуальный мезон должен исчезнуть. Его может поглотить либо нуклон, 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 нуклоном, удаляясь от него лишь на конечное расстояние.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
