Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Z (Z+1)+е^-. (3.1.2.7)

Але виявилося, що енергії електронів, які вилітають, у цьому процесі не мають дискретного значення. У більшості випадків енергії явно не вистачало в порівнянні з тією, яку вони повинні були теоретично мати. Створювалося враження, що енергія кудись зникає, начебто порушувався закон збереження енергії. Труднощі були настільки значними, що деякі великі фізики пропонували навіть відмовитися від цього фундаментального закону.

Удаване незбереження енергії, однак, мало досить дивний характер. Дійсно, якщо енергія не зберігається в процесі бета-розпаду, то ми повинні були б очікувати, що іноді енергії електронів буде не вистачати, а іноді з'явиться "зайва". Однак виявилося, що "зайвої" енергії не буває.

Таким чином, не природне прагнення зберегти непорушними закони фізики, а факти, яким у науці завжди належить останнє слово, змусили встати на захист закону збереження енергії. Але як?

"Винахідник" нейтрино міркував так. Удаване незбереження енергії обумовлене просто тим, що вищенаведена схема неправильно описує процес бета-розпаду. У цьому процесі повинна брати участь ще одна, не виявлена дослідним шляхом нейтральна (а тому практично невловима) частинка, яка несе "зниклу" енергію. Вона і була названа нейтрино ( ). Таким чином, схема бета-розпаду виглядала так:

Z (Z+1)+е^-+ , (3.1.2.8)

де е^- - електрон; - антинейтрино.

І хоча для всіх частинок, які виділяються в цьому процесі, сумарна енергія має точно визначену величину, вона розподіляється між продуктами розпаду так, що в різних випадках електрон одержує різні її порції. Сам фундаментальний процес бета-розпаду - розпад нейтрона буде тому описаний схемою

n p+е^-+ . (3.1.2.9)

Всередині атомних ядер протон також може перетворюватися в нейтрон з випромінюванням позитивного електрона (або позитрона) і нейтрино:

p n + е⁺ + , (3.1.2.10)

де е⁺ - позитрон, позитивно заряджений електрон; - нейтрино.

Отже, нейтрино - це частинка, яка при бета-розпаді несе частину енергії. Так припускали фізики-теоретики, що із самого початку вважали її як "невловиму" частинку. І відразу ж були передбачені властивості нової частинки: вона повинна бути електрично- нейтральною, мати високу проникну здатність і бути надзвичайно малою за масою. Інакше експериментаторам було б неважко знайти її, а це виявилося зовсім не просто. Остання властивість - вкрай мала маса - відповідно до теорії відносності приводить до того, що нейтрино не може знаходитися в стані спокою: воно завжди рухається зі швидкістю світла.

Після того як гіпотеза про існування нейтрино була сформульована, фізики спробували знайти й інші докази його присутності в бета-розпаді. Як відомо, при перетвореннях частинок, як і при будь-яких фізичних процесах, що відбуваються в будь-якій системі, зберігається не тільки енергія, але і кількість руху або імпульс.

Якщо нейтрон, який дає бета-розпад, нерухомий, то його імпульс дорівнює нулю. Виходить, і сумарний імпульс усіх частинок - продуктів розпаду - також повинен бути рівним нулю. Але в численних дослідах, перший з яких ще в 1934 р. поставив радянський фізик О. Лейпунський, було показано, що сумарний імпульс електрона й ядра віддачі (Z+1) при бета-розпаді ядра Z не дорівнює нулю. Це підтверджує гіпотезу про нейтрино: невловима частинка несе "зниклий" імпульс.

Схема бета - розпаду нейтрона й протона

Як з'ясувалося після відкриття інших елементарних частинок, особливо мезонів, нейтрино бере участь не тільки в бета-розпаді ядер, але й в інших процесах. Його присутність виявляється завжди, коли енергія начебто зникає. До речі, у деяких з цих процесів, де число частинок, що утворюються, дорівнює двом, а не трьом, як у процесі бета-розпаду, характер "незбереження енергії" більш ніж підозрілий і вимагає існування нейтрино ще ясніше, ніж у випадку бета-розпаду.

Наприклад, при розпаді так званого піона (або пі-мезона) завжди "зникає" певна енергія, близько 30 МеВ. У процесі захоплення мюона (або мю-мезона) ядром гелію-3

µ^- + ³He ³H + , (3.1.2.11)

виявленому в Об'єднаному інституті ядерних досліджень у Дубні, "зникає" близько 100 МеВ (енергія нейтрино), а ядра віддачі тритію ³H мають енергію, завжди точно рівну 1,9 МеВ. Якби ці процеси були відомі раніше, ніж бета-розпад, не було б необхідності в генії Паулі для "відкриття" нейтрино.

Нейтрино й антинейтрино відрізняються одне від одного тим, що мають різний напрямок "спіральності", причому нейтрино нагадує гвинт із лівим різьбленням, а антинейтрино - із правим.

3. Енергія зв’язку нуклонів у ядрі. Дефект маси. Ядерні сили і їх природа. Мезони

1. Внутрішню енергію ядра можна розрахувати за формулою

(3.1.3.1)

де - сумарна енергія спокою всіх нуклонів у ядрі; - маса довільного нуклона; с² – квадрат швидкості світла; - сумарна кінетична енергія внутрішнього ядерного руху нуклонів; Е_n – потенціальна енергія взаємодії нуклонів.

Внутрішню енергію ядра також можна розрахувати за формулою:

(3.1.3.2)

де - маса спокою ядра; с – швидкість світла.

Праві сторони рівностей (3.1.13) і (3.1.14) прирівняємо

звідки

(3.1.3.3)

В лівій стороні рівності (3.1.3.3) сумарну кінетичну енергію внутрішньоядерного руху нуклонів у ядрі в сумі з потенціальною енергією їх взаємодії називають повною енергією зв’язку, взятою із протилежним знаком. Тому

(3.1.3.4)

Повна енергія зв’язку ядра визначається роботою, яку треба виконати, щоб розділити ядро на окремі нуклони без надання їм кінетичної енергії.

Якщо масу нуклонів у ядрі і масу ядра виразити в а.о.м., то повна енергія зв’язку ядра буде виражатись в МеВ згідно з рівністю

(3.1.3.5)

де - сумарна маса спокою всіх нуклонів; - маса ядра спокою; 913.48 МеВ – величина, еквівалентна енергії а.о.м.

З урахуванням числа протонів Z у ядрі і числа нейтронів A-Z вираз (3.1.3.5) перепишеться

(3.1.3.6)

де m_p – маса протона; m_n – маса нейтрона; M_e – маса ядра.

Втрачаючи енергію на зв’язок нуклонів у ядрі, втрачається також маса. Ядро в зібраному стані завжди має масу меншу за сумарну масу нуклонів, з яких це ядро складається. Тому різницю мас в цьому випадку прийнято називати дефектом маси.

Дефект маси довільного ядра знаходиться за формулою

. (3.1.3.7)

Надзвичайно великі значення енергії зв’язку атомних ядер свідчать про існування надзвичайно великих ядерних сил взаємодії між нуклонами.

Важливим є той факт, що енергія зв’язку, розрахована на один нуклон у будь-якому ядрі, приблизно однакова і складає біля Е₀8 МеВ.

, (3.1.3.8)

де А – число нуклонів у ядрі.

Залежність енергії зв’язку, розрахованої на один нуклон, в залежності від масового числа атома А стабільних ізотопів відображена на графіку (рис.3.5)

Рис. 3.5

Зменшення енергії зв’язку на один нуклон (питома енергія зв’язку) в ядрах атомів, які розташовані в кінці періодичної системи, вказує на те, що при поділі важкого ядра на два легших ядра виділятиметься енергія і такий процес може бути самочинним. Це дає змогу використати такі елементи для промислового виділення ядерної енергії, наприклад у ядерних реакторах.

Аналогічно можна звільняти достатньо велику енергію при синтезі з легких ядер більш важких. Цю енергію прийнято називати термоядерною.

Те, що при поділі важких ядер і синтезі з легких ядер більш важких звільняється значна енергія, вказує на значне притягання нуклонів у ядрі, тобто на існування ядерних сил.

Розрахунки показують, що ядерні сили майже у 137 разів перевищують сили кулонівського виштовхування і взаємодії магнітних моментів нуклонів. Це новий тип взаємодій, який істотно відмінний від інших видів взаємодії, серед яких можна назвати гравітаційні та електромагнітні.

Розглянемо основні характерні властивості ядерних сил. Ядерні взаємодії між двома протонами (р-р), двома нейтронами (n-n), протоном і нейтроном (p-n) однакові. Це говорить про те, що ядерні сили не залежать від електричного заряду. Протони й нейтрони мають однаковий ядерний заряд і відносяться до одного типу ядерних частинок – нуклонів. Властивість зарядової незалежності ядерних сил пояснює стійкість ядра дейтерію, яке складається лише з протона і нейтрона.

Ядерні сили мають властивість насичення. Кожний із нуклонів ядра вступає в ядерну взаємодію лише з обмеженим числом інших нуклонів. Такий висновок можна зробити з величини питомої енергії зв’язку нуклонів у ядрі, яка майже не залежить від числа нуклонів. Повна енергія зв’язку нуклонів у ядрі в цьому випадку пропорційна масовому числу А, а не А², у випадку відсутності насичення ядерних сил.

Ядерні сили належать до короткодіючих. Радіус їх дії не перевищує 2.0^.10^-15м. Дослідження взаємодій - частинок з ядрами легких елементів показали, що від відстані 2.0^.10^-15м. діють ядерні сили притягання, а на відстанях менших за 0.7^.10^-15м сили притягання між нуклонами змінюються на досить сильне відштовхування, інакше густина ядерної речовини не була б однаковою для будь-яких ядер.

Ядерні сили не є центральними, оскільки залежать не лише від відстані між нуклонами, а й від взаємної орієнтації їх спінів.

Ядерні взаємодії дістали назву сильних взаємодій. Для сильних взаємодій питома енергія зв’язку нуклонів у ядрі складає від 7 до 8.7 МеВ.

Відомо, що будь-який вид взаємодій зводиться до обміну квантами. Так, квантами електромагнітних взаємодій є фотони; гравітаційних взаємодій – гравітони. У ядерних взаємодіях теж повинні існувати кванти ядерного поля.

У 1935 році японський фізик Юкава висунув сміливу гіпотезу про те, що в природі існують частинки з масою в 200300 разів більшою від маси електрона і що саме через них здійснюється взаємодія нуклонів. Носіями ядерних сил виявились  – мезони, відкриті в космічному випромінюванні у 1947 році. Було встановлено, що існують позитивні ⁺ - мезони й негативні ^- - мезони, маса яких 273 m_e, та нейтральні ⁰- мезони, з масою 264 m_е. Згідно з мезонною теорією нуклони в ядрі постійно обмінюються відповідними мезонами. Цей процес відбувається через кожні 4^.10^-24с. Мезони при цьому рухаються з швидкістю, близькою до швидкості світла.

Характеристики

Список файлов реферата