Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен г/в Поэтому согласно квантовым законам сложения моментов квантовое число спина ядра» будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер» не превышают нескольких единиц.
Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных' ) ядер (т. е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю. Результирующий момент ядра М» складывается с моа~ентом электронной оболочки М» в полный момент импульса атома Мв, который определяется квантовым числом Г. С механическими моментами связаны магнитныемоменты. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому что состояния атома соответствующие различным взаимным ориентациям Мг и М» (т.
е. различным Е), имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов )гь и рв обусловливается тонкая структура спектров (см. $72). Взаимодействием ргг и р» определяется евер хтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может наблюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы. ф 88. Масса и энергия связи ядра Масса ядра лгя всегда меньше суммы масс входящих в него частиц '). Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.
Энергия связи Е, равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ') ядра с нечетными у и гу называются нечетно-нечетными, ядра, у которых одно аз чисел, а и М четное, а другое нечетное, называются четио-нечетными. т) Имеются в виду лгассы покоя. 438 ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом.
Таким образом, энергия ядра меньше энергии системы невзаимодействующих нуклонов на величину, равную Еч . Согласно закону взаимосвязи массы и энергии (см. (42.9)) уменьшение энергии тела на 6 /4 Юв 20 47 60 60 200 120 140 160 160200220 А Рас 219. ЛЕ должно сопровождаться эквивалентным уменыпением массы тела на Лт. = ЛЕ/са. Следовательно, энергия связи нуклонов в ядре равна: Е„= ст((Ут + (Л вЂ” л) т„) — т„). (88.1) Это соотношение практически не нарушится, если заменить массу протона гпр массой атома водорода пн, а массу ядра т„— массой атома т,.
Действительно, если пренебречь сравнительно ничтожной энергией свяан электронов с ядрами, указанная замена будет означать добавление к уменьшаемому н вычитаемому выражения, стоящего в фигурных скобках, одинаковой величины, равной Хт,. Итак, выражению (88.1) можно придать вид: Е„= ст([7ш -1- (А — 7) лт„] — т ). (33.х) Последнее соотношение удобнее, чем (88.1), потому что в таблицах даются обычно не массы ядер, а массы атомов. Найдем энергию связи нуклонов в ядре зНе', в состав которого входят два протона (У = 2) и два нейтрона (А — 2 = 2). Касса атома зНе' равна 4,00260 а. е.
и.„ чему соответствует 3728,0 Мээ. Касса атома водорода тН' равна 1,00815 а. е. м. (938,7 Мэв; ср. с (87.1)1 Касса нейтрона равна значению (87.4). Подставляя эти величины в формулу (88.2), получим Е„= (2 938,7+ 2 ° 939,5] — 3728,0 = 28,4 Мэв. В расчете на один нуклон энергия связи ядра гелия составляет 7,1 Мэв '). Для сравнения укажем, что энергия связи валентных электронов в атомах имеет величину в 1ба раз меньшую (порядка 10 эв).
Для других ядер удельная энергия связи, т. е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон (Е (А), имеет примерно такую же величину, как у гелия. На рис. 249 изображен график, показываюший зависимость Е 7А от массового числа А. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50--60 (т, е. для элементов от Сг до Еп).
Энергия связи для этих ядер достигает 8,7 Мэв/иуклон. С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается; для самого тяжелого природного элемента — урана она составляет 7,5 Мэв!иуклон. Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса: 1) деление тянселых ядер на несколько более легких ядер и 2) слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.
Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, например, деление одного ядра с массовым числом А = 240 (удельная энергия связи равна 7,5 Мэв) на два ядра с массовыми чнсламн А =120 (удельная энергия связи равна 8,5 Мэв) привело бы к высвобождению энергии в 240 Мэв. Слияние '1 Для характеристики связи нуклонов в ядре пользуются также величивюаи. называемыми дефектом и асс и упаковочным коэффициентом.
хтефектом масс б называется разность метину численным значением массы атома, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом: 0=те — А. Уиаковочным козффицнентом 1 называют отношение дефекта масс к массовому числу: б А' Для аНе' имеем: б = 0,00200, 1 = 0,00060. двух ядер тяжелого водорода ~!Р в ядро гелия зНе' привело бы к выделению энергии, равной — 24 Мэв. Для сравнения укажем, что при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода (сгорание угля до СОз) выделяется энергии, равная — 5 эв. В связи с тем, что ядра с Л вЂ” 50 — 60 являются энергетически наиболее выгодными, возникает вопрос: почему ядра с иными значениями А оказываются стабильными? Ответ заключается в следующем. Для того чтобы разделиться иа несколько частей, тяжелое ядро должно пройти через ряд промежуточных состояний, энергия которых превышает энергию основного состояния ядра.
Следовательно, для процесса деления ядру требуется дополнительная энергия (энергня активации), которая затем возвращается обратно, приплюсовываясь к энергии, выделяющейся при делении за счет изменения энергии связи. В обычных условиях ядру неоткуда взять энергию активации, вследствие чего тяжелые ядра не претерпевают спонтанного деления. Энергия активации может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтронов лежит в основе действия ядерных реакторов и обычной атомной бомбы.
Что касается легких ядер, то для слияния их в одно ядро они должны подойти друг к другу на весьма близкое расстояние (-!О-м см). Такому сближению ядер препятствует кулоиовское отталкивание между ними. Для того чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны двигаться с огромными скоростями, соответствующими температурам порядка нескольких сот миллионов градусов.
По этой причине процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией, Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. В земных условиях пока были осуществлены неуправляемые термоядерные реакции при взрывах водородных бомб. ф Вй. Природа ядерных сил Огромная энергия связи нуклоиов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие косит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на рас- стояниях 1О ~ см друг от друга, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами.
Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил. 1. Ядерные силы являются короткодействующими— при расстояниях между нуклонами, превышающих примерно 2 1О м см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 1 1О 'з см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.
2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие мегкду двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине. Это свойство называется. з а р ядовой нез а виси и остью ядерных сил. 3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтон, только в том случае, когда нх спины параллельны друг другу.
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Это свойство вытекает из того факта, что энергия связи, приходящаяся на один нуклон, примерно одинакова для всех ядер, начиная с,Не'. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов 1см, формулу (ВУ.О11. По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов.
Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рассмотрим прежде, как выглядит кулоновское взаимодействие с точки зрения квантовой электродинамики. Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле. Мы знаем, что это поле может быть представлено как совокупность квантов энергии — фотонов. Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая ча- 442 стица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испушенных первой частипей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально.
Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а в и рт у а л ь н ы м и. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обиаругкены за время их существования. В этом смысле виртуальные частицы можно назвать воображаемыми. Чтобы лучше понять смысл термина свиртуальный», рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружаюшем пространстве поля можно представить уравнением: (89. 1) е — е +йт». Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покояшегося электрона. Следовательно, преврашение, описываемое уравнением (89.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
