Siły jądrowe: właściwości. Między jakie cząstki działają siły jądrowe?

W fizyce termin "siła" odnosi się do miary interakcji formacji materialnych ze sobą, w tym interakcji części substancji (ciał makroskopowych, cząstek elementarnych) ze sobą oraz z polami fizycznymi (elektromagnetycznymi, grawitacyjnymi). W sumie istnieją cztery rodzaje interakcji w przyrodzie: silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne, a każdy z nich ma swój własny rodzaj sił. Pierwsze z nich odpowiadają siłom jądrowym działającym w jądrach atomowych.

Co łączy rdzenie?

Powszechnie wiadomo, że jądro atomu jest małe, jego wielkość to cztery do pięciu rzędów dziesiętnych mniejsze niż rozmiar samego atomu. W związku z tym powstaje oczywiste pytanie: dlaczego jest tak mały? W końcu atomy złożone z maleńkich cząsteczek są nadal znacznie większe niż cząsteczki, które zawierają.

Przeciwnie, jądra nie różnią się zbytnio wielkością od nukleonów (protonów i neutronów), z których są zbudowane. Czy istnieje ku temu powód lub wypadek?

Tymczasem wiadomo, że to siły elektryczne utrzymują ujemnie naładowane elektrony w pobliżu jąder atomowych. Jaki rodzaj siły lub sił utrzymuje razem cząstki rdzenia? Zadanie to jest realizowane przez siły jądrowe, które są miarą silnych interakcji.

Silne oddziaływanie jądrowe

Gdyby w przyrodzie istniały tylko siły grawitacyjne i elektryczne, tj. te, które spotykamy w życiu codziennym, jądra atomowe, często składające się z wielu dodatnio naładowanych protonów, byłyby niestabilne: siły elektryczne wypychające protony byłyby wiele milionów razy silniejsze niż siły grawitacyjne przyciągające ich do do przyjaciela. Siły jądrowe zapewniają atrakcyjność nawet silniejszą od elektrycznego odpychania, chociaż tylko cień ich prawdziwej wielkości przejawia się w strukturze jądra. Kiedy badamy strukturę samych protonów i neutronów, widzimy prawdziwe możliwości zjawiska znanego jako silne oddziaływanie jądrowe. Siły jądrowe są jej przejawem.

Powyższy rysunek pokazuje, że dwie przeciwne siły w jądrze to odpychanie elektryczne między dodatnio naładowanymi protonami a siłą oddziaływania jądrowego, które przyciąga razem protony (i neutrony). Jeśli liczba protonów i neutronów nie jest zbyt różna, to drugie siły są lepsze od pierwszych.

Protony są analogami atomów, a jądra są analogami cząsteczek?

Między jakie cząstki działają siły jądrowe? Przede wszystkim między nukleonami (protonami i neutronami) w jądrze. W końcu działają również między cząstkami (kwarki, gluony, antykwarki) wewnątrz protonu lub neutronu. Nie jest to zaskakujące, gdy wiemy, że protony i neutrony są wewnętrznie złożone.

W atomie małe jądra, a nawet mniejsze elektrony są względnie daleko od siebie w porównaniu do ich wielkości, a siły elektryczne, które utrzymują je w atomie, są dość proste. Ale w molekułach odległość między atomami jest porównywalna do wielkości atomów, tak że wchodzi w grę wewnętrzna złożoność tych atomów. Zróżnicowana i złożona sytuacja spowodowana przez częściową kompensację wewnątrzatomowych sił elektrycznych generuje procesy, w których elektrony mogą faktycznie przechodzić z jednego atomu do drugiego. To sprawia, że ​​fizyka cząsteczek jest bogatsza i bardziej złożona niż w przypadku atomów. Podobnie odległość pomiędzy protonami i neutronami w jądrze jest porównywalna do ich wielkości - a także, podobnie jak w przypadku cząsteczek, właściwości sił jądrowych utrzymujących jądra razem są o wiele bardziej skomplikowane niż proste przyciąganie protonów i neutronów.

Brak jądra bez neutronu, z wyjątkiem wodoru

Wiadomo, że jądra niektórych pierwiastków chemicznych są stabilne, podczas gdy w przypadku innych ulegają ciągłemu rozkładowi, a zakres prędkości tego rozpadu jest bardzo szeroki. Dlaczego więc siły trzymające nukleony w jądrach powstrzymują ich działanie? Zobaczmy, czego możemy się nauczyć z prostych rozważań na temat właściwości sił jądrowych.

Jednym z nich jest to, że wszystkie jądra, z wyjątkiem najbardziej powszechnego izotopu wodoru (który ma tylko jeden proton), zawierają neutrony; to znaczy, że nie ma jądra z kilkoma protonami, które nie zawierają neutronów (patrz rysunek poniżej). Jasne jest więc, że neutrony odgrywają ważną rolę w pomaganiu protonom trzymać się razem.

Na rys. Powyższe pokazuje stabilne lub prawie stabilne jądra wraz z neutronem. Ten ostatni, podobnie jak tryt, pokazano linią przerywaną, co wskazuje, że ostatecznie się rozpadają. Inne kombinacje z niewielką liczbą protonów i neutronów w ogóle nie tworzą jąder ani nie tworzą bardzo niestabilnych jąder. Również zaznaczone kursywą są alternatywne nazwy często nadawane niektórym z tych obiektów; Na przykład, jądro helu-4 jest często nazywane cząstką α, nazwa nadana mu, gdy została odkryta w pierwszych badaniach radioaktywności w 1890 roku.

Neutrony jako pasterze protonów

Przeciwnie, nie ma jądra zbudowanego tylko z neutronów bez protonów; większość lekkich jąder, takich jak tlen i krzem, ma mniej więcej taką samą liczbę neutronów i protonów (ryc. 2). Duże jądra o dużych masach, takie jak złoto i rad, mają nieco więcej neutronów niż protony.

Mówi dwie rzeczy:

1. Nie tylko neutrony są niezbędne do protonowania się razem, ale również protony są potrzebne do utrzymania neutronów razem.

2. Jeśli liczba protonów i neutronów stanie się bardzo duża, wówczas elektryczne odpychanie protonów powinno zostać skompensowane przez dodanie kilku dodatkowych neutronów.

Ostatnie stwierdzenie jest przedstawione na poniższym rysunku.

Powyższy rysunek pokazuje stabilne i prawie stabilne jądra atomowe w funkcji P (liczba protonów) i N (liczba neutronów). Linia pokazana czarnymi kropkami wskazuje na stabilne rdzenie. Każde przesunięcie z czarnej linii w górę lub w dół oznacza spadek żywotności jąder - w pobliżu, długość życia jąder wynosi miliony lat lub więcej, ponieważ obszary niebieskie, brązowe lub żółte poruszają się do wewnątrz (różne kolory odpowiadają różnym mechanizmom rozpadu jądrowego), ich żywotność staje się krótsza, aż do ułamka sekundy.

Zauważ, że stabilne jądra mają P i N, które są w przybliżeniu równe dla małych P i N, ale N stopniowo staje się większe niż P więcej niż półtora raza. Należy również zauważyć, że grupa stabilnych i długowiecznych niestabilnych jąder pozostaje w dość wąskim paśmie dla wszystkich wartości P do 82. Przy większej liczbie znanych jąder są zasadniczo niestabilne (chociaż mogą istnieć miliony lat). Wydaje się, że wspomniany powyżej mechanizm stabilizacji protonów w jądrach przez dodanie do nich neutronów w tym regionie nie ma stuprocentowej sprawności.

Jak wielkość atomu zależy od masy jego elektronów.

Jak wpływają na te siły struktura jądra atomowego? Siły jądrowe wpływają przede wszystkim na jego wielkość. Dlaczego jądro jest tak małe w porównaniu z atomami? Aby się tego dowiedzieć, zacznijmy od najprostszego jądra, które ma zarówno proton, jak i neutron: jest to drugi najpowszechniejszy izotop wodoru, którego atom zawiera jeden elektron (jak wszystkie izotopy wodoru) i jądro z jednego protonu i jednego neutronu. Izotop ten jest często nazywany "deuterem", a jego jądro (patrz ryc. 2) jest czasami nazywane "deuteronem". Jak możemy wyjaśnić, co łączy deuteron? Można sobie wyobrazić, że nie różni się tak bardzo od atomu zwykłego wodoru, który zawiera również dwie cząstki (proton i elektron).

Na rys. powyżej pokazano, że w atomie wodoru jądro i elektron są bardzo daleko od siebie, w tym sensie, że atom jest znacznie większy niż jądro (a elektron jest jeszcze mniejszy). Ale w deuteronie odległość między protonem a neutronem jest porównywalna do ich wielkości. To częściowo tłumaczy, dlaczego siły jądrowe są znacznie bardziej złożone niż siły w atomie.

Wiadomo, że elektrony mają niewielką masę w porównaniu z protonami i neutronami. Wynika z tego

• masa atomu jest zbliżona do masy jego jądra,
• wielkość atomu (zasadniczo wielkość chmury elektronowej) jest odwrotnie proporcjonalna do masy elektronów i odwrotnie proporcjonalna do całkowitej siły elektromagnetycznej; Podstawową rolą jest zasada nieoznaczoności mechaniki kwantowej.

A jeśli siły jądrowe są podobne do elektromagnetycznych

A co z deuteronem? To, podobnie jak atom, składa się z dwóch obiektów, ale są one prawie takie same. masy (masy neutrony i protony różnią się tylko częściami o około jedną 1500 część), tak że obie cząstki są równie ważne przy określaniu masy deuteronu i jego wielkości. Teraz przypuśćmy, że siła nuklearna ściąga proton w kierunku neutronu, tak jak siły elektromagnetyczne (to nie do końca tak, ale wyobraźmy sobie na chwilę); a następnie, analogicznie do wodoru, spodziewamy się, że rozmiar deuteronu będzie odwrotnie proporcjonalny do masy protonu lub neutronu i odwrotnie proporcjonalny do wielkości siły jądrowej. Gdyby jego wielkość była taka sama (w pewnej odległości) jak siła elektromagnetyczna, oznaczałoby to, że ponieważ proton jest około 1850 razy cięższy od elektronu, deuteron (a nawet jądro) musi być co najmniej tysiąc razy mniejszy niż wodór.

Co wyjaśnia znaczącą różnicę między siłami jądrowymi i elektromagnetycznymi

Ale już odgadliśmy, że siła jądrowa jest znacznie bardziej elektromagnetyczna (w tej samej odległości), ponieważ gdyby tak nie było, nie byłaby ona w stanie zapobiec odpychaniu elektromagnetycznemu pomiędzy protonami aż do rozpadu jądra. Tak więc proton i neutron pod jego działaniem są jeszcze bliżej siebie. I dlatego nie jest zaskakujące, że deuteron i inne jądra atomowe są nie tylko tysiąc, ale sto tysięcy razy mniejsze od atomów! Ponownie, to tylko dlatego

• protony i neutrony są prawie 2000 razy cięższe od elektronów,
• na tych dystansach duża siła jądrowa pomiędzy protonami i neutronami w jądrze jest wielokrotnie większa niż odpowiednie siły elektromagnetyczne (w tym odpychanie elektromagnetyczne między protonami w jądrze).

To naiwne domysły dają o poprawnej odpowiedzi! Ale to nie w pełni odzwierciedla złożoność interakcji między protonem a neutronem. Jednym z oczywistych problemów jest to, że siła podobna do elektromagnetycznej, ale o większej sile przyciągania lub odpychania, powinna przejawiać się oczywiście w życiu codziennym, ale nie obserwujemy czegoś podobnego. Coś w tej mocy musi być inne niż siły elektryczne.

Energia jądrowa o krótkim zasięgu

Wyróżnia je to, że siły jądrowe, które utrzymują jądro atomowe, są bardzo ważne i duże dla protonów i neutronów, które znajdują się w bardzo niewielkiej odległości od siebie, ale w pewnej odległości (tak zwany "zasięg" siły), spadają bardzo szybko, znacznie szybciej niż elektromagnetyczny. Zakres, jak się okazuje, może być również wielkością umiarkowanie dużego jądra, tylko kilkakrotnie większego niż proton. Jeśli umieścisz proton i neutron w odległości porównywalnej z tym zakresem, przyciągną się i utworzą deton; jeśli zostaną zmiażdżeni na większą odległość, prawie nie odczują żadnej atrakcji. W rzeczywistości, jeśli są one umieszczone zbyt blisko siebie, aby zaczęły się nakładać, wtedy faktycznie będą się wzajemnie odpychać. To tutaj objawia się złożoność czegoś takiego jak siły jądrowe. Fizyka nadal ewoluuje w kierunku wyjaśnienia mechanizmu ich działania.

Fizyczny mechanizm oddziaływań jądrowych

Każdy materialny proces, w tym interakcja między nukleonami, powinien mieć tych samych materialnych nośników. Są to kwanty pól jądrowych - piony (piony), ze względu na wymianę których istnieje przyciąganie między nukleonami.

Zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej mezony pi, od czasu do czasu pojawiające się i znikające, tworzą wokół "nagiego" jądra coś w rodzaju chmury, zwanej płaszczem mezonu (myśl o chmurach elektronowych w atomach). Kiedy dwa nukleony, otoczone takimi powłokami, znajdują się w odległości około 10-15 m, w miarę tworzenia się cząsteczek, elektrony walencyjne są wymieniane jak elektrony walencyjne, a pomiędzy nukleonami występuje przyciąganie.

Jeśli odległości między nukleonami wynoszą mniej niż 0,7 ∙ 10-15 m, wówczas zaczynają wymieniać nowe cząsteczki - tzw. mezonów ω i ρ, w wyniku czego nie ma przyciągania między nukleonami, ale odpychania.

Siły jądrowe: struktura jądra od najprostszej do największej

Podsumowując wszystkie powyższe, możemy zauważyć:

• silne oddziaływanie jądrowe jest znacznie, znacznie słabsze niż elektromagnetyzm w odległościach znacznie większych niż rozmiar typowego jądra, tak że nie spotykamy go w życiu codziennym; ale
• na krótkich dystansach, porównywalnych z jądrem, staje się znacznie silniejszy - siła przyciągania (pod warunkiem, że odległość nie jest zbyt krótka) jest w stanie przezwyciężyć elektryczne odpychanie pomiędzy protonami.

Siła ta jest ważna tylko w odległościach porównywalnych do wielkości rdzenia. Poniższy rysunek pokazuje zależność od odległości między nukleonami.

Duże jądra są utrzymywane razem przy pomocy mniej więcej tej samej siły, która utrzymuje deuteron razem, ale szczegóły procesu są skomplikowane, więc nie jest łatwo je opisać. Nie są one również w pełni zrozumiałe. Chociaż podstawowe zarysy fizyki jądrowej były dobrze badane od dziesięcioleci, wiele ważnych szczegółów wciąż jest aktywnie badanych.