Jaderné síly: vlastnosti. Mezi částicami fungují jaderné síly?

Ve fyzice se termín "síla" týká míry vzájemného působení materiálových útvarů, včetně vzájemného působení částí látky (makroskopických těles, elementárních částic) a fyzických polí (elektromagnetických, gravitačních). Celkově existují čtyři typy interakcí v přírodě: silné, slabé, elektromagnetické a gravitační a každý má své vlastní síly. První z nich odpovídá jaderným sílám působícím uvnitř atomových jader.

Co spojuje jádra?

Je dobře známo, že jádro atomu je malé, jeho velikost je čtyři až pět desetinných řádů menší než velikost samotného atomu. V tomto ohledu vzniká zřejmá otázka: proč je tak malá? Koneckonců, atomy složené z drobných částic jsou ještě mnohem větší než částice, které obsahují.

Naopak, jádra nejsou příliš odlišné od nukleonů (protonů a neutronů), ze kterých jsou vytvořeny. Existuje nějaký důvod, nebo je to nehoda?

Mezitím je známo, že elektrické síly udržují záporně nabité elektrony v blízkosti atomových jader. Jakou sílu nebo síly drží jádrové částice dohromady? Tento úkol plní jaderné síly, které jsou mírou silných interakcí.

Silná jaderná interakce

Pokud v přírodě existovaly pouze gravitační a elektrické síly, tj. ty, s nimiž se setkáváme v každodenním životě, atomová jádra, která se často skládá z mnoha pozitivně nabitých protonů, by byla nestabilní: elektrické síly, které tlačí protony od sebe, by byly mnohokrát vícekrát silnější než jakékoliv gravitační síly přitahující je příteli. Jaderné síly poskytují přitažlivost ještě silnější než elektrická odpudivost, i když se ve struktuře jádra projevuje pouze stín jejich skutečné velikosti. Když studujeme strukturu samotných protonů a neutronů, vidíme skutečné možnosti tohoto jevu, známého jako silná jaderná interakce. Jaderné síly jsou jeho projevy.

Obrázek nahoře ukazuje, že dvěma protilehlými silami v jádru je elektrická odpudivost mezi pozitivně nabitými protony a silou jaderné interakce, která přitahuje protony (a neutrony) dohromady. Pokud počet protonů a neutronů není příliš odlišný, pak jsou druhé síly lepší než první.

Protony jsou analogy atomů a jádra jsou analogy molekul?

Mezi částicami fungují jaderné síly? Nejprve mezi nukleony (protony a neutrony) v jádru. Nakonec působí také mezi částicemi (kvarky, gluony, antikvary) uvnitř protonu nebo neutronu. Není to překvapující, když poznáme, že protony a neutrony jsou vnitřně složité.

V atomu jsou drobné jádra a dokonce menší elektrony relativně daleko od sebe v porovnání s jejich velikostí a elektrické síly, které je drží v atomu, jsou poměrně jednoduché. Ale v molekulách je vzdálenost mezi atomy srovnatelná s velikostí atomů, takže do nich hraje vnitřní složitost. Rozmanitá a složitá situace způsobená částečnou kompenzací intra-atomových elektrických sil generuje procesy, ve kterých elektrony mohou skutečně přejít z jednoho atomu do druhého. To činí fyziku molekul mnohem bohatší a složitější než atomy. Podobně je vzdálenost mezi protony a neutrony v jádru srovnatelná s jejich velikostí - a stejně jako s molekulami jsou vlastnosti jaderných sil, které drží jádra dohromady mnohem komplikovanější než jednoduchá přitažlivost protonů a neutronů.

Žádné jádro bez neutronů, s výjimkou vodíku

Je známo, že jádra některých chemických prvků jsou stabilní, zatímco u jiných se neustále rozpadají a rozsah rychlosti tohoto rozkladu je velmi široký. Proč potom sily, které drží nukleony v jádrech, zastaví jejich činnost? Podívejme se, co se můžeme naučit z jednoduchých úvah o vlastnostech jaderných sil.

Jedním z nich je, že všechny jádra, s výjimkou nejběžnějšího izotopu vodíku (který má pouze jeden proton), obsahují neutrony; to znamená, že není jádro s několika protony, které neobsahují neutrony (viz obrázek níže). Je tedy zřejmé, že neutrony hrají důležitou roli při pomoci protonů.

Na obr. Výše uvedené ukazuje světlo stabilní nebo téměř stabilní jádra spolu s neutronem. Druhá, jako je tritium, je zobrazena tečkovanou čarou, což naznačuje, že se nakonec rozpadají. Jiné kombinace s malým počtem protonů a neutronů vůbec netvoří jádra nebo tvoří extrémně nestabilní jádra. V kurzívach jsou také uvedeny alternativní názvy, které se někdy dávají některým z těchto objektů; Například jádro helium-4 se často nazývá α-částicí, jemuž se dal jméno, když byl poprvé objeven v prvních studiích radioaktivity v roce 1890.

Neutrony jako protonové pastevci

Naopak, žádné jádro není vyrobeno pouze z neutronů bez protonů; většina lehkých jader, jako je kyslík a křemík, má přibližně stejný počet neutronů a protonů (obrázek 2). Velké jádra s velkými hmotami, jako je zlato a radium, mají o něco více neutronů než protony.

Říká to dvě věci:

1. Nebudou potřebné pouze neutrony, aby se protony držely dohromady, ale také protony jsou potřebné pro udržení neutronů dohromady.

2. Pokud se počet protónů a neutronů stane velmi velký, pak by elektrická odpudivost protonů měla být kompenzována přidáním několika dalších neutronů.

Poslední údaj je uveden na obrázku níže.

Výše uvedený obrázek ukazuje stabilní a téměř stabilní atomová jádra jako funkci P (počet protonů) a N (počet neutronů). Čára zobrazená černými tečkami znamená stabilní jádra. Jakýkoli posun od černé čáry nahoru nebo dolů znamená snížení životnosti jádra - v jeho blízkosti je životnost jádra miliony let nebo více, protože se modré, hnědé nebo žluté oblasti pohybují dovnitř (různé barvy odpovídají různým mechanismům jaderného úpadku), jejich životnost se zkrátí, až na zlomek sekundy.

Všimněte si, že stabilní jádra mají P a N, které jsou přibližně stejné pro malé P a N, ale N se postupně stává více než P více než jeden a půlkrát. Poznamenejme také, že skupina stabilních a dlouhotrvalých nestabilních jader zůstává v poměrně úzkém pásmu pro všechny hodnoty P až 82. S větším počtem z nich jsou známé jádra v zásadě nestabilní (i když mohou existovat miliony let). Zdá se, že výše zmíněný mechanismus pro stabilizaci protonů v jádrech přidáním neutronů k nim v této oblasti nemá stopercentní účinnost.

Jak velikost atomu závisí na hmotnosti jeho elektronů.

Jak ovlivňují příslušné síly struktura atomového jádra? Jaderné síly především ovlivňují její velikost. Proč je jádro tak malé v porovnání s atomy? Abychom zjistili, začneme s nejjednodušším jádrem, které má jak proton, tak neutron: je to druhý nejběžnější izotop vodíku, jehož atom obsahuje jeden elektron (jako všechny izotopy vodíku) a jádro z jednoho protonu a jednoho neutronu. Tento izotop se často nazývá "deuterium" a jeho jádro (viz obrázek 2) se někdy nazývá "deuteron". Jak můžeme vysvětlit, co drží deuteron společně? No, můžete si představit, že to není tak odlišné od atomu obyčejného vodíku, který také obsahuje dvě částice (proton a elektron).

Na obr. že jádro a elektron jsou v atomu vodíku velmi daleko od sebe, v tom smyslu, že atom je mnohem větší než jádro (a elektron je ještě menší.) Ale v deuteronu je vzdálenost mezi protonem a neutronem srovnatelná s jejich velikostí. To částečně vysvětluje, proč jaderné síly jsou mnohem složitější než síly v atomu.

Je známo, že elektrony mají malou hmotnost ve srovnání s protony a neutrony. Z toho vyplývá

• hmotnost atomu je v podstatě blízká hmotnosti jeho jádra,
• velikost atomu (v podstatě velikost elektronového oblaku) je nepřímo úměrná hmotnosti elektronů a nepřímo úměrná celkové elektromagnetické síle; Princip rozhodování kvantové mechaniky hraje zásadní roli.

A jestliže jaderné síly jsou podobné elektromagnetickým

A co deuteron? To, jako atom, je tvořeno dvěma objekty, ale jsou téměř stejné. hmoty (hmoty neutrony a protony se liší pouze v částech asi jednou 1500. částí), takže obě částice jsou stejně důležité při určování hmotnosti deuteronu a jeho velikosti. Nyní předpokládejme, že jaderná síla vytáhne proton směrem k neutronu stejně jako elektromagnetické síly (to není úplný případ, ale na chvíli si představte); a pak analogicky s vodíkem očekáváme, že velikost deuteronu bude nepřímo úměrná hmotnosti protonu nebo neutronu a bude nepřímo úměrná velikosti jaderné síly. Je-li jeho velikost stejná (v určité vzdálenosti) jako elektromagnetická síla, pak by to znamenalo, že jelikož proton je asi 1850krát těžší než elektron, pak deuteron (a vlastně jádro) musí být alespoň tisíckrát menší než vodík.

Co znamená významný rozdíl mezi nukleárními a elektromagnetickými silami

Ale již jsme uhodli, že jaderná síla je mnohem elektromagnetické (ve stejné vzdálenosti), protože pokud tomu tak není, nebude schopna zabránit elektromagnetické odpuzování mezi protony až do rozpadu jádra. Proto se proton a neutron pod svou činností blíží ještě těsněji. A proto není divu, že deuteron a další jádra nejsou jen tisíc, ale sto tisíckrát menší než atomy! Opět je to jen proto, že

• protony a neutrony jsou téměř 2000krát těžší než elektrony,
• na těchto vzdálenostech je velká jaderná síla mezi jádry a protony v jádru mnohokrát větší než odpovídající elektromagnetické síly (včetně elektromagnetické odpuzování mezi protony v jádru).

To je naivní hádat o správné odpovědi! To však plně neodráží složitost interakce mezi protonem a neutronem. Jedním ze zřejmých problémů je, že síla podobná elektromagnetické síle, ale s větší přitažlivostí nebo odpuzující schopností, by se samozřejmě měla projevit v každodenním životě, ale nic takového nevidíme. Takže něco v této síle se musí lišit od elektrických sil.

Jadernou energii krátkého dosahu

To, co je odlišuje, je to, že jaderné síly, které udržují atomové jádro z rozkladu, jsou velmi důležité a velké pro protony a neutrony, které jsou ve velmi krátké vzdálenosti od sebe, ale v určité vzdálenosti (takzvaný "rozsah" síly) velmi rychle, mnohem rychleji než elektromagnetické. Rozsah, jak se ukazuje, může být i velikost středně velkého jádra, jen několikrát větší než proton. Pokud umístíte proton a neutron ve vzdálenosti srovnatelné s tímto rozsahem, budou se navzájem přitahovat a vytvářet deton; pokud jsou rozděleny na větší vzdálenost, nebudou vůbec cítit žádnou atrakci. Ve skutečnosti, pokud jsou umístěni příliš blízko k sobě navzájem, aby se začali překrývat, pak se navzájem odpuzují. Zde se projevuje složitost takové věci jako jaderné síly. Fyzika se stále vyvíjí ve směru vysvětlující mechanismus jejich působení.

Fyzikální mechanismus jaderné interakce

Jakýkoli materiálový proces, včetně interakce mezi nukleony, by měl mít stejné nosiče materiálu. Jedná se o kvantity jaderných polí (pionů), kvůli jejichž výměně existuje přitažlivost mezi nukleony.

Podle principů kvantové mechaniky se pi-mezony, které se objevují a okamžitě mizí, tvoří okolo "nahého" nuónu něco podobného mraku, nazývaného mesonovým kabátkem (myslíme na atomové elektronové mraky). Když jsou dva nukleony, obklopené takovými vrstvami, ve vzdálenosti asi 10 ^{až 15} m, jsou piony vyměňovány jako valenční elektrony v atomech, když se tvoří molekuly a dochází k přitažlivosti mezi nukleony.

Pokud se vzdálenosti mezi nukleony stanou méně než 0,7 ∙ 10 ^-15 m, začnou se vyměňovat nové částice - tzv. ω a ρ-mesons, v důsledku čehož nedochází k odpuzování mezi nukleony, ale přitažlivost.

Jaderné síly: struktura jádra od nejjednoduššího k největšímu

Shrneme-li vše výše uvedené, můžeme si všimnout:

• silná jaderná interakce je mnohem, mnohem slabší než elektromagnetismus na vzdálenostech mnohem větších, než je velikost typického jádra, takže se s ním nenacházíme v každodenním životě; ale
• na krátkých vzdálenostech, srovnatelných s jádrem, je mnohem silnější - síla přitažlivosti (za předpokladu, že vzdálenost není příliš krátká) dokáže překonat elektrickou odpudivost mezi protony.

Takže tato síla je důležitá pouze ve vzdálenostech srovnatelných s velikostí jádra. Níže uvedený obrázek zobrazuje jeho závislost na vzdálenosti mezi nukleony.

Velké jádra jsou drženy společně s pomocí více či méně stejné síly, která drží deuteron společně, ale detaily procesu jsou komplikované, takže není snadné je popsat. Rovněž nejsou plně pochopeny. Ačkoli základní principy jaderné fyziky byly dobře studovány po celá desetiletí, mnohé důležité detaily jsou stále aktivně zkoumány.