Реферат по теме «Модели атомных ядер»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный федеральный университет»
Кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений
Реферат
по теме «Модели атомных ядер»

Владивосток, 2015

1. Атомное ядро

Ядро атомное - центральная массивная часть атома, вокруг которой по квантовым орбитам обращаются электроны. Масса ядра примерно в 4·103 раз больше массы всех входящих в состав атома электронов. Размер ядра очень мал (10-12—10-13 см), что приблизительно в 105 раз меньше диаметра всего атома. Электрический заряд положителен и по абсолютной величине равен сумме зарядов атомных электронов (т. к. атом в целом электрически нейтрален). Существование ядра было открыто Э. Резерфордом (1911) в опытах по рассеянию α-частиц (α - частицы- положительно заряженные частицы, образованные двумя протонами и двумя нейтронами, ядро атому гелия-4) при прохождении их через вещество. Обнаружив, что a-частицы чаще, чем ожидалось, рассеиваются на большие углы, Резерфорд предположил, что положительный заряд атома сосредоточен в малом по размерам ядра (до этого господствовали представления Дж. Томсона, согласно которым положительный заряд атома считался равномерно распределённым по его объёму). Идея Резерфорда была принята его современниками не сразу (главным препятствием была убеждённость в неизбежном падении атомных электронов на ядро из-за потери энергии на электромагнитное излучение при движении по орбите вокруг ядра.). Большую роль в её признании сыграла знаменитая работа Н. Бора (1913), положившая начало квантовой теории атома. Бор постулировал стабильность орбит как исходный принцип квантования движения атомных электронов и из него затем вывел закономерности линейчатых оптических спектров, объяснявших обширный эмпирический материал (Бальмера серия и др.). Несколько позже (в конце 1913) ученик Резерфорда Г. Мозли экспериментально показал, что смещение коротковолновой границы линейчатых рентгеновских спектров атомов при изменении порядкового номера Z элемента в периодической системе элементов соответствует теории Бора, если допустить, что электрический заряд Ядра (в единицах заряда электрона) равен Z. Это открытие полностью сломало барьер недоверия: новый физический объект — ядро оказался прочно связанным с целым кругом на первый взгляд разнородных явлений, получивших теперь единое и физически прозрачное объяснение. После работ Мозли факт существования ядра окончательно утвердился в физике.

История открытия атомного ядра
Открытое 100 лет назад Э. Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.
1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро
В июньском 1911г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э. Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро»
Э. Резерфорд проанализировал результаты работы Г. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R≈10-8 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц на угол θ от энергии E налетающей α-частицы.
Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение α-частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером <10-12см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2, где A – вес атома в атомных единицах массы, e – фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален – положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

Силы, действующие в ядре

Атомные ядра являются связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. В атомном ядре проявляются три типа взаимодействий.
Сильные взаимодействия между нуклонами приводят к образованию связанного состояния A нуклонов.
Электромагнитные взаимодействия приводят с одной стороны к расталкиванию между протонами, что ослабляет связь в атомном ядре, с другой стороны взаимодействие магнитных моментов нуклонов приводит к большому разнообразию ядерных состояний.
Слабое взаимодействие между нуклонами приводит к взаимным превращениям нейтронов и протонов в атомном ядре − явлению β-распада атомных ядер.
Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно не похожи ни на гравитационные, ни на электростатические. Электростатические силы действуют и на микроскопических и на макроскопических расстояниях. Ядерные силы не проявляют себя на макроскопических расстояниях: они очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 10-15 метра. Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение: 10-15 м = 1 Фм (ферми, в честь итальянского физика Энрико Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми.
Ядерные силы - пример сильных взаимодействий. Они многократно превосходят кулоновскую силу (но, конечно, на одинаковом расстоянии). Электростатическое взаимодействие характеризуется энергией порядка нескольких электронвольт, а характерные ядерные энергии в миллион раз больше - мегаэлектронвольты (Мэвы).
Короткодействие ограничивает действие ядерных сил ближайшим окружением нуклона, в то время как медленно спадающее с расстоянием электростатическое отталкивание протонов действует во всем объеме ядра. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать. Конечное число элементов в природе - следствие короткого действия ядерных сил.
Экспериментально доказано, что ядерные силы между двумя протонами, двумя нейтронами и нейтроном и протоном практически одинаковы. Это свойство называют зарядовой независимостью ядерных сил.
Два нуклона притягиваются друг к другу, потому что обмениваются между собой частицей. Частицу назвали пи-мезоном, или пионом. Один нуклон испускает пи-мезон (p-мезон), другой его поглощает, а в результате нуклоны притягиваются друг к другу. Масса p-мезона стала известна еще до открытия этой частицы. По теории (она была создана в 1935 году японским физиком Хидэки Юкава, 1907-1981) между радиусом действия ядерных сил и массой p-мезона mp существует простая связь: mp> = ћ/crn. Есть три сорта p-мезонов - положительный, отрицательный и нейтральный. Их массы несколько отличаются, но все они примерно в 200 раз больше массы электрона.
Итак, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. На первый взгляд у нейтрона, как у одного из основных (первичных) элементов, из которых все построено, есть крупный недостаток. Нейтрон недолговечен. В свободном состоянии время его жизни приблизительно 15 минут. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино (этот процесс называется b-распадом, поскольку поток электронов когда-то назывался бета-лучами). Однако в стабильных ядрах, по современным оценкам, время его жизни превышает 1032лет. Скорее всего, столько же живет протон, распад которого старательно искали, но так пока и не обнаружили. Нестабильность протона предсказал А. Д. Сахаров.
Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие, — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.
Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра (характерный радиус взаимодействия 2·10−18м).
Стандартная модель физики элементарных частиц описывает электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие как разные проявления единого электрослабого взаимодействия, теорию которого разработали около 1968 года Ш. Глэшоу, А. Салам и С. Вайнберг.
Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны W+, W− и Z0. При этом различают взаимодействие так называемых заряженных слабых токов и нейтральных слабых токов. Взаимодействие заряженных токов (при участии заряженных бозонов W±) приводит к изменению зарядов частиц и превращению одних лептонов и кварков в другие лептоны и кварки. Взаимодействие нейтральных токов (при участии нейтрального бозона Z0) не меняет заряды частиц и переводит лептоны и кварки в те же самые частицы.
Любой газовый вихрь представляет собой более или менее упругое образование. И если какая-то сила стукнет по вихрю, то по его поверхности пойдут волны, точно также, как пойдут волны по поверхности достаточно большого мыльного пузыря, если по нему стукнуть. Если мы имеем сложное ядро, состоящее из множества нуклонов, то по поверхности каждого из них перемещаются волны, характеристики которых зависят от конкретного ядра и условий его окружения. Рассматривая два нуклона, по поверхности каждого из которых двигаются упругие волны, можно заметить, что тут возможны несколько случаев. Предположим, что амплитуда обоих волн близка, и в момент прохождения их по поверхности соединения нуклонов пучность одной волны будет соответствовать впадине другой. В этом случае, практически ничего не будет происходить. Если же встретятся две пучности, то нуклоны могут раздвинуться на некоторое расстояние. И может оказаться, что это расстояние превысит величину пограничного слоя нуклонов, тогда сильное взаимодействие ослабнет, и может даже перестанет их удерживать. И мы получим распад ядра. Таким образом, слабое взаимодействие, с позиций эфиродинамики, это результат взаимодействия поверхностных волн в телах атомных ядер на поверхности нуклонов. В зависимости от положения пучностей и впадин этих волн в момент прохождения поверхностей соприкосновения нуклонов и их амплитуды, мы будем иметь устойчивые или неустойчивые ядра и различные виды распада.
По поводу распада нужно сказать, что из ядра в первую очередь будут вылетать протоны и нейтроны, не входящие в альфа частицы, а также альфа частицы целиком. В случае же раскалывания ядра, оно расколется по поверхностям соединения альфа частиц и отдельных нуклонов.
О распаде свободного нейтрона можно сказать, что тут немного другой механизм. Пограничный слой нуклона, который не выпускает наружу кольцевое движение стенок нейтрона, из-за чего он представляется нейтральной частицей, теряет устойчивость, когда нейтрон вне ядра. Ведь в ядре этот пограничный слой стабилизирует соседний нуклон. В процессе распада нейтрона пограничный слой отрывается и сжимается в электрон. При этом в рамках эфиродинамики существование такой частицы, как нейтрино вызывает некоторые сомнения. Ведь эта частица была предложена Паули только для того, чтобы объяснить разницу в массах нейтрона и суммарно протона и электрона, получающихся при распаде нейтрона. А с позиций эфиродинамики часть массы нейтрона при его распаде может перейти в свободный эфир, что и даёт разницу масс. Тем не менее, нейтрино, как частица с теми свойствами, которые ей приписывают, вполне может существовать. Но выделяется ли в процессе распада нейтрона третья частица, могут установить только тщательные эксперименты.