Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Для легких ядер   стрибкоподібно зростає до 6 – 7 МеВ, далі більш повільно зростає до максимального значення 8,7 МеВ для елементів з масовим числом А ~ 50 – 60, а тоді повільно зменшується для важких елементів (наприклад, для    . Аналіз кривої показує:

 найбільш стійкими є ядра середньої частини таблиці елементів Менделєєва;

 енергетично можливими є два процеси, які повинні супроводжуватися виділенням енергії, – процес поділу важких ядер і процес синтезу легких ядер.

Величезна питома енергія зв’язку ядра свідчить, що між нуклонами в ядрі діють особливі сили, які значно переважають електромагнітну та гравітаційну взаємодію нуклонів. Ядерна взаємодія між нуклонами одержала назву сильної взаємодії. Ядерні сили характеризуються такими особливостями:

 короткодіючі: в ядрі, (на відстанях r~10–15м) обумовлюють ефективне притягання між нуклонами; поза ядром (при r > 10–14м) практично зникають; при r < 10–15м стають силами відштовхування і це суттєво, щоб ядро не колапсувало;

 зарядовонезалежні, тобто мають неелектричну природу;

 залежать від взаємної орієнтації спінів нуклонів;

 мають спін-орбітальний характер (залежать від взаємної орієнтації спіна і орбітального момента нуклона);

 є нецентральними (не напрямлені вздовж прямої, що з’єднує центри нуклонів);

 мають властивість насичення, тобто діють лише між найближчими сусідами.

У 1934 р. І.Є. Тамм висунув гіпотезу, що сильна взаємодія повинна мати обмінну природу. По аналогії з електромагнітною взаємодією, яка квантовою електродинамікою описується як процес віртуального обміну електронів фотонами

 , (8.8)

нуклони в ядрі повинні обмінюватись деякими віртуальними частинками з масою спокою, відмінною від нуля. Дійсно, віртуальними називаються частинки, час життя яких менший того, що визначається співвідношенням невизначеностей

 , (8.9)

де   – невизначеність енергії квантового стану,   – тривалість існування цього стану. Очевидно, радіус дії обмінних сил оцінюється величиною

 ,

тобто він може бути скінченим, якщо маса спокою віртуальної частинки відмінна від нуля.

У 1935 р. Х. Юкава показав, що для пояснення величини ядерних сил слід припустити існування віртуальних частинок з масою спокою у 200–300 разів більшою від маси спокою електрона. Віртуальна частинка може стати реальною, якщо їй надати достатньої енергії. Подібні частинки з масою   у 1936 р. виявили К. Андерсон і С. Неддермайер в космічних променях; вони дістали назву мюонів (μ-мезонів). Проте, лабораторними дослідженнями було доведено, що мюони практично не взаємодіють з ядрами, тому не можуть бути носіями ядерних сил. У 1947 р. С. Поуелл і Дж. Оккіаліні виявили в космічних променях ще один тип мезонів, які назвали  -мезонами (піонами). Вони і виявились носіями ядерних сил. Існують три типи піонів:  . Заряд  –мезонів за абсолютною величиною рівний елементарному зарядові е, їх маси:  273 me,  . Спін усіх   – мезонів S = 0, всі вони – нестабільні; час життя   = 2,610-8 с,  . В основному піони розпадаються за схемами

 

де   – мюони,   - мюонні нейтрино і антинейтрино, γ – фотони.

За рахунок процесів

 , (8.10)

 , (8.11)

 ; (8.12)

здійснюється обмін нуклонів віртуальними піонами, що приводить до сильної взаємодії нуклонів. Така модель підтверджується дослідами по розсіянню нейтронів на протонах. При проходженні пучка нейтронів через водень в пучку з’являються протони, які мають енергію і напрямок руху нейтронів; відповідне число нерухомих нейтронів виявляється в мішені. Природно припустити, що нейтрон, пролітаючи поблизу протона, захоплює віртуальний +-мезон. В результаті нейтрон перетворюється в протон, а протон який втратив свій заряд, перетворюється в нейтрон (рис. 8.2).

На основі процесів (8.10), (8.11) можна також пояснити магнітні моменти протона і нейтрона. Від’ємний магнітний момент нейтрона обумовлений орбітальним рухом ––мезона у віртуальному стані нейтрона (8.11);. аномальний магнітний момент протона (більший від одного магнетона) обумовлений орбітальним рухом +–мезона у віртуальному стані протона (8.10).

Незважаючи на пояснення природи ядерних сил, послідовна кількісна теорія ядра донині не побудована, бо являє собою громіздку квантову задачу багатьох тіл, в якій закон дії ядерних сил невідомий. Це спонукає йти по шляху створення моделей ядра, які, за рахунок введення певних параметрів, що підбираються в узгодженні з дослідом, дозволяють простими засобами описувати деяку сукупність властивостей ядра. Найбільш вживаними з них є краплинна та оболонкова моделі ядра.

Краплинна модель ядра (К. Вейцзеккер, Я.І. Френкель, Н. Бор, 1935–1939 р.), базуючись на властивості насичення ядерних сил і молекулярних сил в рідині, уподібнює ядро до зарядженої краплини рідини. Це дозволило одержати напівемпіричну формулу для енергії зв’язку ядра і, зокрема, пояснити процеси поділу важких ядер.

Оболонкова модель ядра (М. Гепперт-Майєр, Х. Ієнсен, 1949–1950 р.) базується на уявленні, що нуклони рухаються незалежно в усередненому центрально-симетричному полі. У зв’язку з цим виникають дискретні енергетичні рівні, які заповнюються нуклонами на основі принципу Паулі. Ці рівні групуються в оболонки, в кожній з яких може перебувати певне число нуклонів. Повністю заповнена оболонка є особливо