Нуклонная модель ядра (уч.10кл.Стр.211,уч.11кл.Стр.347)

Атомарная модель материального тела

Определение атома

Простые и сложные вещества

Нуклоны. Протон и нейтрон.

Протонно-нейтронная модель ядра

Сильное взаимодействие нуклонов в ядре

Комптоновская длина волны

Состав и размер ядер

Четные и нечетные ядра. Их устойчивость

Оценка размеров ядра

Модель материально точки не применима для пространственных масштабов, соизмеримых с размерами тела или меньших.

Моделью материального тела является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой атомом (молекул)

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Все вещества по составу можно разделить на два класса: простые и сложные.

Простые вещества состоят из атомов одного и того же химического элемента, сложные – из атомов различных элементов.

Заряд ядра атома – главная характеристика химического элемента.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов(нейтральные адроны).

Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, получили название – нуклоны (лат. nucleus – ядро)

Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — назы­ваются нуклонами.

Опыты Резерфорда (1910 г.) показали, что атомное ядро, находящееся в центре атома, в 10000 раз меньше размера электронной оболочки и сосредотачивает до 99.9% массы атома.

Изучение состава ядра проводилось с помощью бомбардировки его α-частицами, выбивающими из ядра частицы входящие в его состав.

Первой такой частицей, открытой Резерфордом в 1919 г. был протон (греч. protos – первый, первичный).

Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона е = 1.6*10^-19Кл, и массу покоя примерно равную 1 а.е.м.

Протоны встречаются в земных условиях в свободном состоянии как ядра атомов водорода.

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик установил, что при облучении ядер атома бериллия α-частицами из ядра вылетают нейтральные частицы массой, близкой к массе протона.

Эта частица была названа нейтроном (лат.neutron – ни тот ни другой, или нейтральный)

Масса покоя свободного нейтрона очень незначительно превосходит массу протона.

В свободном виде в земных условиях нейтрон практически не встречается из-за неустойчивости - самопроизвольно распадается: среднее время жизни близко к 15,3 мин.

По современным представлениям протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы – нуклона (лат.nucleus – ядро)

Протон – нуклон в заряженном состоянии, нейтрон – в нейтральном.

Обозначение - .

Нижний индекс – заряд частицы, кратный заряду протона +e (или зарядовое число Z), верхний – число нуклонов, которое содержит частица (или массовое число А).

Подобно электрону, протон и нейтрон имеют спиновой момент импульса, равный ћ/2.

Протон и нейтрон обладают полуцелым спином (в единицах ћ)

Протонно-нейтронная модель ядра

Предложена в 1932 г. российским физиком Д.Д.Иваненко и В.Гейзенбергом.

Ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов.

Вследствие электронейтральности атома число Z протонов я ядре (зарядовое число), имеющих заряд +Ze, равно числу электронов с полным зарядом –Ze, движущихся вокруг ядра. При этом в ядре различных изотопов может находится различное число нейтронов.

Сильное взаимодействие нуклонов

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия, существующего между ними. Наличие такого взаимодействия было подтверждено в 1919 г. опытами Резерфорда.

В этих опытах бомбардировке α-частицами подвергались ядра легких атомов, с малым Z. При бомбардировке ядер атома водорода (протонов) α-частицы испытывали кулоновское отталкивание от протона, находясь от него на расстоянии превышающем 3 фм (1 фм = 10^-15м) На меньших расстояниях наблюдалось притяжение α-частиц к протону, обусловленное сильным взаимодействием нуклонов друг с другом.

Нейтрон начинает притягиваться к протону на расстоянии меньше 2 фм. Но на расстоянии меньше 0.4 фм начинают действовать мощные силы взаимного отталкивания.

Притяжение между протоном и нейтроном теоретически объясняется их постоянным обменом друг с другом виртуальной (экспериментально не наблюдаемой при таком взаимодействии) частицей – π⁺-мезоном.

Взаимодействие путем обмена виртуальными частицами не имеет простого объяснения. Согласно законам сохранения импульса и энергии свободный протон или нейтрон не могут испустить частицу без поступления энергии извне. Для такого испускания необходима энергия не меньше Е = m₀c (m₀ – масса покоя частицы)

Однако, соотношение неопределенностей Гейзенберга Еt ≥ ћ допускает нарушение закона сохранения энергии в течении малого промежутка времени t = ћ/(m₀c²), необходимого для испускания частицы, называемой виртуальной.

За это время виртуальная частица не может уйти дальше, чем на расстояние:

R = сt =

Эту длину называют комптоновской длиной волны частицы (Артур Комптон – американский физик)

Комптоновская длина волны частицы – пространственный масштаб существования виртуальной частицы.

Комптоновская длина волны определяет радиус действия того или иного вида взаимодействия.

Электромагнитные взаимодействия заряженных частиц осуществляются обменом фотонами. Для фотона m₀ = 0, поэтому радиус действия электромагнитных сил R, т.е. эти силы являются дальнодействующими.

Зная радиус действия ядерных сил R_я ≈ 10^-15м, можно оценить массу виртуальной частицы – переносчика сильного взаимодействия:

m₀ = ≈ 3*10^-28 кг

что очень близко к массе элементарной частицы π+-мезона, открытого в 1947 г.

Сильное взаимодействие не зависит от заряда частицы: оно связывает между собой заряженные нуклоны, нейтральные, а так же заряженные и нейтральные частицы.

Зарядовая симметрия сильного взаимодействия – независимость сил, взаимодействие между нуклонами от их электрических зарядов.

Взаимодействие протонов происходит в результате обмена виртуальными нейтральными π⁰-мезонами(пионами) Процесс обмена нуклонов виртуальными частицами изображают на диаграммах Феймана (Р.Фейман – американский физик), на которых реальной частице соответствует прямая линия, а виртуальной – волнистая.

Ядерные силы взаимодействия зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. При антипараллельных спинах энергия взаимодействия нуклонов оказывается меньше, чем при параллельных.

Парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра энергетически выгодно.

Состав и размер ядра

Ядро, состоящее из одних протонов, неустойчиво из-за кулоновского отталкивания протонов. Нейтроны, входящие в состав ядра, стабилизируют его. Силы их ядерного притяжения между собой и к протонам препятствуют кулоновскому отталкиванию протонов.

Энергия ядер, как и атомов, квантуется, т.е. ядра обладают дискретным набором энергетических состояний.

В случае нечетного числа протонов или нейтронов в ядре неспаренный нуклон может занять лишь следующий, более высокий энергетический уровень. Обладая большей энергией, ядра с нечетными Z и N (нечетно-нечетные ядра) оказываются менее стабильными.

Существует всего четыре стабильных нечетно-нечетных ядра , для которых Z = N, а нечетно-четных стабильных ядер не существует вообще.

Нечетно-четные ядра – ядра, состоящие из нечетного(четного) числа протонов и четного(нечетного) числа нейтронов.

Наиболее стабильными являются четно-четные ядра, состоящие из четного числа протонов и нейтронов.

Особой устойчивостью среди четно-четных ядер отличаются «магические» ядра – у которых число Z протонов или N нейтронов равно одному из чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа называются «магическими» Они отражают периодичность заполнения нуклонами энергетических оболочек ядра.

Максимальной устойчивостью и поэтому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра, у которых магическим является как число протонов так и число нейтронов. Например, .

У магических ядер энергия связи нуклона аномально велика по сравнению с его энергией связи в ядрах с соседними массовыми числами.

Предполагая, что нуклоны плотно упакованы в ядре с массовым числом А, можно оценить радиус R. Условно принимая радиус нуклона r₀, можно считать что объем ядра складывается из объема отдельных нуклонов:

πR³ = ( πr₀³) A

Следовательно, радиус ядра равен:

R = r₀A^1/3 .

Эксперимент показывает, что r₀ = 1.2 фм

Плотность ядерного вещества очень большая:

ρ = (порядка 10¹⁷ кг/м³)

Из ядерного вещества состоят нейтронный звезды – гигантские ядра, удерживаемые гравитационным притяжением.