Силата, действаща между електрона и ядрото на атома. Ядрени сили: свойства

По физиката концепцията за "сила" се обозначава с взаимодействието на материалните субекти помежду си, включително взаимодействията на частите на веществото (макроскопични тела, елементарни частици) помежду си и с физически полета (електромагнитни, гравитационни). Известни са четири вида взаимодействия в природата: тежки, слаби, електромагнитни и гравитационни и всяка съответства на нейния вид сила. Първият от тях съответства на ядрените сили, действащи вътре в атомните ядра.

Какво обединява ядките?

Добре известно е, че атомното ядро \u200b\u200bе малка, нейният размер за четири до пет десетични заповеди е по-малък от размера на самия атом. В това отношение възниква очевиден въпрос: защо е толкова малък? В крайна сметка, атомите, състоящи се от малки частици, все още са много по-големи от частиците, които съдържат.

Напротив, ядрата не се различават по размер от нуклените (протони и неутрони), от които те са направени. Има ли причина за това или е инцидент?

Междувременно е известно, че това е електрическата сила, която държи отрицателно заредени електрони близо до атомните ядра. Каква сила или сила държат частиците на ядрото заедно? Тази задача се извършва от ядрени сили, които са мярка за силни взаимодействия.

Силно ядрено взаимодействие

Ако само гравитационни и електрически сили са в природата, т.е. тези, с които се намираме ежедневиетоАтомните ядра, състоящи се от много положително заредени протони, би било нестабилно: електрическите сили, тласкащи протони един от друг ще бъдат много милиони пъти по-силни от всеки гравитационни сили, привличайки ги един към друг. Ядрените сили осигуряват привличане още по-силно от електрическото отблъскване, въпреки че само сянката на истинската им стойност се проявява в структурата на ядрото. Когато изучаваме структурата на протоните и самите неутрони, виждаме истинските възможности на това явление, което е известно като силно ядрено взаимодействие. Ядрената енергия е нейното проявление.

Горната фигура показва, че две противоположни сили в ядрото са електрическото отблъскване между положително заредени протони и силата на ядреното взаимодействие, което привлича протони (и неутрони) заедно. Ако броят на протоните и неутроните не е твърде различен, тогава вторият сили са по-добри от първия.

Протони - аналози на атоми и ядки - аналози на молекули?

Между това, което частиците са ядрените сили? На първо място, между нуклените (протони и неутрони) в ядрото. В крайна сметка те действат между частици (кварки, глюони, антикварки) вътре в протона или неутрон. Това не е изненадващо, когато разпознаваме, че протоните и неутроните са вътрешно сложни.

В атома малките ядра и дори по-малките електрони са относително далеч един от друг в сравнение с техния размер, а електрическите сили, които ги държат в атома, са доста прости. Но в молекулите разстоянието между атомите е сравнимо с размера на атомите, така че вътрешната сложност на последната влиза в играта. Разнообразна и сложна ситуация, причинена от частична компенсация на интраатолената енергия, генерира процеси, при които електроните могат да се движат от един атом в друг. Това прави физиката на молекулите много по-богати и по-трудни, отколкото при атомите. По същия начин разстоянието между протони и неутрони в ядрото е сравнимо с техните размери - а също така, както и с молекулите, свойствата на ядрените сили, държащи ядрото заедно, много по-сложно от простото привличане на протони и неутрони.

Няма ядро \u200b\u200bбез неутрон, с изключение на водород

Известно е, че ядрата на някои химически елементи Стабилни, а други те непрекъснато се разпадат, а скоростите на скоростите на това разпад са много широки. Защо силата, която държи нуклените в ядрата спира? Нека видим какво можем да научим от прости съображения за това какви са свойствата на ядрените сили.

Един от тях е, че всички ядки, с изключение на най-често използвания водороден изотоп (който има само един протон), съдържат неутрони; Това означава, че няма ядро \u200b\u200bс няколко протони, които не съдържат неутрони (виж фиг. По-долу). Така че е ясно, че неутроните играят важна роля в подпомагането на протоните, за да се държат заедно.

На фиг. По-горе показва леки стабилни или почти стабилни ядра с неутрон. Последният, подобен на тритий, е показан от пунктирана линия, което показва, че те в крайна сметка се разпадат. Други комбинации с малък брой протони и неутрони изобщо не образуват ядрата или образуват изключително нестабилни ядра. В допълнение, тя се налага в курсивни алтернативни имена, често дадени от някои от тези обекти; Например, хелий-4 ядрото често се нарича а-частица, името, дадено на него, когато първоначално е било открито в първите проучвания на радиоактивността през 1890 г.

Неутрони в ролите на протоните

Напротив, няма ядро, направено само от неутрони без протони; Повечето леки ядра, като кислород и силиций, имат около същия брой неутрони и протони (фигура 2). Големите ядра с големи маси, като злато и радий, имат още няколко неутрона от протоните.

Това говори за две неща:

1. Необходими са не само неутрони, които протоните се запазват заедно, но и протоните са необходими, за да запазят неутроните.

2. Ако броят на протоните и неутроните стане много голям, електрическото отблъскване на протони трябва да бъде компенсирано чрез добавяне на няколко допълнителни неутрона.

Последното изявление е илюстрирано на фигурата по-долу.

Фигурата по-горе показва стабилна и почти стабилна атомна ядра като функция p (протони) и n (неутронни номера). Линията, показана от черни точки, показва стабилни ядки. Всяка промяна от черната линия нагоре или надолу означава намаляване на живота на ядрата - близо до нея е животът на ядрата от милиони години или повече, тъй като премахва вътре със сини, кафяви или жълти региони ( различни цветове Съответства на различни механизми на ядреното разпад) времето на техния живот става по-кратко, до част от секундата.

Моля, обърнете внимание, че стабилните ядра имат P и N, приблизително равен на малък P и N, но n постепенно става по-голям от P повече от един и половина пъти. Отбелязваме също така, че групата на стабилни и дълготрайни нестабилни ядра остават в доста тясна ивица за всички стойности на Р до 82. С повече известните ядки по принцип са нестабилни (въпреки че могат да съществуват милиони години ). Очевидно, отбелязано над механизма на стабилизиране на протони в ядра поради добавянето на неутрони към тях в тази област няма сто процента ефективност.

Тъй като размерът на атома зависи от масата на нейните електрони

Как разглежданите сили влияят върху структурата на атомното ядро? Ядрените сили влияят предимно върху неговия размер. Защо ядрото е толкова малко в сравнение с атомите? За да разберете това, да започнем с най-простото ядро, което има както протон, така и неутрон: това е вторият най-често изобен изотоп, атомът съдържа един електрон (като всички водородни изотопи) и ядрото от един протон и един неутрон. Този изотоп често се нарича "Deuterium", а ядрото му (виж фигура 2) понякога се нарича "Deuteron". Как можем да обясним какво държи Deuteron заедно? Е, можете да си представите, че тя не е толкова различна от атома на обикновен водород, който също съдържа два частици (протон и електрон).

На фиг. По-горе е показано, че в водородния атом ядрото и електронът са много далеч един от друг, в смисъл, че атомът е много по-голям от ядрото (и електронът е още по-малко.), Но в Deuteron, разстоянието между протона и неутронът е сравним с техния размер. Това отчасти обяснява защо ядрените сили са много по-сложни от силите в атома.

Известно е, че електроните имат малка маса в сравнение с протони и неутрони. Следователно следва това

• масата на атома е по същество близо до масата на ядрото си,
• размерът на атома (по същество размерът на облака на електрона) е обратно пропорционален на масата на електроните и обратно пропорционална на общата електромагнитна сила; Принцип на несигурност квантова механика Играе решаваща роля.

И ако ядрените сили са подобни на електромагнитните

Какво ще кажете за Deuteron? Той е същият като атома, изработен от два обекта, но те са почти същата маса (масата на неутрон и протонът се различават само от части от около една 1500-та част), така че двата частици са еднакво важни при определянето на маса на Deuteron и неговия размер. Сега да предположим, че ядрената енергия дърпа протона до неутрон, както и електромагнитни сили (това не е изцяло, но си представете за момент); И тогава, по аналогия с водород, очакваме размера на деутерон обратно пропорционална маса на протона или неутрон и обратно пропорционална на ядрената енергия. Ако стойността му е една и съща (на определено разстояние), като електромагнитната сила, това ще означава, че тъй като протонът е около 1850 пъти електрона, тогава Deuteron (и наистина всяко ядро) трябва да бъде поне хиляда пъти по-малко от в водород.

Какво прави отчитането на значителна разлика в ядрените и електромагнитните сили

Но ние вече предположихме, че ядрената енергия е много по-електромагнитна (на същото разстояние), защото, ако това не е така, не би било в състояние да предотврати електромагнитното отблъскване между протоните до гниенето на ядрото. Така протонът и неутрон под неговото действие се приближаваха още по-стегнати. И затова не е изненадващо, че Deuteron и други ядра не са само хиляда, а сто хиляди пъти по-малко от атомите! Отново, това е само защото

• протоните и неутроните са почти 2000 пъти по-трудни от електроните,
• на тези разстояния голямата ядрена енергия между протоните и неутроните в ядрото е многократно повече от съответните електромагнитни сили (включително електромагнитно отблъскване между протоните в ядрото.)

Това наивно предположение дава приблизително правилния отговор! Но това не отразява напълно сложността на взаимодействието между протона и неутрон. Един от очевидните проблеми е, че силата, подобна на електромагнитната, но с по-голяма привличане или отблъскваща способност, очевидно трябва да се прояви в ежедневието, но ние не наблюдаваме нещо подобно. Така че нещо в тази сила трябва да се различава от електрическите сили.

Кратка обхват на ядрената енергия

Че те се отличават, така че това е, което атомното задържане на ядрото на разпад е много важно и голямо за протони и неутрони, разположени на много кратко разстояние един от друг, но на определено разстояние (т.нар. "Обхват" на силата ), те падат много бързо, много по-бързо от електромагнитното. Обхватът, той може също да бъде размерът на умерено голямо ядро, само няколко пъти повече от протона. Ако поставите протона и неутрон на разстояние, сравним с този диапазон, те ще привлекат един друг и ще се привличат и ще образуват Дейтън; Ако ги разпространят по-дълъг разстояниеТе едва ли ще почувстват никакво привличане. Всъщност, ако са твърде близо един до друг, така че да започнат припокриване, те действително ще се отблъснат. Това е сложността на такава концепция като ядрени сили. Физиката продължава непрекъснато да се развива в посоката на обяснение на механизма на тяхното действие.

Физически механизъм за ядрено взаимодействие

Във всеки материал, включително взаимодействието между нуклените трябва да бъдат материални носители. Те са ядрено поле Quanta - Pi-Mesons (божури), поради обмена, на която се случва привличането между нуклените.

Според принципите на квантовата механика, пи-мезоните, тогава случаят възниква и веднага изчезва, образува нещо като облак, наречен мезонското палто около гола нуклеон (запомнете силовите облаци в атомите). Когато два нуклеон, заобиколен от такива кожени палта, се оказва около 10 -15 м, обменът на божури се обменя като обмен на валентни електрони в атомите по време на образуването на молекули и възниква привличането между нуклените.

Ако разстоянията между нуклеоните стават по-малко от 0,7 ∙ 10 -15 m, тогава те започват да обменят нови частици - така наречените. Ω и ρ-мезони, в резултат на което няма привличане между нуклените и отблъскване.

Ядрена енергия: структурата на ядрото от най-простите за повече

Обобщавайки всичко по-горе, можете да отбележите:

• силното ядрено взаимодействие е много по-слабо от електромагнетизма на разстояния, много повече от размера на типичното ядро, така че ние не се сблъскваме с това в ежедневието; но
• на къси разстояния, сравними с ядрото, тя става много по-силна - силата на привличането (при условие, че разстоянието не е твърде кратко), може да преодолее електрическото отблъскване между протоните.

Така че тази сила има значение само на разстояния, сравними с размерите на ядрото. Фигура по-долу показва изгледа на зависимостта му от разстоянието между нуклените.

Големите ядки се държат заедно с помощта на повече или по-малко същата сила, която Deuteron се държи заедно, но подробностите на процеса са сложни, така че те не са лесни за описание. Те също не са напълно разбрани. Въпреки че основните очертания на физиците на ядрото бяха добре проучени от десетилетия, много важни детайли все още са активно изследвани.

Въведение

Водородният атом е най-простата в нейната структура. Както е известно на водородния атом, има ядро, състоящо се от един протон и един електрон, разположен на 1S орбитал. Тъй като протонът и електронът имат разнообразна такса, тогава силата на Кулон действа между тях. Известно е също, че атомните ядра имат свой собствен магнитен момент и следователно собственото му магнитно поле. При движението на заредени частици в магнитното поле, силата на Lorentz действа върху тях, което е насочено перпендикулярно на вектора на скоростта на частиците и вектора на магнитния индукцията. Очевидно е, че силите на кулона и силите на Лоренц не са достатъчни, за да остане на електрона на орбитата си, а на отблъскващата сила между електрона и протона също е необходима. Съвременните квантови представителства не дават ясен отговор, отколкото конкретно определянето на орбиталите и следователно са причинени енергийните енергии в атома. Като част от това, ние ще разгледаме причините за квантуване и ще получим уравнението, описващо поведението на електрона в атома. Позволете ми да ви напомня това модерни идеи Позицията на електрона в атома е описана от вероятностното уравнение на Schrödinger. Ние също така получаваме чисто механично уравнение, което ще даде възможност да определи позицията на електрона по всяко време, което ще покаже провала на принципа на Хайзенберг.

Баланс на властта

Фигура 1 показва всички сили, които действат в атома.

Фигура 1 - сили, действащи върху електрон в водороден атом

Пишем втория закон на Newton за силната система, показана на фигурата.

Ние пишем система от уравнения на прогнозите на тези сили върху XYZ координатните оси.

(2)

Тук ъгълът е ъгълът между радиуса-вектора r (t) и xy равнината,

ъгълът е ъгълът между осната ос и проекцията на радиуса-вектор R (t) върху равнината на XY.

Пишаме всяка мощност в системата (2) чрез известни формули, като се вземат предвид прогнозите им на оста.

Силата на Кулон

, (3)

където - електрическа константа е равна

- модул за електронна или протонна такса

- електрон координати в избраната координатна система

Потенциални гравитационни вълни

Прочетете повече за тази сила, можете да научите от монографията

(4)

- съответно електронни маси и протон.

Х. - коефициентът на пропорционалност е числено равен на квадрата на скоростта на светлината.

Както е известно, Lorentz Power се изчислява, както следва.

Векторният продукт (5) може да бъде представен в компонентите на оста на ортогоналната координатна система:

(6)

В системата на уравнения (6) е необходимо да се определят компонентите на вектора на магнитния индукцията .

Тъй като магнитният момент на ядрото на водородния атом е причинен от пръстенния ток, който се движи в него чрез наистина елементарни частици, след това в съответствие със закона на биоапара-лапласа, получен за пръстена с ток, пишете компонентите на. \\ T Магнитно индукционен вектор:

(7)

ъгълът е ъгъл на верига верига

- Радиус протон

- Текуща сила в пръстенната верига на протона

- Магнитна константа

Както е известно, центробежната сила действа върху нормалната до траекторията на движението на тялото и зависи от телесното тегло, кривината на траекторията и скоростта на движение.

- незабавна кривина на траекторията

- скорост на електронната стойност спрямо началото на координатите

- вектор нормален до траектория на движението на електрон

Незабавната кривина на траекторията се определя от изразяването

- първото и второто деривати от радиуса-вектора във времето.

Скоростта на електрона е коренът на квадратите на своите прогнози на оста на координатите, което от своя страна са първите производни на прогнозите на радиуса-вектора във времето.

Единица вектор нормален към траекторията на електронното движение се определя от изразяването

(11)

Разкриване на векторно изкуство чрез компонентите на вектора на оста на координатите, записване на радиуса на вектора чрез неговите компоненти, ние заместваме изрази (9), (10) и (11) в (8), получаваме компонентите центробежна власт В прогнозите на оста на координатите:

(12)

Чрез определяне на проекцията на всички сили в системата на уравнения (2), тя може да бъде пренаписана, като се има предвид следните изрази:

Получената система има формата:

Намерете аналитично решение на тази система не е възможно. Разтворът може да бъде получен чрез цифрови методи за решаване на системи. диференциални уравнения втора поръчка. Решението се дава във видеоклипа по-долу.

Нивата на енергия на електрон се определят от цял \u200b\u200bброй резонансни стоящи вълни (смесване на заминаването зад електрона), произтичащи от траекторията на електронното движение. Ако енергията на фотона, погълната от електрона съответства на енергията, необходима за формиране на цялото количество стоящи вълни, движението на електронното движение в тях се повтаря, което ги прави резонансен, като по този начин се запази фотона с електрон от определено време и наблюдаваме снимка на абсорбцията на фотонна електронна и след това нейната радиация. Фотоните, чиято енергия не води до появата на цяла петна от траекторията на електронното движение, не са заловени, защото Не се образува резонансна вълна и не се наблюдават картините на абсорбционното лъчение.

Вътре в ядрото:

1) електрически отблъскващи сили между протони и

2) Ядрените сили между нуклеоните (отблъскване - на малки и привличане - на големи разстояния).

Установено е, че ядрените сили са еднакви за нуклените на двата сорта. Ядрената атракция между протоните значително надвишава електрическото отблъскване, в резултат на което протонът е твърдо държан като част от ядрото.

Ядрото е заобиколено от потенциална бариера поради ядрените сили. Изходът от ядрото на нуклеацията и системата на нуклените (например алфа частици) е възможно или чрез "тунелен ефект" или когато енергията се получава отвън. В първия случай има спонтанно радиоактивно разпадане на ядрото, на второто - принудено ядрена реакция. И двата процеса ви позволяват да направите някои преценки за размерите на ядрото. Ценна информация за дължината на потенциалната бариера около ядрата се получава при изучаване на разсейването чрез ядра на различни бомбардировки - електрони, протони, неутрони и др.

Проучванията показват, че ядрените сили на привличане между нуклените много бързо намаляват с увеличаване между тях. Средният радиус на действията на ядрените сили, който може да се тълкува по същия начин, както някои условни ("ефективно") размер на ядрото, въз основа на експериментални данни, се изразява от прогнозната формула

Ако вярвате, че ядките с голям брой нуклеони се състоят от ядро, където частиците са равномерно разпределени в обем, и сферичната обвивка, при която плътността на частиците намалява до границите на сърцевината до нула, след това в този случай

Тези формули показват, че "ефективният" обемът на ядрото е пряко пропорционален на броя на нуклените, затова нуклените във всички ядра са опаковани средно с почти същата плътност.

Плътността на ядрата е много висока; Например, ядрото с маса от радиус

Състоянието на нуклеона на различни места в ядрото може да се характеризира с енергията на енергията, която трябва да бъде изгонена, за да извлече този нуклеон от ядрото. Тя се нарича обвързваща енергия на този нуклеон в ядрото. Като цяло, тази енергия е различна за протони и неутрони и може да зависи от това как този нуклеон се съдържа в ядрото.

Взаимодействието на нуклеоните в ядрото може да бъде сравнено със сходно взаимодействие на атомите в кристални решетки Метали, където

електрическите телефони като "предаващи взаимодействия" играят важна роля.

Разликата се крие във факта, че в ядрата на "предавателите на взаимодействията" между нуклените са по-тежки частици - PY-мезони (или божури), чиято маса е 273 пъти още маси Електрон. Смята се, че нуклеоните непрекъснато генерират и абсорбират Pi-мезони съгласно схемата

така че всеки нуклеон е заобиколен от облак от виртуални Pi-мезони. Вътре в ядрото, където частиците са разположени на относително ниски разстояния един от друг, облакът Pi-Meson активно участва в ядрените процеси, причинени от взаимодействието и взаимните трансформации на нуклените.

Всичко в света, например, хора, книги, звезди, се състои от атоми. Диаметърът на средния атом е осем милиарда инча (1 инч, равен на 2,54 сантиметра). За да си представите ясно колко малка е тази стойност, нека кажем, че дебелината на страницата е 500 000 атома.

Във всеки такъв малък атом има ядро, състоящо се от взаимосвързани протони и неутрони. Около ядрото се завърта в техните орбити електрони. Те се въртят около ядрото точно като планетите около слънцето.

От какво са атомите?

Следователно атомите се състоят от частици: протони, неутрони и електрони. Тези частици се държат заедно чрез електромагнитни сили. Електромагнитната сила е една от четирите основни сили, работещи във вселената. Отрицателно заредените електрони са привлечени от положително заредените протони на атомното ядро. Ето защо, електроните непрекъснато се въртят в орбитите си. Същата електромагнитна сила прави светкавицата на блясъка.

Друга сила е силата на гравитацията. Той привлича отделни обекти един към друг и е пряко пропорционален на техните маси. Тази сила запазва планетата в орбитите и прави падането на пода с картина на стената. Силата на тежестта е по-забележима от електромагнитната, но последната е много по-силна. Електрическите сили на привличане и отблъскване между заредените частици в атома са огромен брой пъти по-големи от силата между тях.

Силките на вътрешно взаимодействие

В ядрото на атома има сили, наречени от силите на вътрешно взаимодействие. Тези сили са смачкани протони и неутрони на атомното ядро \u200b\u200bв гъста топка. Четвъртият тип сила е слабите сили на вътрешно взаимодействие. Те са наистина много слаби и стават забележими само в процеса на радиоактивното разлагане на ядрото в емисиите на елементарни частици.