Sila koja djeluje između elektrona i jezgre atoma. Nuklearne snage: nekretnine

U fizici, koncept "moć" označen je interakcijom materijalnih subjekata među sobom, uključujući interakcije dijelova tvari (makroskopska tijela, elementarne čestice) jedni s drugima i fizičkim poljima (elektromagnetski, gravitacijski). Četiri vrste interakcije u prirodi su poznate: ozbiljne, slabe, elektromagnetske i gravitacijske, a svaka odgovara njegovoj vrsti snage. Prvi od njih odgovara nuklearnim silama koje djeluju unutar atomskih jezgri.

Što ujedinjuje kernela?

Dobro je poznato da je atomska jezgra sićušna, njegova veličina za četiri do pet decimalnih naloga je manja od veličine samog atoma. U tom smislu nastaje očigledno pitanje: zašto je tako malo? Uostalom, atomi koji se sastoje od sićušnih čestica još su mnogo veće od čestica koje sadrže.

Naprotiv, jezgre nisu vrlo različite veličine od nukleona (protoni i neutrona), od kojih su napravljeni. Postoji li razlog za to ili je to nesreća?

U međuvremenu, poznato je da je to električna čvrstoća koja se drži negativno napunjene elektrone u blizini atomskih jezgri. Koja snaga ili sila drže čestice kernela zajedno? Ovaj zadatak obavljaju nuklearne snage koje su mjera jakih interakcija.

Jaka nuklearna interakcija

Ako su samo gravitacijske i električne sile u prirodi, tj. onih s kojima nailazimo svakidašnjicaAtomske jezgre, koji se sastoji od mnogih pozitivno nabijenih protona, bio bi nestabilan: električne sile, guranje protona jedni od drugih bit će mnogo milijuna većih od bilo kojeg gravitacijske snage, privlače ih jedni drugima. Nuklearne snage pružaju atrakciju još jače od električnog odbijanja, iako se samo sjena njihove prave vrijednosti očituje u strukturi kernela. Kada proučavamo strukturu protona i neutrona samih, vidimo istinske mogućnosti tog fenomena koji je poznat kao jaka nuklearna interakcija. Nuklearna energija je njezina manifestacija.

Slika pokazuje da su dvije suprotstavljene sile u kernelu električno odbijanje između pozitivno nabijenih protona i moć nuklearne interakcije, koje zajedno privlači protone (i neutrone). Ako broj protoča i neutrona nije previše drugačiji, tada druge sile su superiornije od prvog.

Protoni - analozi atoma i zrna - analozi molekula?

Između onoga što su čestice nuklearne snage? Prije svega, između nukleona (protona i neutrona) u kernelu. Na kraju, djeluju između čestica (kvarkova, gluons, antikvarki) unutar proton ili neutrona. To ne čudi kada prepoznamo da su protoni i neutroni interno složeni.

U atomu, sićušne jezgre, pa čak i manji elektroni su relativno daleko od drugih u usporedbi s njihovom veličinom, a električne sile koje ih drže u atomu su vrlo jednostavne. No, u molekulama, udaljenost između atoma je usporediva s veličinom atoma, tako da unutarnja složenost potonjeg ulazi u igru. Raznovrsna i složena situacija uzrokovana djelomičnom kompenzacijom intra-nuklearne energije, generira procese u kojima se elektroni mogu kretati iz jednog atoma na drugi. To čini fiziku molekula mnogo bogatijim i težem nego kod atoma. Slično tome, udaljenost između protona i neutrona u kernelu usporediva se s njihovim dimenzijama - i također, kao i kod molekula, svojstva nuklearnih sila koje drže jezgru zajedno, mnogo kompliciranije od jednostavne atrakcije protona i neutrona.

Nema jezgre bez neutrona, osim vodika

Poznato je da je jezgre nekih kemijski elementi Stabilni, i drugi se neprestano raspadaju, a stope brzine ovog propadanja su vrlo široke. Zašto snagu koja drži nukleence u jezgri zaustavlja? Da vidimo što možemo naučiti iz jednostavnih razmatranja o tome što su svojstva nuklearnih snaga.

Jedan od njih je da su svi zrna, s izuzetkom najčešćih izotopa vodika (koji ima samo jedan proton), sadrže neutrone; To jest, nema jezgre s nekoliko protona koji ne sadrže neutrone (vidi sliku ispod). Dakle, jasno je da neutroni igraju važnu ulogu u pomaganju protonima da se drže zajedno.

Na sl. Gore pokazuje svjetlo stabilne ili gotovo stabilne jezgre s neutronom. Potonji, poput tricija, prikazuje isprekidana linija, što ukazuje na to da se na kraju raspadaju. Ostale kombinacije s malim brojem protona i neutrona uopće ne tvore jezgru ili tvore iznimno nestabilne jezgre. Osim toga, nametnuta je u kurzivu alternativna imena, često daju neki od tih objekata; Na primjer, jezgra helij-4 se često naziva α-čestica, ime dano kada je izvorno otkriven u prvom studiju radioaktivnosti 1890. godine.

Neutronima u ulogama protona

Naprotiv, ne postoji kernel samo od neutrona bez protona; Većina laganih jezgri, kao što je kisik i silicij, imaju o istom broju neutrona i protona (slika 2). Velike jezgre s velikim masama, poput zlata i radija, imaju još nekoliko neutrona od protona.

Ovo govori o dvije stvari:

1. Ne postoje samo neutroni da se protoni drže zajedno, ali i protoni su potrebni kako bi i neutrone zadržali zajedno.

2. Ako broj protona i neutrona postane vrlo velika, električno odbijanje protona mora se kompenzirati dodavanjem nekoliko dodatnih neutrona.

Posljednja izjava je ilustrirana na slici ispod.

Navedena slika pokazuje stabilnu i gotovo stabilnu atomsku jezgru kao funkciju p (protone) i N (neutron brojevi). Linija koju prikazuju crne točkice ukazuju na stabilne kernele. Bilo koji pomak od crne linije gore ili dolje znači smanjenje života jezgri - blizu njega je život jezgri milijuna godina ili više, jer se uklanja u plavim, smeđim ili žutim područjima ( različite boje Odgovara različitim mehanizmima nuklearnog raspada) Vrijeme njihovog života postaje sve kraće, do djelića sekunde.

Imajte na umu da stabilne jezgre imaju p i n, približno jednake malom p i n, ali n postupno postaje veće od P više od jednog i pol puta. Također imamo i da je skupina stabilnih i dugovječnih nestabilnih jezgri ostaje u prilično uskoj traci za sve vrijednosti p do 82. s više, dobro poznate jezgre su u načelu nestabilne (iako milijuni godina mogu postojati ). Očigledno, zabilježeno iznad mehanizma stabilizacije protona u jezgrama zbog dodavanja neutrona za njih u ovom području nema sto posto učinkovitosti.

Kako veličina atoma ovisi o masi svojih elektrona

Kako su snage koje razmatraju utječu na strukturu atomske jezgre? Nuklearne sile utječu prvenstveno na njegovu veličinu. Zašto je jezgra tako mala u usporedbi s atomima? Da bismo saznali ovo, počnimo s najjednostavnijom jezgrom, koja ima i proton i neutron: to je drugi najčešći izotop vodika, koji sadrži jedan elektron (kao i svi izotopi vodika) i kernel iz jednog protona i jedan neutron. Ovaj izotop se često naziva "Deuterium", a njezin jezgru (vidi sliku 2) ponekad se naziva "Deuteln". Kako možemo objasniti što drži Deuteron zajedno? Pa, možete zamisliti da se ne razlikuje toliko različito od atoma običnog vodika, koji također sadrži dvije čestice (proton i elektron).

Na sl. Prikazano je gore da u atom vodika, kernel i elektron je vrlo daleko jedan od drugoga, u smislu da je atom mnogo veći od kernela (a elektron je još manje.) Ali u Deuteronu, udaljenost između protona i neutrona je usporediv s njihovom veličinom. To djelomično objašnjava zašto su nuklearne snage mnogo složenije od sila u atomu.

Poznato je da elektroni imaju malu masu u usporedbi s protonima i neutronima. Stoga slijedi to

• masa atoma je u biti blizu mase njezina kernela,
• veličina atoma (u biti veličina oblaka elektrona) je obrnuto proporcionalna masi elektrona i obrnuto proporcionalna ukupnoj elektromagnetskoj sili; Načelo nesigurnosti kvantna mehanika Igra ključnu ulogu.

I ako su nuklearne sile slične elektromagnetskom

Što je s Deuteronom? To je isto kao i atom, izrađen od dva objekta, ali su gotovo ista masa (masa neutrona i protona se razlikuju samo dijelovima od oko 1500. dijela), tako da su obje čestice jednako važne u određivanju masa Deuterona i njegove veličine. Sada pretpostavimo da nuklearna energija povuče proton u neutronu, kao i elektromagnetske sile (to nije u potpunosti, ali zamislite na trenutak); A zatim, po analogiji s vodikom, očekujemo da veličinu deuterona obrnuto proporcionalnu masu protona ili neutrona, i obrnuto proporcionalno nuklearnoj energiji. Ako je njegova vrijednost bila ista (na određenoj udaljenosti), kao što je elektromagnetska sila, to će značiti da je od protona oko 1850 puta više puta elektrona, tada Deuteron (i doista bilo jezgre) mora biti najmanje tisuću puta manje od u vodiku.

Što čini računovodstvo značajne razlike u nuklearnim i elektromagnetskim silama

Ali već smo pogodili da je nuklearna energija mnogo više elektromagnetskog (na istoj udaljenosti), jer, ako to nije slučaj, ne bi bilo u stanju spriječiti elektromagnetsko odbijanje između protona do propadanja kernela. Tako se protona i neutrona pod njegovom djelovanjem približavaju još više čvrstim. I stoga ne čudi da Deuteron i druge jezgre nisu samo tisuću, nego sto tisuća puta manje od atoma! Opet, ovo je samo zato

• protoni i neutroni su gotovo 2000 puta teže od elektrona,
• na tim udaljenostima velika nuklearna energija između protona i neutrona u kernelu je mnogo puta više od odgovarajućih elektromagnetskih sila (uključujući elektromagnetsku odbojnost između protona u jezgra.)

Ova naivna pretpostavka daje približno točan odgovor! Ali to ne odražava u potpunosti složenost interakcije između protona i neutrona. Jedan od očiglednih problema je da je sila slična elektromagnetskom, ali s većom privlačnom ili odbojnom sposobnošću, očito se očigledno manifestira u svakodnevnom životu, ali ne promatramo ništa slično. Dakle, nešto u toj sili treba se razlikovati od električnih sila.

Kratki nuklearne snage

Da se razlikuju, tako je to ono što je zadržavanje atomske jezgre na propadanju vrlo važna i velika za protone i neutrone smještene na vrlo kratkoj udaljenosti od drugih, ali na određenoj udaljenosti (tzv. "Raspon" sile ), oni padaju vrlo brzo, mnogo brže od elektromagnetskog. Raspon, također može biti veličina umjereno velike jezgre, samo nekoliko puta više od protona. Ako stavite proton i neutron na daljinu usporedivu s tom rasponu, privući će jedni druge i oblikovati Dayton; Ako ih šire duže udaljenostTeško da će uopće osjetiti nikakvu privlačnost. Zapravo, ako su preblizu jedni drugima, tako da će početi preklapanja, zapravo će se odbiti. To je složenost takvog koncepta kao nuklearne sile. Fizika se i dalje kontinuirano razvija u smjeru objašnjavanja mehanizma njihovog djelovanja.

Fizički mehanizam nuklearne interakcije

U svakom materijalnom procesu, uključujući interakciju između nukleona mora biti materijalna nosači. Oni su Quanta nuklearni polje - PI-mezons (božićnici), zbog razmjene čiji se pojavi privlačnost između nukleona.

Prema načelima kvantne mehanike, PI-mezons, tada se slučaj pojavi i odmah nestaje, oblikuju nešto poput oblaka koji se zove mezon kaput oko golog nukleona (zapamtite oblake elektrona u atomima). Kada su dva nukleona, okružena takvim krznama, ispali oko 10-15 m, razmjena ljudskih se razmijenjena kao razmjena valentnih elektrona u atomima tijekom formiranja molekula, a atrakcija se događa između nukleona.

Ako udaljenosti između nukleona postanu manje od 0,7 ° 10 -15 m, onda počinju razmjenjivati \u200b\u200bnove čestice - tzv. Ω i ρ-mezons, kao rezultat toga ne postoji atrakcija između nukleona i odbijanja.

Nuklearna energija: struktura jezgre od najjednostavnijeg do više

Sumiranje svih gore navedenih, možete napomenuti:

• jaka nuklearna interakcija mnogo je slabija od elektromagnetizma na udaljenosti, mnogo više od veličine tipične jezgre, tako da se ne suočavamo u svakodnevnom životu; ali
• na kratkim udaljenostima usporedivim s jezgrom, postaje mnogo jači - sila privlačnosti (pod uvjetom da udaljenost nije prekratka), može prevladati električno odbijanje između protona.

Dakle, ova sila bira samo na udaljenostima usporedivim s veličinama kernela. Slika u nastavku prikazuje pogled na njezinu ovisnost o udaljenosti između nukleona.

Veliki jezgri održavaju se zajedno uz pomoć manje ili više iste snage da Deutels drži zajedno, ali detalji procesa su komplicirani, tako da nisu lako opisati. Oni također nisu u potpunosti shvaćeni. Iako su glavni obrisi fizičara jezgre dobro proučavali desetljećima, mnogi važni detalji se još uvijek aktivno istražuju.

Uvod

Atom vodika je najjednostavniji u svojoj strukturi. Kao što je poznato da atom vodika ima kernel koji se sastoji od jednog protona, a jedan elektron koji se nalazi na 1s orbitalnoj. Budući da proton i elektron imaju raznovrsnu naknadu, onda moć koulona djeluje između njih. Također je poznato da atomske jezgre imaju vlastiti magnetski trenutak i stoga svoje magnetsko polje. S kretanjem nabijenih čestica na magnetskom polju, lorentzova sila djeluje na njih, koja je usmjerena okomito na vektor brzine čestica i vektora magnetskog indukcijskog. Očito je da su snage Coulomba i sile Lorentza nisu dovoljne kako bi elektron ostao na svojoj orbiti, odbijanje sile između elektrona i protona je također potrebna. Suvremeni kvantni prikazi ne daju jasan odgovor nego specifično kvantifikaciju orbitala, a time i elektronske energije u atomu su uzrokovane. Kao dio toga, razmotrit ćemo razloge za kvantizaciju i dobiti jednadžbu koja opisuje ponašanje elektrona u atomu. Dopustite mi da vas podsjetim moderne ideje Položaj elektrona u atomu opisana je od strane pobabilističke Schrödingerove jednadžbe. Također dobivamo čisto mehaničku jednadžbu, koja će pružiti priliku odrediti položaj elektrona u bilo koje vrijeme, što će pokazati neuspjeh načela Heisenberga.

Ravnoteža moći

Slika 1 prikazuje sve sile koje djeluju u atomu.

Slika 1 - Sile koje djeluju na elektron u atom vodika

Pišemo Newtonov drugi zakon za sustav snage prikazane na slici.

Pišemo sustav jednadžbi projekcija ovih sila na koordinatne osi XYZ.

(2)

Ovdje je kut kut između radijusa-vektora R (t) i XY ravnine,

kut je kut između osi X i projekcije radijusa-vektora R (t) na XY ravnini.

Svaku snagu napišemo u sustavu (2) kroz poznate formule, uzimajući u obzir njihove projekcije na osi.

Moć culon

, (3)

gdje - električna konstantna jednaka

- modul elektrona ili protonskog punjenja

- Koordinate elektrona u odabranom koordinatnom sustavu

Potencijalni gravitacijski valovi

Pročitajte više o ovoj sili, možete naučiti iz monografije

(4)

- Elektronska masa i proton, respektivno.

X. - Koeficijent proporcionalnosti je numerički jednak kvadratu brzine svjetlosti.

Kao što je poznato, Lorentz Snaga se izračunava na sljedeći način.

Vektorski produkt (5) može biti predstavljen u komponentama na osi ortogonalnog koordinatnog sustava:

(6)

U sustavu jednadžbi (6) potrebno je odrediti komponente magnetskog indukcijskog vektora .

Budući da je magnetski trenutak jezgre vodikovog atoma uzrokovan prstenom koja se kreće u njemu istinski elementarne čestice, zatim u skladu sa zakonom bio-savare-laplace dobivene za prsten s strujom, napišite komponente Vektor magnetskog indukcije:

(7)

kutak je kut kruga strujnog kruga

- Proton radijus

- trenutna snaga u krugu prstena protona

- magnetska konstanta

Kao što je poznato, centrifugalna sila djeluje na normalu na putanju kretanja tijela i ovisi o tjelesnoj težini, zakrivljenosti putanja i brzine kretanja.

- Instant zakrivljenost putanja

- Elektronska brzina u odnosu na početak koordinata

- Vektor normalno do putanja elektronskog pokreta

Instant zakrivljenost putanja određena je izrazom

- prvi i drugi derivati \u200b\u200biz radijusa-vektora na vrijeme.

Brzina elektrona je korijen kvadrata svojih projekcija na osi koordinata, što je zauzvrat prvi derivati \u200b\u200bprojekcija radijusa-vektora u vremenu.

Jedinični vektor normalno na putanju elektronskog gibanja određena je izrazom

(11)

Otkrivajući vektorsku umjetnost kroz komponente vektora na osi koordinata, snimajući radijus vektora kroz njegove komponente, zamjenjujemo izraze (9), (10) i (11) u (8), dobivamo komponente centrifugalna snaga U projekcijama na osi koordinate:

(12)

Definiranjem projekcije svih sila u sustavu jednadžbi (2), može se prepisati, s obzirom na sljedeće izraze:

Dobiveni sustav ima obrazac:

Pronađite analitičko rješenje ovog sustava nije moguće. Rješenje se može dobiti numeričkim metodama rješavanja sustava. diferencijalne jednadžbe druga narudžba. Rješenje se daje u videoisječak ispod.

Energetska razina elektrona određena je cijelim brojem rezonantnih stalnih valova (miješanje odlazaka iza elektrona) koje proizlaze iz putanja elektronskog pokreta. Ako energija fotona koja apsorbira elektron odgovara energiji potrebnoj za formiranje cijele količine stalnih valova, ponavlja se elektronski pokret u njima, što ih čini rezonantnim, time zadržao foton s elektronom određenog vremena i promatramo Slika apsorpcije fotona elektrona, a zatim njegovo zračenje. Fotoni čija energija ne dovodi do pojave cijelog paljenja putanja elektrona kretanja, nisu zarobljeni, jer Rezonantni val se ne formira, a slike apsorpcijskog zračenja se ne uočavaju.

Unutar Zakona o kernelu:

1) električne snage odbijanja između protona i

2) nuklearne sile između nukleona (odbijanja - na malim i atrakcijama - na velikim udaljenostima).

Utvrđeno je da su nuklearne snage iste za jezgre obje sorte. Nuklearna atrakcija između protona značajno prelazi električno odbijanje, kao rezultat kojih se proton čvrsto drži kao dio kernela.

Kernel je okružen potencijalnom barijerom zbog nuklearnih snaga. Izlaz iz kernela nukleona i sustava nukleona (na primjer, alfa čestice) moguće je ili pomoću "efekta tunela" ili kada se energija dobije izvana. U prvom slučaju postoji spontano radioaktivno propadanje kernela, u drugom - prisilnom nuklearna reakcija, Oba procesa omogućuju vam da napravite neke prosudbe o veličinama kernela. Vrijedne informacije o duljini potencijalne barijere oko jezgre dobivene su pri proučavanju raspršenja jezgrama različitih čestica bombardiranja - elektrona, protona, neutrona itd.

Istraživanja su pokazala da se nuklearne sile privlačnosti između nukleona vrlo brzo smanjuju s povećanjem udaljenosti između njih. Prosječni radijus djelovanja nuklearnih sila, koji se mogu tumačiti na isti način kao i neke uvjetne ("učinkovite") veličine jezgre, na temelju eksperimentalnih podataka izražena je procijenjenom formulom

Ako vjerujete da se zrna s velikim brojem nukleona sastoje se od jezgre, gdje su čestice ravnomjerno raspoređene u volumenu, a sferna ljuska u kojoj se gustoća čestica smanjuje na jezgru granice na nulu, zatim u ovom slučaju

Ove formule pokazuju da je "učinkovit" volumen jezgre izravno proporcionalan broj nukleona, stoga su nukleni u svim jezgrama pakirane u prosjeku s gotovo istom gustoćom.

Gustoća jezgri je vrlo visoka; Na primjer, jezgra s masom radijusa

Stanje nukleona na različitim mjestima unutar jezgre može se karakterizirati energijom energije koja treba biti expeked da izvuče ovu nukleona iz kernela. To se zove obvezujuća energija ove jezgre u kernelu. Općenito, ova energija je različita za protone i neutrone i može ovisiti o tome kako se ta nukleona nalazi u jezgri.

Interakcija nukleona u kernelu može se usporediti sa sličnom interakcijom atoma u kristalne rešetke Metali, gdje

električni telefoni kao "Prijenos interakcije" igraju značajnu ulogu.

Razlika leži u činjenici da je u jezgrama "interakcijski odašiljači" između nukleona teže čestice - Py-mezons (ili bolnici), čija je masa 273 puta 273 puta više masa Elektron. Vjeruje se da se nukleni kontinuirano stvaraju i apsorbiraju PI-mezon u skladu s shemom

dakle, svaka jezgra je okružena oblakom virtualnih PI-mezonsa. Unutar jezgre, gdje se čestice nalaze na relativno niskim udaljenosti jedni od drugih, PI-mezon oblak je aktivno uključen u nuklearne procese, uzrokovane interakcijom i međusobnim transformacijama nukleona.

Sve na svijetu, na primjer, ljudi, knjige, zvijezde, sastoji se od atoma. Promjer srednjeg atoma je osam milijardi inča (1 inča jednak 2,54 centimetra). Očito zamisliti koliko je mala ta vrijednost, recimo da je debljina stranice 500.000 atoma.

U svakom takav sićušni atom postoji kernel koji se sastoji od međusobno povezanih protona i neutrona. Oko kernela se rotira u svojim elektronima orbita. Oni se okreću oko kernela poput planeta oko sunca.

Od čega su atomi?

Atomi se stoga sastoje od čestica: protona, neutrona i elektrona. Te čestice se drže zajedno elektromagnetskim silama. Elektromagnetska sila jedna je od četiri glavne sile koje djeluju u svemiru. Negativno napunjeni elektroni privlače pozitivno nabijene protone atomske jezgre. Stoga se elektroni stalno okreću u svojim orbitama. Ista elektromagnetska sila čini svjetlucanje svjetla.

Još jedna snaga je snaga gravitacije. Ona privlači materijalne objekte jedni drugima i izravno je proporcionalan svojim masama. Ova moć drži planet u orbitama i čini pad na pod slikom zida. Sila gravitacije je vidljiva od elektromagnetskog, ali potonji je mnogo jači. Električne sile privlačnosti i odbojnosti između nabijenih čestica u atomu su ogroman broj većih od sile između njih.

Snage unutarnje interakcije

U jezgri atoma postoje sile koje se nazivaju sile unutarnje interakcije. Te sile su zdrobljene protone i neutroni atomske jezgre u gustoj kugli. Četvrti tip snage su slabo sile unutarnje interakcije. Oni su doista vrlo slabi i postaju vidljivi samo u procesu radioaktivne razgradnje kernela u emisiji elementarnih čestica.