ФІЗИКА
Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК
Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
17.7. Моделі ядра атома
У реальному фізичному світі зв’язки між явищами і предметами настільки різноманітні, що охопити їх усі неможливо не лише в практичному, а й у теоретичному принциповому розумінні. Теоретичне розуміння зумовлене невичерпністю властивостей матерії. Тому при побудові моделей беруть до уваги тільки істотні для певного кола явищ властивості і зв’язки. Вилучення всього неістотного для певного явища є найважливішим
Урахування лише істотних факторів зводиться до абстрагування від реальної ситуації і побудови моделі в межах прийнятих абстракцій. Моделі, які використовують, є наближеними. їх справедливість може бути гарантована лише в межах придатності використовуваних абстракцій. За цими межами модель може бути непридатною і навіть безглуздою. Тому на кожному етапі фізичного дослідження важливо розуміти, чому застосовується саме та модель, а не інша. Слід зазначити, що один і той самий фізичний об’єкт у різних ситуаціях можна описувати різними моделями.
Здатність
Поява моделі рідкої краплини Вейцзекера належить до періоду, коли вже були відомі значення мас для досить великої кількості атомних ядер, що дало змогу перевірити її придатність для досить широкого діапазону мас.
Одним із вдалих застосувань цієї моделі було пояснення на її основі процесу поділу атомних ядер Н. Бором та Дж. Уілером і незалежно від них Я. І. Френкелем. Процес поділу атомних ядер вони розглядали як розрив електрично зарядженої краплини на дві краплини меншого розміру.
Значний крок уперед у з’ясуванні будови ядер було зроблено внаслідок обчислення енергії зв’язку ядер, тобто енергії, яка потрібна для повного їх розщеплення на складові частинки. Важливий висновок з цих обчислень полягає в тому, що енергія зв’язку, яка припадає на одну внутрішньоядерну частинку, майже однакова для всіх ядер. Для не дуже легких і не дуже важких ядер вона становить близько 8 МеВ на один нуклон. Радіус дії ядерних сил дуже малий, тому кожний нуклон взаємодіє практично тільки зі своїми найближчими сусідами. Ці та інші факти дали змогу прирівняти ядро атома до краплини рідини, в якій частинки також взаємодіють тільки з найближчими сусідами. Тлумачення атомних ядер як краплин нейтронно-протонної рідини виправдано насамперед тим, що густина “ядерної речовини” приблизно однакова для всіх елементів. Справді, емпіричний вираз для ядерних радіусів, який підтверджується результатами багатьох дослідів і який ми вже наводили (
Де r0 = 1,5 10-15 м), показує, що всі ядра мають майже однакову густину:
Де Мя – маса ядра; Rя = r0А1/3 – радіус ядра; mн = 1,67 ∙ 10-27 кг.
Для будь-якої рідини характерно, що енергія міжмолекулярного зв’язку, розрахована на одну частинку, майже не залежить від розмірів краплини, якщо тільки краплина не дуже мала. Це також властиве і ядрам: енергія внутрішньоядерного зв’язку на один нуклон для всіх не дуже легких ядер мало відрізняється. Для всіх звичайних рідин радіус дії міжмолекулярних сил за порядком величини близький до середньої відстані між частинками.
Радіус дії внутрішньоядерних сил близький до відстані між нуклонами: внутрішньоядерні сили виявляють свою дію тільки на відстанях, менших за 10-15 м. Нарешті, для частинок звичайних рідин властива велика рухливість, незважаючи на їхнє компактне розміщення.
Так само і в атомних ядрах, незважаючи на їхню велику густину, нуклони повною мірою зберігають свою рухливість. Прирівнюючи атомні ядра до краплин нейтронно-протонної рідини, процес викидання із ядра частинок при ядерних перетвореннях можна розглядати як явище, аналогічне випаровуванню молекул із краплини рідини.
Проте, незважаючи на ці аналогії, слід пам’ятати, що ядерні і молекулярні явища є принципово різними. Так, сили молекулярної взаємодії за своєю фізичною природою є силами електромагнітної взаємодії, тоді як ядерні сили – специфічні сили, які не можна зарахувати до електромагнітних. На відміну від звичайної рідини “ядерна рідина” є сумішшю двох “рідин”: протонної і нейтронної. При цьому рух молекул у рідині можна описати в межах класичних уявлень, а рух нуклонів у ядрі має квантовий характер. Незважаючи на цю принципову відмінність молекулярних і ядерних явищ, деякі ядерні процеси і властивості пояснено аналогічно динаміці рідкої краплини. Одержані результати в багатьох випадках добре узгоджуються з дослідом.
У 1939 р. Н. Бор, спираючись на краплинну модель, створив теорію поділу ядер під впливом нейтронів. Нейтрон не має заряду і тому, безперешкодно входячи в ядро, віддає йому свою енергію. Таку передачу енергії можна розглядати як інтенсивне нагрівання краплини. При цьому ядро переходить у збуджений стан. На думку Н. Бора, перша стадія зіткнення частинки з ядром полягає у виникненні проміжного ядра, утвореного початковим ядром і частинкою, яка з ним зіткнулась. Це проміжне ядро, як правило, є нестійким, напівстабільним. Під впливом енергії нейтрона проміжне ядро – краплина електрично зарядженої ядерної рідини – починає пульсувати і розривається на дві приблизно однакові частини.
Випромінювання а-частинок при природній радіоактивності можна розглядати як відокремлення краплинки нейтронно-протонної рідини від більш великої краплини; α-частини, що вилітають, не містяться як відокремлені частинки в ядрі, вони формуються при радіоактивному перетворенні. Це формування α-частинки, її “випаровування” або відрив від поверхні ядра призводять до зменшення його енергії. Однак відриву α-частинки від ядра перешкоджає енергетичний бар’єр, створюваний підвищеними значеннями енергії проміжних станів, які передують відокремленню α-частинки від ядра. Висотою цього бар’єра і невеликою ймовірністю проникнення α-частинки через нього пояснюється величезний півперіод α-розпаду для урану (4,5 ∙ 109 років).
Отже, краплинна модель ядра дала змогу пояснити багато встановлених явищ.
Подальші експерименти в галузі вивчення властивостей ядер привели до відкриттів, які не можна пояснити краплинною моделлю. Існують факти, які навіть суперечать їй. Одним із таких фактів є виявлена періодичність у властивостях атомних ядер, яка виражена, щоправда, не настільки чітко, як у атомах, проте може розглядатись як доказ існування ядерних оболонок і певної періодичності у забудові їх.
Окремі здогадки про існування в ядрах оболонок протонів і електронів висловлені в 1924-1928 рр., ще до відкриття нейтронів. Щоправда, аналогія нуклонних оболонок у ядрі й електронних оболонок в атомі є суто зовнішньою. Справді, електрони в атомі рухаються в електричному полі ядра і сусідніх електронів, яке можна розглядати як центральне кулонівське поле. Нуклони ж у ядрі рухаються в ядерному полі, яке має нецентральний характер.
Оболонкова модель ядра деякою мірою протилежна краплинній. За краплинною моделлю, нуклони в ядрі рухаються хаотично, зазнають частих зіткнень і не можуть тривалий час перебувати в певних енергетичних станах. За оболонковою ж моделлю, нуклони рухаються майже незалежно. При цьому вони перебувають у певних енергетичних станах.
Ідея про ядерні оболонки грунтується на тому, що нуклонам властиві механічний і магнітний моменти. До того ж атомні ядра можуть перебувати у збуджених станах і при переході в основний стан випромінюють γ-кванти. Це дає підставу говорити про енергетичні стани нуклонів у атомних ядрах і ввести для характеристики цих станів квантові числа – головне nя і орбітальне lя. Отже, подібно до електронів у атомі, нуклони в ядрах утворюють оболонки і підоболонки. При цьому модель передбачає наявність у ядрі двох систем нуклонних станів: одна – для протонів, друга – для нейтронів, які заповнюються незалежно одна від одної. Слід чекати, що ядра із заповненими нуклонними оболонками, подібно до атомів із заповненими електронними оболонками, характеризуватимуться підвищеною стійкістю. Це передбачення в моделі ядерних оболонок узгоджується із установленими на досліді фактами. Так, аналіз властивостей відомих ядер показав, що найстійкішими є ядра, в яких числа протонів або нейтронів дорівнюють 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 і 152 (цифри 126 і 152 належать лише до нейтронів). Ці числа назвали магічними.
Було зроблено спробу дістати магічні числа, виходячи з уявлень про оболонкову модель ядра. При цьому спочатку виходили з повної аналогії між електронами в атомі й нуклонами в ядрі. Тоді стан нуклона в ядрі характеризуватиметься четвіркою квантових чисел nя, lя, mя, sя (головне, орбітальне, магнітне, спінове; індекс “я” означає ядро), а число нуклонів у заповненій оболонці розраховуватиметься за формулою 2nя2. Знаючи числа нуклонів у заповнених оболонках, що відповідають різним значенням головного квантового числа nя, неважко визначити і сумарні числа нуклонів у таких ядрах. Такі обчислення було проведено. При цьому дістали значення, що не завжди збігаються з магічними числами. Пізніше розрахунки, проведені М. Гепперт-Майєр на основі оболонкової моделі ядра з урахуванням спінорбітального зв’язку (залежності ядерної взаємодії від взаємної орієнтації спіну і орбітального моменту руху нуклона), привели до результатів, що підтверджуються дослідом.
Атомні ядра, в яких число протонів або число нейтронів збігається з одним із магічних чисел, називають магічними ядрами. Найбільш стійкими є двічі магічні ядра, в яких і числа нейтронів, і числа протонів відповідають магічному числу. Є ядра, для яких магічні числа нейтронів і протонів збігаються: 24Не (2 нейтрони і 2 протони), 168O (8 протонів і 8 нейтронів), 4020Ca (20 протонів і 20 нейтронів).
На відміну від краплинної моделі, яка переважно застосовується для збуджених станів атомних ядер, оболонкова модель справедлива для основного або мало збуджених станів ядер. Фізичною основою оболонкової моделі є принцип Паулі, адже в основному стані всі найнижчі рівні зайняті, тому жодний нуклон не може віддати енергію (бо нікуди переходити), але здатний дістати її і перейти на будь – який вищий енергетичний рівень.
Крім краплинної і оболонкової існує ще кілька моделей атомних ядер, за допомогою яких можна описати різні властивості ядер. Однак оболонкова модель дає змогу описати якомога більше експериментальних даних з єдиної точки зору. Її авторам М. Гепперт-Майєр (США) і X. Ієнсену (ФРН) присуджено Нобелівську премію з фізики за 1963 р. Строге теоретичне обгрунтування оболонкової моделі ядра і її подальший розвиток належить радянському вченому А. Б. Мігдалу.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)