Войти
Модель атомного ядра, показывающая его как компактный пучок из двух типов нуклонов : протонов (красный) и нейтронов (синий). На этой диаграмме протоны и нейтроны выглядят как маленькие шарики, склеенные вместе, но реальное ядро (в понимании современной ядерной физики ) не может быть объяснено таким образом, а только с помощью квантовой механики. В ядре, которое занимает определенный энергетический уровень (например, основное состояние ), можно сказать, что каждый нуклон занимает определенный диапазон положений. Атомный элемент Ядро - это небольшая плотная область, состоящая из протонов и нейтронов в центре атома, обнаруженная в 1911 году Эрнестом Резерфордом на основе эксперимента 1909 года с золотой фольгой Гейгера – Марсдена. После открытия нейтрона в 1932 году модели ядра, состоящего из протонов и нейтронов, быстро разработали Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов, связанных вместе электростатической силой. Почти вся масса атома находится в ядре с очень небольшим вкладом электронного облака. Протоны и нейтроны связаны вместе с образованием ядра ядерной силой.
. Диаметр ядра находится в диапазоне 1,7566 фм (1,7566 × 10 м) для водорода (диаметр одиночного протона) до примерно 11,7142 фм для урана. Эти размеры намного меньше диаметра самого атома (ядро + электронное облако), примерно в 26 634 раза (радиус атома урана составляет примерно 156 пм (156 × 10 м)) до примерно 60 250 ( атомный радиус водорода составляет около 52,92 pm ).
Раздел физики, связанный с изучением и пониманием атомного ядра, включая его состав и силы, связывающие его вместе, называется ядерной физикой.
Ядро было обнаружено в 1911 году в результате попыток Эрнеста Резерфорда протестировать "модель сливового пудинга " Томсона. "ато м. Электрон был уже открыт Дж. Дж. Сам Томсон. Зная, что атомы электрически нейтральны, Дж. Дж. Томсон предположил, что также должен быть положительный заряд. В своей модели сливового пудинга Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, случайно разбросанных внутри сферы с положительным зарядом. Эрнест Резерфорд позже разработал эксперимент со своим партнером по исследованиям Гансом Гейгером и с помощью Эрнеста Марсдена, который включал отклонение альфа-частиц (ядер гелия), направленных на тонкий лист металлической фольги. Он рассудил, что, если бы модель Дж. Дж. Томсона была верной, положительно заряженные альфа-частицы могли бы легко проходить через фольгу с очень небольшим отклонением их траектории, поскольку фольга должна действовать как электрически нейтральная, если отрицательный и положительный заряды так тесно смешаны, чтобы создавать он кажется нейтральным. К его удивлению, многие частицы отклонились на очень большие углы. Поскольку масса альфа-частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона, стало очевидно, что должна присутствовать очень сильная сила, если она может отклонять массивные и быстро движущиеся альфа-частицы. Он понял, что модель сливового пудинга не может быть точной и что отклонения альфа-частиц можно объяснить только в том случае, если положительный и отрицательный заряды будут отделены друг от друга и что масса атома представляет собой концентрированную точку положительного заряда. Это оправдало идею ядерного атома с плотным центром положительного заряда и массы.
Термин ядро происходит от латинского слова nucleus, уменьшительного от nux («орех»), что означает ядро (т. Е., «маленький орех») внутри водянистого фрукта (например, персика). В 1844 году Майкл Фарадей использовал этот термин для обозначения «центральной точки атома». Современный атомный смысл был предложен Эрнестом Резерфордом в 1912 году. Однако принятие термина «ядро» в атомную теорию произошло не сразу. В 1916 году, например, Гилберт Н. Льюис заявил в своей знаменитой статье «Атом и молекула», что «атом состоит из ядра и внешнего атома или оболочки»
Образное изображение атома гелия -4 с электронным облаком в оттенках серого. В ядре два протона и два нейтрона изображены красным и синим цветом. Это изображение показывает частицы как отдельные, тогда как в реальном атоме гелия протоны накладываются друг на друга в пространстве и, скорее всего, находятся в самом центре ядра, и то же самое верно для двух нейтронов. Таким образом, все четыре частицы, скорее всего, находятся в одном и том же пространстве, в центральной точке. Классические изображения отдельных частиц не могут моделировать известные распределения заряда в очень маленьких ядрах. Более точное изображение состоит в том, что пространственное распределение нуклонов в ядре гелия намного ближе к показанному здесь гелиевому электронному облаку, хотя и в гораздо меньшем масштабе, чем к фантастическому изображению ядра. ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, являются проявлением более элементарных частиц, называемых кварками, которые связаны ядерной сильной силой в определенных стабильных комбинациях. из адронов, называемых барионами. Ядерная сильная сила простирается достаточно далеко от каждого бариона, чтобы связывать нейтроны и протоны вместе против силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерное сильное взаимодействие имеет очень короткий радиус действия и практически падает до нуля сразу за краем ядра. Коллективное действие положительно заряженного ядра заключается в удержании электрически отрицательно заряженных электронов на их орбитах вокруг ядра. Набор отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра, демонстрирует сродство к определенным конфигурациям и количеству электронов, которые делают их орбиты стабильными. Какой химический элемент представляет собой атом, определяется количеством протонов в ядре; нейтральный атом будет иметь такое же количество электронов, вращающихся вокруг этого ядра. Отдельные химические элементы могут создавать более стабильные электронные конфигурации, объединяясь для обмена своими электронами. Это совместное использование электронов для создания стабильных электронных орбит вокруг ядра, которое представляется нам как химия нашего макромира.
Протоны определяют весь заряд ядра и, следовательно, его химическую идентичность. Нейтроны электрически нейтральны, но вносят вклад в массу ядра почти в той же степени, что и протоны. Нейтроны могут объяснить явление изотопов (один и тот же атомный номер с разной атомной массой). Основная роль нейтронов - уменьшить электростатическое отталкивание внутри ядра.
Протоны и нейтроны являются фермионами с разными значениями сильного изоспина квантового числа, поэтому два протона и два нейтрона могут иметь одну и ту же пространственную волновую функцию, поскольку они не являются идентичными квантовыми объектами. Иногда их рассматривают как два разных квантовых состояния одной и той же частицы, нуклона. Два фермиона, такие как два протона или два нейтрона, или протон + нейтрон (дейтрон), могут проявлять бозонное поведение, когда они становятся слабосвязанными парами, имеющими целочисленный спин.
В редком случае гиперядра, третий барион, называемый гипероном, содержащий один или несколько странных кварков и / или другой необычный кварк (ы), также могут иметь общую волновую функцию. Однако ядро этого типа крайне нестабильно и не встречается на Земле, за исключением экспериментов по физике высоких энергий.
Нейтрон имеет положительно заряженное ядро радиусом ≈ 0,3 фм, окруженное компенсирующим отрицательным зарядом радиусом от 0,3 до 2 фм. Протон имеет примерно экспоненциально затухающее распределение положительного заряда со средним квадратным радиусом около 0,8 фм.
Ядра могут быть сферическими, шарообразными (вытянутая деформация), дискообразными (сплющенная деформация), трехосными ( сочетание сжатой и вытянутой деформации) или грушевидной формы.
Ядра связаны остаточной сильной силой (ядерной силой ). Остаточное сильное взаимодействие - это незначительный остаток сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе с образованием протонов и нейтронов. Эта сила намного слабее между нейтронами и протонами, потому что она в основном нейтрализуется внутри них, так же, как электромагнитные силы между нейтральными атомами (такие как силы Ван-дер-Ваальса, которые действуют между двумя атомами инертного газа). слабее, чем электромагнитные силы, которые удерживают части атомов вместе внутри (например, силы, удерживающие электроны в атоме инертного газа, связанном с его ядром).
Ядерная сила очень привлекательна на расстоянии типичного разделения нуклонов, и это подавляет отталкивание между протонами из-за электромагнитной силы, позволяя ядрам существовать. Однако остаточная сильная сила имеет ограниченный диапазон, потому что она быстро уменьшается с расстоянием (см. потенциал Юкавы ); таким образом, только ядра, меньшие определенного размера, могут быть полностью стабильными. Самым крупным известным полностью стабильным ядром (то есть устойчивым к альфа-, бета- и гамма-распаду) является свинец-208, которое содержит в общей сложности 208 нуклонов (126 нейтронов и 82 протона). Ядра, размер которых превышает этот максимум, нестабильны и имеют тенденцию быть все более короткоживущими с большим числом нуклонов. Однако висмут-209 также устойчив к бета-распаду и имеет самый длинный период полураспада до альфа-распада из всех известных изотопов, который, по оценкам, в миллиард раз превышает возраст Вселенной.
Остаточное сильное взаимодействие действует в очень коротком диапазоне (обычно всего несколько фемтометров (фм); примерно один или два диаметра нуклона) и вызывает притяжение между любой парой нуклонов. Например, между протонами и нейтронами с образованием [NP] дейтрона, а также между протонами и протонами и нейтронами и нейтронами.
Эффективный абсолютный предел диапазона ядерной силы (также известной как остаточная сильная сила ) представлен ядрами гало, такими как литий-11 или бор-14, в которых динейтроны, или другие наборы нейтронов, орбиты на расстояниях около 10 фм (примерно аналогично радиусу 8 фм ядра урана-238). Эти ядра не являются максимально плотными. Ядра гало образуются на крайних краях диаграммы нуклидов - нейтронной и протонной - и все они нестабильны с короткими периодами полураспада, измеряемыми в миллисекундах ; например, литий-11 имеет период полураспада 8,8 мс.
Фактически гало представляют собой возбужденное состояние с нуклонами во внешней квантовой оболочке, которая имеет незаполненные энергетические уровни «ниже» (как по радиусу, так и по энергии). Гало может состоять из нейтронов [NN, NNN] или протонов [PP, PPP]. Ядра, которые имеют одиночный нейтронный гало, включают Be и C. Двухнейтронное гало проявляют He, Li, B, B и C. Ядра с двухнейтронным гало разбиваются на три фрагмента, а не на два, и называются борромео. ядер из-за такого поведения (имеется в виду система из трех взаимосвязанных колец, в которой разрыв одного кольца освобождает оба других). Он и Би демонстрируют гало из четырех нейтронов. Ядра, которые имеют протонный гало, включают B и P. Двухпротонное гало проявляется Ne и S. Ожидается, что протонные гало будут более редкими и нестабильными, чем примеры нейтронов, из-за отталкивающих электромагнитных сил избыточного протона (s).
Хотя широко распространено мнение, что стандартная физическая модель полностью описывает состав и поведение ядра, делать предсказания на основе теории гораздо труднее, чем для большинство других областей физики элементарных частиц. Это происходит по двум причинам:
Исторически эксперименты сравнивались с относительно грубыми моделями, которые обязательно несовершенны. Ни одна из этих моделей не может полностью объяснить экспериментальные данные о структуре ядра.
ядерный радиус (R) считается одной из основных величин, которые должна предсказывать любая модель. Для стабильных ядер (не ядер гало или других нестабильных искаженных ядер) ядерный радиус примерно пропорционален кубическому корню из массового числа (A) ядра, и особенно в ядрах, содержащих много нуклонов, поскольку они расположить в более сферических конфигурациях:
Стабильное ядро имеет примерно постоянную плотность, и поэтому радиус ядра R может быть аппроксимирован следующей формулой
где A = атомное массовое число (количество протонов Z плюс количество нейтронов N) и r 0 = 1,25 Фм = 1,25 × 10 м. В этом уравнении «константа» r 0 изменяется на 0,2 фм в зависимости от рассматриваемого ядра, но это изменение менее чем на 20% от постоянной.
Другими словами, упаковка протонов и нейтронов в ядре дает примерно такой же общий размер, как упаковка твердых сфер постоянного размера (например, шариков) в плотный сферический или почти сферический мешок (некоторые стабильные ядра не совсем сферические, но, как известно, их размер вытянутый ).
Модели ядерной структуры включают:
Ранние модели ядра рассматривали ядро как вращающуюся жидкую каплю. В этой модели компромисс дальнодействующих электромагнитных сил и относительно короткодействующих ядерных сил вместе вызывают поведение, напоминающее силы поверхностного натяжения в жидких каплях разного размера. Эта формула успешно объясняет многие важные явления ядер, такие как их изменение количества энергии связи при изменении их размера и состава (см. s эмиэмпирическая формула массы ), но она не объясняет особой стабильности, которая возникает, когда ядра имеют особые «магические числа» протонов или нейтронов.
Термины в полуэмпирической формуле массы, которые можно использовать для аппроксимации энергии связи многих ядер, рассматриваются как сумма пяти типов энергий (см. Ниже). Тогда картина ядра как капли несжимаемой жидкости примерно объясняет наблюдаемое изменение энергии связи ядра:
Объемная энергия . Когда совокупность нуклонов одинакового размера упаковывается в наименьший объем, каждый внутренний нуклон имеет определенное количество других нуклонов, контактирующих с ним. Итак, эта ядерная энергия пропорциональна объему.
Поверхностная энергия . Нуклон на поверхности ядра взаимодействует с меньшим количеством других нуклонов, чем нуклон внутри ядра, и, следовательно, его энергия связи меньше. Этот член поверхностной энергии учитывает это, поэтому он отрицателен и пропорционален площади поверхности.
Кулон Энергия . Электрическое отталкивание между каждой парой протонов в ядре способствует уменьшению его энергии связи.
Энергия асимметрии (также называемая Паули Энергия). Энергия, связанная с принципом исключения Паули. Если бы не кулоновская энергия, наиболее стабильная форма ядерной материи имела бы такое же количество нейтронов, что и протоны, поскольку неравное количество нейтронов и протонов подразумевает заполнение более высоких уровней энергии для одного типа частиц, в то время как более низкие уровни энергии остаются вакантными для другой тип.
Энергия сопряжения . Энергия, которая представляет собой поправочный член, возникающий из-за тенденции появления пар протонов и пар нейтронов. Четное число частиц более стабильно, чем нечетное.
Также был предложен ряд моделей ядра, в которых нуклоны занимают орбитали, как и атомные орбитали в атомная физика теория. Эти волновые модели представляют нуклоны либо безразмерными точечными частицами в потенциальных ямах, либо волнами вероятности, как в «оптической модели», вращающимися без трения с высокой скоростью в потенциальных ямах.
В приведенных выше моделях нуклоны могут занимать орбитали попарно из-за того, что они являются фермионами, что позволяет объяснить хорошо известные из экспериментов четные / нечетные эффекты Z и N. Точная природа и емкость ядерных оболочек отличаются от таковых электронов на атомных орбиталях, прежде всего потому, что потенциальная яма, в которой движутся нуклоны (особенно в более крупных ядрах), сильно отличается от центральной электромагнитной потенциальной ямы, которая связывает электроны в атомах. Некоторое сходство с моделями атомной орбиты можно увидеть в маленьком атомном ядре, таком как гелий-4, в котором два протона и два нейтрона по отдельности занимают 1s-орбитали, аналогичные 1s-орбитали для двух электронов в атом гелия и достигают необычной стабильности по той же причине. Ядра с 5 нуклонами чрезвычайно нестабильны и недолговечны, однако гелий-3 с 3 нуклонами очень стабилен даже при отсутствии замкнутой 1s-орбитальной оболочки. Другое ядро с 3 нуклонами, тритон водород-3, нестабильно и при изоляции распадется на гелий-3. Слабая ядерная стабильность с двумя нуклонами {NP} на 1s-орбитали обнаружена в дейтроне водород-2, где только по одному нуклону в каждой из протонных и нейтронных потенциальных ям. В то время как каждый нуклон является фермионом, дейтрон {NP} является бозоном и, следовательно, не следует исключению Паули для плотной упаковки внутри оболочки. Литий-6 с 6 нуклонами очень стабилен без замкнутой второй орбитали 1p оболочки. Для легких ядер с полным числом нуклонов от 1 до 6 только ядра с числом 5 не демонстрируют каких-либо признаков стабильности. Наблюдения за бета-стабильностью легких ядер вне закрытых оболочек показывают, что ядерная стабильность намного сложнее, чем простое замыкание оболочечных орбиталей с помощью магических чисел протонов и нейтронов.
Для более крупных ядер оболочки, занятые нуклонами, начинают значительно отличаться от электронных, но, тем не менее, современная ядерная теория предсказывает магические числа заполненных ядерных оболочек как для протонов, так и для нейтронов. Закрытие стабильных оболочек предсказывает необычно стабильные конфигурации, аналогичные благородной группе почти инертных газов в химии. Примером является стабильность замкнутой оболочки из 50 протонов, которая позволяет олову иметь 10 стабильных изотопов, больше, чем у любого другого элемента. Точно так же расстояние от оболочки объясняет необычную нестабильность изотопов, которые имеют далеко не стабильное количество этих частиц, таких как радиоактивные элементы 43 (технеций ) и 61 (прометий )., каждому из которых предшествует и следует 17 или более стабильных элементов.
Однако существуют проблемы с оболочечной моделью, когда делается попытка учесть ядерные свойства вдали от закрытых оболочек. Это привело к сложным апостериорным искажениям формы потенциальной ямы, чтобы соответствовать экспериментальным данным, но остается вопрос, действительно ли эти математические манипуляции соответствуют пространственным деформациям в реальных ядрах. Проблемы с оболочечной моделью привели к тому, что некоторые предложили реалистичные двух- и трехчастичные ядерные силовые эффекты с участием кластеров нуклонов, а затем построили ядро на этой основе. Три таких кластерных модели - это модель Джона Уиллера, Линуса Полинга и МакГрегора 1936 года.
Как и в случае сверхтекучей жидкости жидкий гелий, атомные ядра являются примером состояния, в котором применяются как (1) «обычные» физические правила для частиц для объема, и (2) неинтуитивные квантово-механические правила для волновой природы. В сверхтекучем гелии атомы гелия имеют объем и по существу «касаются» друг друга, но в то же время проявляют странные объемные свойства, согласующиеся с конденсацией Бозе – Эйнштейна. Нуклоны в атомных ядрах также имеют волнообразную природу и не имеют стандартных свойств жидкости, таких как трение. Для ядер, состоящих из адронов, которые являются фермионами, конденсация Бозе-Эйнштейна не происходит, но, тем не менее, многие ядерные свойства могут быть объяснены подобным образом только комбинацией свойств частиц с объемом, в дополнение к движению без трения, характерному для волнообразного поведения объектов, захваченных квантовыми орбиталями Эрвина Шредингера .
 | Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Атомное ядро |
