Почему ядерные силы выходят из ядра?

В этом разделе описываются самые основные факты о ядрах. Эти факты будут считаться само собой разумеющимися в оставшейся части этой главы.

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Поэтому протоны и нейтроны называются нуклонами. Нейтроны электрически нейтральны, а протоны заряжены положительно. В частности, электрический заряд протона имеет ту же величину, что и заряд электрона, но имеет противоположный знак. Поскольку противоположные заряды притягиваются, протоны в ядре притягивают электроны. Несмотря на это, электроны не оказываются внутри ядра.У них гораздо большая квантово-механическая неопределенность положения, чем у гораздо более тяжелых нуклонов. Таким образом, электроны образуют облако вокруг крошечного ядра, образуя атом.

Так как заряды одного знака отталкиваются, протоны взаимно отталкиваются друг от друга. Это связано с той же электрической кулоновской силой, которая позволяет им притягивать электроны. Сама по себе кулоновская сила между протонами в ядре заставила бы ядро ​​немедленно разлететься на части. Но нуклоны, как протоны, так и нейтроны, также притягиваются друг к другу благодаря другой силе, «ядерной силе». Именно эта сила удерживает ядро ​​вместе.

Ядерная сила очень сильна, что позволяет ей доминировать над электромагнитными силами, такими как кулоновская сила отталкивания в стабильных ядрах. Но ядерная сила также имеет очень малый радиус действия, простираясь не более чем на несколько фемтометров. (Фемтометр, или фм, равен 1 м. Его иногда называют ферми в честь известного физика-ядерщика Энрико Ферми. Хотя Ферми не был одобрен SI, он был одним из хороших парней, поэтому мы должны делать поправку.) В больших ядрах нуклоны только удерживаются вместе с другими нуклонами в непосредственной близости от них ядерной силой. Но протоны отталкиваются другими протонами повсюду в ядре. Если ядро ​​становится слишком большим, это отталкивание становится настолько большим, что ядро ​​больше не может быть стабильным. Свинец с 82 протонами — самый тяжелый элемент, который может быть стабильным, и то только в том случае, если он содержит подходящее количество нейтронов, чтобы держать протоны на некотором расстоянии друг от друга.

Сила ядерной силы примерно одинакова, независимо от типа задействованных нуклонов, протонов или нейтронов. Это называется «независимость от заряда».

Более строго, но даже точнее, ядерная сила останется той же, если вы поменяете типы нуклонов. Другими словами, ядерная сила не изменится, если вы замените все протоны нейтронами и наоборот.Это называется «зарядовой симметрией». Например, если поменять местами нуклонный тип пары протонов, получится пара нейтронов. Следовательно, ядерная сила между парой протонов очень точно такая же, как между парой нейтронов, при прочих равных условиях. (Уже упомянутое кулоновское отталкивание между протонами дополнительное и не одно и то же.) Но если поменять местами нуклонный тип пары протонов или пары нейтронов, то не получится протон и нейтрон. Таким образом, ядерная сила между протоном и нейтроном менее точно такая же, как между двумя протонами или двумя нейтронами.

Ядерная сила не является фундаментальной. Это всего лишь эффект «цветовой силы» или «сильной силы» между «кварками», из которых состоят протоны и нейтроны. Вот почему ядерную силу также часто называют «остаточной сильной силой». Это очень похоже на то, что сила Ван-дер-Ваальса между молекулами не является фундаментальной; эта сила является остатком электромагнитной силы между электронами и ядрами, из которых существуют молекулы.

Несмотря на то, что ядерная сила изучена плохо, кое-что физики могут сказать с уверенностью. Прежде всего,

Ядра обычно находятся в основном состоянии.

Основное состояние — это квантовое состояние с самой низкой энергией. Ядра также могут находиться в возбужденных состояниях с более высокой энергией. Однако небольшое количество тепловой энергии не возбудит ядро. Различия между уровнями ядерной энергии чрезвычайно велики в микроскопическом масштабе. Вот почему ядерные бомбы и ядерные реакторы могут производить так много энергии. Тем не менее, ядерные реакции обычно оставляют ядра в возбужденном состоянии. Обычно такие состояния очень быстро возвращаются в основное состояние. (В особых случаях это может занять вечность.)

Следует отметить, что если состояние ядра нестабильно, это означает, что оно имеет очень небольшую неопределенность в отношении энергии, сравните с главой 7.4.1. Эту неопределенность энергии обычно называют «шириной» состояния. Обсуждение здесь почти всегда будет игнорировать неопределенность в энергии.

Второе общее свойство ядер:

Ядерные государства имеют определенную ядерную массу

Вы можете быть удивлены этим заявлением. Это кажется тривиальным. Можно было бы ожидать, что масса ядра — это просто сумма масс протонов и нейтронов, составляющих ядро. Но известное соотношение Эйнштейна связывает энергию и массу. Масса ядра немного меньше, чем совокупная масса протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Разница заключается в энергии связи, которая удерживает ядро ​​вместе, выраженной в единицах массы. (Другими словами, деленная на квадрат скорости света). Конечно, даже для ядерных энергий изменения ядерной массы из-за энергии связи ничтожны. Но физики могут измерять массы ядер с очень большой точностью. Различные ядерные состояния имеют разные энергии связи. Так что у них немного разные ядерные массы.

(Точно так же атом водорода имеет меньшую массу, чем свободный протон и свободный электрон. Но здесь разница в несколько эВ слишком мала, чтобы ее замечать. Поскольку энергии связи ядер в миллионы раз больше, в ядрах эффект намного больше. более важный.)

Можно отметить, что в ядерной физике энергии связи почти никогда не выражаются в единицах массы. Вместо этого массы выражаются в единицах энергии! И не в джоулях. В качестве единиц энергии почти всегда используются электрон-вольты (эВ). Никогда не используйте единицы СИ при разговоре с физиками-ядерщиками. Они сразу узнают, что вы один из тех презираемых неспециалистов. Просто назовите это бла. В маловероятном случае, если они спросят, скажите им, что Ферми назвал это так.

Ядерные состояния имеют определенный ядерный спин

Здесь «ядерный спин» — это квантовое число чистого углового момента ядра. Величина чистого углового момента ядра равна

Ядра в возбужденных энергетических состояниях обычно имеют другой угловой момент, чем в основном состоянии.

Название «ядерный спин» может показаться неуместным, поскольку суммарный ядерный угловой момент включает не только спин нуклонов, но и их орбитальный угловой момент. Но поскольку ядерные энергии очень велики, во многих случаях ядра ведут себя так же, как элементарные частицы. Приложенные извне электромагнитные поля далеко не настолько сильны, чтобы разрушить внутреннюю структуру ядра. А угловой момент элементарной частицы правильно называется спином. Однако тот факт, что ядерный спин — это два слова, а «азимутальное квантовое число чистого углового момента ядра» — девять, возможно, также имеет какое-то отношение к терминологии.

Согласно квантовой механике, должно быть целым или полуцелым. В частности, должно быть целым числом, если число нуклонов равно 0, или 1, или 2, или . ). Если число нуклонов нечетное, должно быть половина нечетного целого числа или или или . ).

Тот факт, что ядра имеют определенный угловой момент, не зависит от деталей ядерной силы. Это следствие очень фундаментального наблюдения, что пустое пространство не имеет встроенного предпочтительного направления. Этот вопрос был рассмотрен более подробно в главе 7.3.

(Во многих источниках также используется символ for для этой пикантной дополнительной путаницы. Так, в одном источнике говорится, что собственное значение [единственное число] of выходит за пределы краткости. Без шуток. В одной популярной книге вместо и зарезервировано значение электронного углового момента , По крайней мере, в этой ссылке жирным шрифтом обозначен сам угловой момент в виде вектора.)

Рассмотрим также составляющую углового момента ядра в выбранном направлении. Согласно квантовой механике, эта составляющая может иметь измеримые значения. или Заметьте также, что если имеет определенное значение для ненулевого значения, то компоненты в ортогональных направлениях имеют неопределенные значения и, следовательно, не так интересны для анализа.

Ядерные государства имеют определенный паритет.

Здесь четность — это то, что происходит с волновой функцией, когда ядро ​​отражается зеркально, а затем поворачивается на 18 вокруг оси, перпендикулярной зеркалу, глава 7.3. (Математически это соответствует обращению каждого вектора положения, измеренного от центра тяжести, в вектор. Поскольку вращение уже покрыто угловым моментом, важным шагом является зеркальное отражение.) Волновая функция может либо оставаться неизменной (называемой четностью 1, либо даже четность), или он может менять знак (называется четностью или нечетностью). Тот факт, что ядра имеют определенную четность, также не зависит от деталей ядерной силы. Это следствие того, что силы природы ведут себя так же, когда их видят в зеркале.

Четность обычно обозначается греческой буквой p, потому что она не используется ни для чего другого в науке. И физики обычно перечисляют спин и четность ядра вместе в форме Если у вас есть две величины, такие как спин и четность, которые не имеют ничего общего друг с другом, что может быть лучше, чем показать одну как надстрочный индекс другой? Но не начинайте возводить в степень. Вы должны переводить это на здравый смысл следующим образом:

В числовом примере означает ядро ​​со спином 3 и нечетной четностью. Это не означает ядро ​​со спином 1/3 (что даже невозможно; спины могут быть только целыми или полуцелыми).

Ключевые моменты
Ядра образуют центры атомов.

Ядра состоят из протонов и нейтронов. Поэтому протоны и нейтроны называются нуклонами.

Сами протоны и нейтроны состоят из кварков. Но для практических целей вы можете забыть об этом.

Нейтроны электрически нейтральны. Протоны заряжены положительно.

Нуклоны удерживаются вместе благодаря так называемой ядерной силе.

Ядерная сила приблизительно не зависит от того, являются ли нуклоны протонами или нейтронами. Это называется независимостью от заряда. Зарядовая симметрия является более точной, но и более ограниченной версией независимости от заряда.

Ядерные состояния, включая основное состояние, обладают определенной ядерной энергией. Различия в энергии между ядерными состояниями настолько велики, что они вызывают небольшие, но измеримые различия в ядерной массе.

Ядерные состояния также имеют определенный ядерный спин. Ядерный спин — это азимутальное квантовое число чистого углового момента ядра. Многие ссылки указывают на это или

Ядерные состояния имеют определенную четность. По крайней мере, если игнорировать так называемое слабое взаимодействие.

Никогда не используйте единицы СИ при разговоре с физиком-ядерщиком.