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El rango de fuerzas nucleares. Fuerzas nucleares. Vea qué son las "fuerzas nucleares" en otros diccionarios

El núcleo atómico, formado por un determinado número de protones y neutrones, es una entidad única debido a las fuerzas específicas que actúan entre los nucleones del núcleo y se denominan nuclear. Se ha demostrado experimentalmente que las fuerzas nucleares son muy grandes, superando con creces las fuerzas de repulsión electrostática entre protones. Esto se manifiesta en el hecho de que la energía específica de enlace de los nucleones en el núcleo es mucho mayor que el trabajo de las fuerzas de repulsión de Coulomb. Consideremos las características principales de las fuerzas nucleares.

1. Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de corto alcance . Aparecen solo a distancias muy pequeñas entre nucleones en el núcleo del orden de 10 -15 m La distancia del orden de (1.5 - 2.2) 10 -15 m se llama radio de acción de las fuerzas nucleares, con su aumento, las fuerzas nucleares disminuyen rápidamente. A una distancia del orden de (2-3) m, la interacción nuclear entre nucleones está prácticamente ausente.

2. Las fuerzas nucleares tienen la propiedad saturación, aquellos. cada nucleón interactúa solo con un cierto número de vecinos más cercanos. Este carácter de las fuerzas nucleares se manifiesta en la constancia aproximada de la energía de enlace específica de los nucleones en un número de carga A>40. De hecho, si no hubiera saturación, la energía de enlace específica aumentaría con el aumento del número de nucleones en el núcleo.

3. Una característica de las fuerzas nucleares es también su independencia de carga , es decir. no dependen de la carga de los nucleones, por lo que las interacciones nucleares entre protones y neutrones son las mismas. La independencia de carga de las fuerzas nucleares se ve a partir de una comparación de las energías de enlace núcleos de espejo . Los llamados núcleos, en los que el número total de nucleones es el mismo, pero el número de protones en uno es igual al número de neutrones en el otro. Por ejemplo, las energías de enlace de los núcleos de helio y de hidrógeno pesado - tritio son respectivamente 7,72 MeV y 8.49 MeV. La diferencia en las energías de enlace de estos núcleos, igual a 0,77 MeV, corresponde a la energía de repulsión de Coulomb de dos protones en el núcleo. Asumiendo que este valor es igual a , podemos encontrar que la distancia promedio r entre protones en el núcleo es de 1.9·10 -15 m, lo cual es consistente con el radio de acción de las fuerzas nucleares.

4. Fuerzas nucleares no son centrales y dependen de la orientación mutua de los espines de los nucleones que interactúan. Esto se confirma por la diferente naturaleza de la dispersión de neutrones por moléculas de orto y para hidrógeno. En la molécula de ortohidrógeno, los espines de ambos protones son paralelos entre sí, mientras que en la molécula de parahidrógeno son antiparalelos. Los experimentos han demostrado que la dispersión de neutrones por parahidrógeno es 30 veces mayor que la dispersión por ortohidrógeno.

La naturaleza compleja de las fuerzas nucleares no permite el desarrollo de una sola teoría consistente de la interacción nuclear, aunque se han propuesto muchos enfoques diferentes. Según la hipótesis del físico japonés H. Yukawa, que propuso en 1935, las fuerzas nucleares se deben al intercambio - mesones, es decir partículas elementales, cuya masa es aproximadamente 7 veces menor que la masa de los nucleones. Según este modelo, un nucleón en el tiempo metro- la masa del mesón) emite un mesón que, moviéndose a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, recorre una distancia , después de lo cual es absorbido por el segundo nucleón. A su vez, el segundo nucleón también emite un mesón, que es absorbido por el primero. En el modelo de H. Yukawa, por lo tanto, la distancia a la que interactúan los nucleones está determinada por el camino libre del mesón, que corresponde a una distancia de aproximadamente metro y coincide en orden de magnitud con el radio de acción de las fuerzas nucleares.

Volvamos a la consideración de la interacción de intercambio entre nucleones. Hay mesones positivos, negativos y neutros. El módulo de carga de - o - mesones es numéricamente igual a la carga elemental mi. La masa de los mesones cargados es la misma e igual a (140 MeV), la masa del mesón es 264 (135 MeV). El espín de los mesones cargados y neutros es 0. Las tres partículas son inestables. El tiempo de vida de - y - mesones es 2.6 Con, - mesón – 0,8 10 -16 Con. La interacción entre nucleones se lleva a cabo según uno de los siguientes esquemas:

(22.7)
1. Los nucleones intercambian mesones:

En este caso, el protón emite: un mesón, que se convierte en un neutrón. El mesón es absorbido por el neutrón, que en consecuencia se convierte en un protón, luego el mismo proceso continúa en la dirección opuesta. Por lo tanto, cada uno de los nucleones que interactúan pasa parte del tiempo en un estado cargado y otra parte en un estado neutral.

2. Intercambio de nucleones - mesones:

3. Intercambio de nucleones - mesones:

. (22.10)

Todos estos procesos han sido probados experimentalmente. En particular, el primer proceso se confirma cuando un haz de neutrones atraviesa hidrógeno. Los protones en movimiento aparecen en el haz y el número correspondiente de neutrones prácticamente en reposo se encuentra en el objetivo.

modelos de núcleo. La ausencia de una ley matemática para las fuerzas nucleares no permite la creación de una teoría unificada del núcleo. Los intentos de crear tal teoría tropiezan con serias dificultades. Éstos son algunos de ellos:

1. Insuficiencia de conocimiento sobre las fuerzas que actúan entre los nucleones.

2. La extrema incomodidad del problema cuántico de muchos cuerpos (un núcleo con un número de masa A es un sistema de A cuerpos).

Estas dificultades nos obligan a seguir el camino de la creación de modelos nucleares que permitan describir un determinado conjunto de propiedades del núcleo utilizando medios matemáticos relativamente sencillos. Ninguno de estos modelos puede dar una descripción absolutamente precisa del núcleo. Por lo tanto, se tienen que utilizar varios modelos.

Bajo modelo de núcleo en física nuclear comprender la totalidad de supuestos físicos y matemáticos con los que se pueden calcular las características de un sistema nuclear formado por A nucleones. Se han propuesto y desarrollado muchos modelos de diversos grados de complejidad. Consideraremos solo los más famosos de ellos.

Modelo hidrodinámico (gota) del núcleo fue desarrollado en 1939. N. Bor y el científico soviético J. Frenkel. Se basa en la suposición de que debido a la alta densidad de nucleones en el núcleo y la interacción extremadamente fuerte entre ellos, el movimiento independiente de los nucleones individuales es imposible y el núcleo es una gota de líquido cargado con densidad. Como en el caso de una gota de líquido ordinaria, la superficie del núcleo puede oscilar. Si la amplitud de la oscilación se vuelve lo suficientemente grande, se produce el proceso de fisión nuclear. El modelo de gota hizo posible obtener una fórmula para la energía de enlace de los nucleones en un núcleo y explicó el mecanismo de algunas reacciones nucleares. Sin embargo, este modelo no permite explicar la mayor parte de los espectros de excitación de los núcleos atómicos y la especial estabilidad de algunos de ellos. Esto se debe a que el modelo hidrodinámico refleja de forma muy aproximada la esencia de la estructura interna del núcleo.

Modelo de capa del núcleo desarrollado en 1940-1950 por el físico estadounidense M. Goeppert-Mayer y el físico alemán H. Jensen. Supone que cada nucleón se mueve independientemente de los demás en un determinado campo de potencial medio (pozo de potencial creado por los nucleones restantes del núcleo). con los datos experimentales se puede lograr.

La profundidad del pozo potencial suele ser ~ (40-50) MeV y no depende del número de nucleones en el núcleo. De acuerdo con la teoría cuántica, los nucleones en un campo están en ciertos niveles de energía discretos. La suposición básica de los creadores del modelo de capa sobre el movimiento independiente de los nucleones en el campo de potencial medio está en conflicto con las disposiciones principales de los desarrolladores del modelo hidrodinámico. Por lo tanto, las características del núcleo, que están bien descritas por el modelo hidrodinámico (por ejemplo, el valor de la energía de enlace), no pueden explicarse dentro del marco del modelo de capa, y viceversa.

Modelo de núcleo generalizado , desarrollado en 1950-1953, combina las principales disposiciones de los creadores de los modelos hidrodinámicos y de concha. En el modelo generalizado, se supone que el núcleo consta de una parte interna estable: el núcleo, que está formado por nucleones de capas llenas y nucleones externos que se mueven en el campo creado por los nucleones del núcleo. En este sentido, el modelo hidrodinámico describe el movimiento del núcleo, mientras que el modelo de capa describe el movimiento de los nucleones externos. Debido a la interacción con los nucleones externos, el núcleo puede deformarse y el núcleo puede girar alrededor de un eje perpendicular al eje de deformación. El modelo generalizado permitió explicar las principales características de los espectros de rotación y vibración de los núcleos atómicos, así como los altos valores del momento eléctrico cuadripolar en algunos de ellos.

Hemos considerado el principal fenomenológico, es decir. modelos descriptivos, centrales. Sin embargo, para una comprensión completa de la naturaleza de las interacciones nucleares que determinan las propiedades y la estructura del núcleo, es necesario crear una teoría en la que el núcleo sea considerado como un sistema de nucleones que interactúan.

El núcleo atómico, formado por un determinado número de protones y neutrones, es una entidad única debido a las fuerzas específicas que actúan entre los nucleones del núcleo y se denominan nuclear. Se ha demostrado experimentalmente que las fuerzas nucleares son muy grandes, superando con creces las fuerzas de repulsión electrostática entre protones. Esto se manifiesta en el hecho de que la energía específica de enlace de los nucleones en el núcleo es mucho mayor que el trabajo de las fuerzas de repulsión de Coulomb. Considere la principal caracteristicas de las fuerzas nucleares.

1. Las fuerzas nucleares son fuerzas atractivas de corto alcance . Aparecen solo a distancias muy pequeñas entre nucleones en el núcleo del orden de 10 a 15 m. Una distancia del orden de (1,5 a 2,2) 10 a 15 m se denomina gama de fuerzas nucleares, con su aumento, las fuerzas nucleares disminuyen rápidamente. A una distancia del orden de (2-3) m, la interacción nuclear entre nucleones está prácticamente ausente.

La naturaleza compleja de las fuerzas nucleares no permite el desarrollo de una sola teoría consistente de la interacción nuclear, aunque se han propuesto muchos enfoques diferentes. Según la hipótesis del físico japonés H. Yukawa (1907-1981), que propuso en 1935, las fuerzas nucleares se deben al intercambio - mesones, es decir partículas elementales, cuya masa es aproximadamente 7 veces menor que la masa de los nucleones. Según este modelo, un nucleón en el tiempo metro- la masa del mesón) emite un mesón que, moviéndose a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, recorre una distancia , después de lo cual es absorbido por el segundo nucleón. A su vez, el segundo nucleón también emite un mesón, que es absorbido por el primero. En el modelo de H. Yukawa, por lo tanto, la distancia a la que interactúan los nucleones está determinada por el camino libre del mesón, que corresponde a una distancia de aproximadamente metro y coincide en orden de magnitud con el radio de acción de las fuerzas nucleares.

Volvamos a la consideración de la interacción de intercambio entre nucleones. Hay mesones positivos, negativos y neutros. El módulo de carga de - o - mesones es numéricamente igual a la carga elemental mi . La masa de los mesones cargados es la misma e igual a (140 MeV), la masa del mesón es 264 (135 MeV). El espín de los mesones cargados y neutros es 0. Las tres partículas son inestables. El tiempo de vida de - y - mesones es 2.6 Con, - mesón – 0,8 10 -16 Con. La interacción entre nucleones se lleva a cabo según uno de los siguientes esquemas:

1. Los nucleones intercambian mesones: . (22.8)

2. Intercambio de nucleones - mesones:

3. Intercambio de nucleones - mesones:

, (22.10)

modelos de núcleo. Bajo modelo de núcleo en física nuclear comprender la totalidad de supuestos físicos y matemáticos con los que se pueden calcular las características de un sistema nuclear formado por A nucleones.

Modelo hidrodinámico (gota) del núcleo Se basa en la suposición de que debido a la alta densidad de nucleones en el núcleo y la interacción extremadamente fuerte entre ellos, el movimiento independiente de los nucleones individuales es imposible y el núcleo es una gota de líquido cargado con una densidad .

Modelo de capa del núcleo Asume que cada nucleón se mueve independientemente de los demás en algún campo de potencial promedio (pozo de potencial) creado por los nucleones restantes del núcleo.

Modelo de núcleo generalizado, combina las principales disposiciones de los creadores de los modelos hidrodinámicos y de conchas. En el modelo generalizado, se supone que el núcleo consta de una parte interna estable: el núcleo, que está formado por nucleones de capas llenas y nucleones externos que se mueven en el campo creado por los nucleones del núcleo. En este sentido, el modelo hidrodinámico describe el movimiento del núcleo, mientras que el modelo de capa describe el movimiento de los nucleones externos. Debido a la interacción con los nucleones externos, el núcleo puede deformarse y el núcleo puede girar alrededor de un eje perpendicular al eje de deformación.

26. Reacciones de fisión de núcleos atómicos. Energía nuclear.

reacciones nucleares Se denominan transformaciones de los núcleos atómicos provocadas por su interacción entre sí o con otros núcleos o partículas elementales. El primer mensaje sobre una reacción nuclear pertenece a E. Rutherford. En 1919, descubrió que cuando las partículas pasan a través del gas nitrógeno, algunas de ellas son absorbidas y, al mismo tiempo, se emiten protones. Rutherford llegó a la conclusión de que los núcleos de nitrógeno se convirtieron en núcleos de oxígeno como resultado de una reacción nuclear de la forma:

, (22.11)

donde − - partícula; − protón (hidrógeno).

Un parámetro importante de una reacción nuclear es su producción de energía, que está determinada por la fórmula:

(22.12)

Aquí y son las sumas de las masas en reposo de las partículas antes y después de la reacción. Cuando las reacciones nucleares proceden con la absorción de energía, por lo tanto se les llama endotérmico, y en - con la liberación de energía. En este caso se llaman exotérmico.

En cualquier reacción nuclear, siempre hay leyes de conservación :

− carga eléctrica;

− número de nucleones;

− energía;

− impulso.

Las dos primeras leyes permiten escribir correctamente las reacciones nucleares incluso cuando se desconoce una de las partículas que participan en la reacción o uno de sus productos. Utilizando las leyes de conservación de la energía y el momento, se pueden determinar las energías cinéticas de las partículas que se forman durante la reacción, así como la dirección de su movimiento posterior.

Para caracterizar las reacciones endotérmicas, se introduce el concepto energía cinética umbral , o umbral de reacción nuclear , aquellos. la energía cinética más pequeña de una partícula incidente (en el marco de referencia donde el núcleo objetivo está en reposo) en la que se hace posible una reacción nuclear. De la ley de conservación de la energía y del momento se deduce que el umbral de energía de una reacción nuclear se calcula mediante la fórmula:

. (22.13)

Aquí está la energía de la reacción nuclear (7.12); -masa del núcleo inmóvil - blanco; es la masa de la partícula que incide sobre el núcleo.

reacciones de fisión. En 1938, los científicos alemanes O. Hahn y F. Strassmann descubrieron que cuando se bombardea uranio con neutrones, a veces aparecen núcleos que tienen aproximadamente la mitad del tamaño del núcleo de uranio original. Este fenómeno ha sido llamado Fisión nuclear.

Representa la primera reacción observada experimentalmente de transformaciones nucleares. Un ejemplo es una de las posibles reacciones de fisión nuclear del uranio-235:

El proceso de fisión nuclear procede muy rápidamente durante un tiempo de ~10 -12 s. La energía que se libera durante una reacción como la (22.14) es de aproximadamente 200 MeV por acto de fisión del núcleo de uranio-235.

En el caso general, la reacción de fisión del núcleo de uranio-235 se puede escribir como:

+neutrones . (22.15)

El mecanismo de la reacción de fisión se puede explicar en el marco del modelo hidrodinámico del núcleo. Según este modelo, cuando un núcleo de uranio absorbe un neutrón, entra en un estado excitado (Fig. 22.2).

El exceso de energía que recibe el núcleo como consecuencia de la absorción de un neutrón provoca un movimiento más intenso de los nucleones. Como resultado, el núcleo se deforma, lo que conduce a un debilitamiento de la interacción nuclear de corto alcance. Si la energía de excitación del núcleo es mayor que alguna energía llamada energía de activación , luego, bajo la influencia de la repulsión electrostática de los protones, el núcleo se divide en dos partes, con la emisión neutrones de fisión . Si la energía de excitación tras la absorción de un neutrón es menor que la energía de activación, entonces el núcleo no alcanza

etapa crítica de la fisión y, habiendo emitido un cuanto, vuelve a la principal

Entre los nucleones que forman el núcleo actúan fuerzas nucleares , superando significativamente las fuerzas de repulsión de Coulomb entre protones. Desde el punto de vista de la teoría de campos de partículas elementales, las fuerzas nucleares son principalmente fuerzas de interacción de campos magnéticos de nucleones en la zona cercana. A grandes distancias, la energía potencial de dicha interacción disminuye según la ley 1/r 3; esto explica su naturaleza de corto alcance. A una distancia (3 ∙ 10 -13 cm) las fuerzas nucleares se vuelven dominantes, ya distancias inferiores a (9,1 ∙ 10 -14 cm) se convierten en fuerzas repulsivas aún más poderosas.

fuerzas nucleares son corto alcance efectivo. Aparecen solo a distancias muy pequeñas entre nucleones en el núcleo del orden de 10 a 15 m. La longitud (1,5 a 2,2) de 10 a 15 m se denomina gama de fuerzas nucleares.

Las fuerzas nucleares descubren independencia de carga : la atracción entre dos nucleones es la misma independientemente del estado de carga de los nucleones: protón o neutrón. La independencia de carga de las fuerzas nucleares se ve a partir de una comparación de las energías de enlace núcleos de espejo . ¿Cómo se llaman los núcleos?,en el que el número total de nucleones es el mismo,pero el numero de protones en uno es igual al numero de neutrones en el otro. Por ejemplo, núcleos de helio e hidrógeno pesado - tritio. Las energías de enlace de estos núcleos son 7,72 MeV y 8,49 MeV.

La diferencia en las energías de enlace de los núcleos, igual a 0,77 MeV, corresponde a la energía de repulsión de Coulomb de dos protones en el núcleo.

Las fuerzas nucleares tienen propiedad de saturación , que se manifiesta en, que un nucleón en un núcleo interactúa solo con un número limitado de nucleones vecinos más cercanos a él. Es por eso que existe una dependencia lineal de las energías de enlace de los núcleos en sus números de masa. A. La saturación casi completa de las fuerzas nucleares se logra en la partícula α, que es una formación muy estable.

Las fuerzas nucleares dependen de orientaciones de giro nucleones interactuando. Esto se confirma por el diferente carácter de la dispersión de neutrones por las moléculas de orto y para hidrógeno. En la molécula de ortohidrógeno, los espines de ambos protones son paralelos entre sí, mientras que en la molécula de parahidrógeno son antiparalelos. Los experimentos han demostrado que la dispersión de neutrones por parahidrógeno es 30 veces mayor que la dispersión por ortohidrógeno. fuerzas nucleares no son centrales.

La interacción entre nucleones surge como resultado de la emisión y absorción de cuantos del campo nuclear. – π- mesones . Definen el campo nuclear por analogía con el campo electromagnético, que surge como resultado del intercambio de fotones.

Energía de enlace

La fuerza de los núcleos se caracteriza por la energía de enlace. La magnitud de la energía de enlace. es igual al trabajo que debe gastarse para destruir el núcleo en sus nucleones constituyentes sin impartirles energía cinética . La misma cantidad de energía se libera durante la formación de un núcleo a partir de nucleones. La energía de enlace nuclear es la diferencia entre la energía de todos los nucleones libres que forman el núcleo y su energía en el núcleo.

Cuando se forma un núcleo, su masa disminuye: la masa del núcleo es menor que la suma de las masas de sus nucleones constituyentes. La disminución de la masa del núcleo durante su formación se explica por la liberación de energía de enlace. La cantidad de energía contenida en la materia está directamente relacionada con su masa por la relación de Einstein

E=mc2 .

V Según esta relación, la masa y la energía son formas diferentes de un mismo fenómeno. Ni la masa ni la energía desaparecen, pero en condiciones apropiadas pasan de una especie a otra, es decir, cualquier cambio en la masa metro sistema corresponde al cambio equivalente en su energía mi.

La diferencia entre la suma de las masas de los nucleones libres y la masa del núcleo se llama defecto de masa núcleo atómico. Si el núcleo con masa metro formado de Z protones con masa metro pags y de (A-Z) neutrones con masa m norte , entonces el defecto de masa Δ metro está determinada por la relación

Cuando se forma un núcleo a partir de partículas, estas últimas, debido a la acción de fuerzas nucleares a pequeñas distancias, se precipitan con gran aceleración unas hacia otras. Los rayos gamma emitidos en este caso solo tienen energía mi S t. y el peso metro .

Por el defecto de masa, usando la ecuación de Einstein ( E \u003d mc 2 ) es posible determinar la energía liberada como resultado de la formación del núcleo, es decir energía de enlace (mi currículum ):

Ecv = Δ metro c 2

La energía de enlace por nucleón (es decir, la energía de enlace total dividida por el número de nucleones en el núcleo) se llama energía de enlace específica :

Cuanto mayor sea el valor absoluto de la energía de enlace específica, más fuerte será la interacción entre los nucleones y más fuerte será el núcleo. La energía de enlace más alta por nucleón, alrededor de 8,75 MeV, es inherente a los elementos de la parte media de la tabla periódica.

Espectros nucleares

El núcleo atómico, como otros objetos del micromundo, es un sistema cuántico. Esto significa que la descripción teórica de sus características requiere la intervención de la teoría cuántica. En la teoría cuántica, la descripción de los estados de los sistemas físicos se basa en funciones de onda, o amplitudes de probabilidadψ(a,t). El cuadrado del módulo de esta función determina la densidad de probabilidad de detectar el sistema en estudio en un estado con característica α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2. El argumento de la función de onda puede ser, por ejemplo, las coordenadas de la partícula.

La naturaleza cuántica de los núcleos atómicos se manifiesta en los patrones de sus espectros de excitación. Los núcleos tienen espectros discretos de posibles estados de energía. Por lo tanto, la cuantización de la energía y una serie de otros parámetros es una propiedad no solo de los átomos, sino también de los núcleos atómicos. El estado del núcleo atómico con la cantidad mínima de energía se llama principal, o normales, los estados con exceso de energía (en comparación con el estado fundamental) se denominan entusiasmado .

Espectro de estados del kernel 12 CON

Los átomos suelen estar en estado excitado durante unos 10 -8 segundos, y los núcleos atómicos excitados se deshacen del exceso de energía en un tiempo mucho más corto, unos 10 -15 - 10 -16 segundos. Al igual que los átomos, los núcleos excitados se liberan del exceso de energía emitiendo cuantos de radiación electromagnética. Estos cuantos se denominan cuantos gamma (o rayos gamma). Un conjunto discreto de estados de energía del núcleo atómico corresponde a un espectro discreto de frecuencias emitidas por los rayos gamma.

Muchos patrones en los espectros nucleares pueden explicarse usando el llamado modelo de capa de la estructura del núcleo atómico. De acuerdo con este modelo, los nucleones en el núcleo no están mezclados en desorden, sino que, como los electrones en un átomo, están dispuestos en grupos unidos, llenando las capas nucleares permitidas. En este caso, las capas de protones y neutrones se llenan de forma independiente. El número máximo de neutrones: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 y protones: 2, 8, 20, 28, 50, 82 en capas llenas se llama magia. Los núcleos con números mágicos de protones y neutrones tienen muchas propiedades notables: un mayor valor de la energía específica de enlace, una menor probabilidad de entrar en una interacción nuclear, resistencia a la desintegración radiactiva, etc. "Doblemente mágicos" son, por ejemplo, los núcleos 4 Él, 16 O, 28 Si. Precisamente por su estabilidad particularmente alta, estos núcleos son los más comunes en la naturaleza.

La transición del núcleo del estado fundamental al estado excitado y su regreso al estado fundamental, desde el punto de vista del modelo de capa, se explica por la transición del nucleón de una capa a otra y viceversa.

Transiciones espontáneas de núcleos desde estados excitados superiores. discreto el espectro del núcleo a inferior (incluido el estado fundamental) se realiza, por regla general, por radiación de γ-quanta, es decir a costa de interacciones electromagnéticas. En la región de altas energías de excitación, cuando E > E ot, los anchos de nivel del núcleo excitado aumentan bruscamente. El hecho es que en la separación del nucleón del núcleo, el papel principal lo juegan las fuerzas nucleares, es decir. interacciones fuertes. La probabilidad de interacciones fuertes es órdenes de magnitud mayor que la probabilidad de interacciones electromagnéticas; por lo tanto, los anchos de decaimiento para interacciones fuertes son grandes y los niveles de espectros nucleares en la región E > E se superponen: el espectro del núcleo se vuelve continuo. El mecanismo principal para el decaimiento de estados altamente excitados de este rango de energía es la emisión de nucleones y agrupaciones (partículas α y deuterones). La emisión de γ-quanta en esta región de altas energías de excitación E > E resp ocurre con menor probabilidad que la emisión de nucleones. Un núcleo excitado tiene, por regla general, varios caminos, o canales, decaer.

La enorme energía de enlace de los nucleones en el núcleo indica que existe una interacción muy intensa entre los nucleones. Esta interacción está en la naturaleza de la atracción. Mantiene los nucleones a distancias cm entre sí, a pesar de la fuerte repulsión de Coulomb entre los protones. La interacción nuclear entre nucleones se denomina interacción fuerte. Se puede describir utilizando el campo de fuerzas nucleares. Hagamos una lista de las características distintivas de estas fuerzas.

1. Las fuerzas nucleares son de corto alcance. Su rango es del orden de . A distancias mucho menores que , la atracción de los nucleones se reemplaza por la repulsión.

2. La interacción fuerte no depende de la carga de los nucleones. Las fuerzas nucleares que actúan entre dos protones, un protón y un neutrón y dos neutrones, son de la misma magnitud. Esta propiedad se denomina independencia de carga de las fuerzas nucleares.

3. Las fuerzas nucleares dependen de la orientación mutua de los espines de los nucleones. Entonces, por ejemplo, un neutrón y un protón se mantienen juntos, formando un deuterón (o deuterón) de núcleo de hidrógeno pesado solo en eso. si sus espines son paralelos entre sí.

4. Las fuerzas nucleares no son centrales. No pueden representarse como dirigidos a lo largo de una línea recta que conecta los centros de los nucleones que interactúan. La no centralidad de las fuerzas nucleares se deriva, en particular, del hecho de que dependen de la orientación de los espines de los nucleones.

5. Las fuerzas nucleares tienen la propiedad de saturación (esto significa que cada nucleón en el núcleo interactúa con un número limitado de nucleones). La saturación se manifiesta en el hecho de que la energía específica de enlace de los nucleones en el núcleo no aumenta con el aumento del número de nucleones, sino que permanece aproximadamente constante. Además, la saturación de las fuerzas nucleares también está indicada por la proporcionalidad del volumen del núcleo al número de nucleones que lo forman (ver fórmula (66.8)).

Según los conceptos modernos, la interacción fuerte se debe al hecho de que los nucleones intercambian virtualmente partículas, llamadas mesones. Para comprender la esencia de este proceso, primero consideremos cómo se ve la interacción electromagnética desde el punto de vista de la electrodinámica cuántica.

La interacción entre partículas cargadas se lleva a cabo a través de un campo electromagnético. Sabemos que este campo se puede representar como una colección de fotones.

Según los conceptos de la electrodinámica cuántica, el proceso de interacción entre dos partículas cargadas, como los electrones, consiste en el intercambio de fotones. Cada partícula crea un campo a su alrededor emitiendo y absorbiendo fotones continuamente. La acción del campo sobre otra partícula se manifiesta como resultado de su absorción de uno de los fotones emitidos por la primera partícula. Tal descripción de la interacción no puede tomarse literalmente. Los fotones a través de los cuales se lleva a cabo la interacción no son fotones reales ordinarios, sino virtuales. En mecánica cuántica, las partículas se denominan virtuales si no pueden detectarse durante su vida. En este sentido, las partículas virtuales pueden llamarse imaginarias.

Para comprender mejor el significado del término "virtual", considere un electrón en reposo. El proceso de creación de un campo en el espacio circundante se puede representar mediante la ecuación

La energía total de un fotón y un electrón es mayor que la energía de un electrón en reposo. En consecuencia, la transformación descrita por la ecuación (69.1) va acompañada de una violación de la ley de conservación de la energía. Sin embargo, para un fotón virtual esta violación es evidente. De acuerdo con la mecánica cuántica, la energía de un estado que existe en el tiempo se determina solo con una precisión que satisface la relación de incertidumbre:

(ver fórmula (20.3)). De esta relación se sigue que la energía del sistema puede sufrir desviaciones AE, cuya duración no debe exceder el valor determinado por la condición (69.2). Por lo tanto, si un fotón virtual emitido por un electrón es absorbido por el mismo u otro electrón antes de que expire el tiempo (donde ), entonces no se puede detectar la violación del vacón de conservación de energía.

Cuando se le da energía adicional a un electrón (esto puede suceder, por ejemplo, cuando choca con otro electrón), se puede emitir un fotón real en lugar de uno virtual, que puede existir indefinidamente.

Durante el tiempo determinado por la condición (69.2), un fotón virtual puede transferir la interacción entre puntos separados por una distancia

La energía del fotón puede ser arbitrariamente pequeña (la frecuencia varía de 0 a ). Por lo tanto, el rango de las fuerzas magnéticas del electrodo es ilimitado.

Si las partículas intercambiadas por los electrones que interactúan tuvieran una masa distinta de cero, entonces el radio de acción de las fuerzas correspondientes estaría limitado por el valor

donde es la longitud de onda Compton de la partícula dada (ver (11.6)). Asumimos que la partícula, el portador de la interacción, se mueve con una velocidad c.

En 1934, I. E. Tamm sugirió que la interacción entre nucleones también se transmite a través de algún tipo de partículas virtuales. En ese momento, aparte de los nucleones, solo se conocían el fotón, el electrón, el positrón y el neutrino. La más pesada de estas partículas, el electrón, tiene una longitud de onda comptoniana (véase (11.7)), que es dos órdenes de magnitud mayor que el radio de acción de las fuerzas nucleares. Además, la magnitud de las fuerzas que podrían deberse a los electrones virtuales, como lo muestran los cálculos, resultó ser extremadamente pequeña. Por lo tanto, el primer intento de explicar las fuerzas nucleares con la ayuda del intercambio de partículas virtuales resultó fallido.

En 1935, el físico japonés H. Yukawa expresó una audaz hipótesis de que en la naturaleza aún existen partículas por descubrir con una masa 200-300 veces mayor que la masa de un electrón, y que estas partículas actúan como portadoras de interacción nuclear, al igual que los fotones. son portadores de interacción electromagnética. Yukawa llamó a estas partículas hipotéticas fotones pesados. Debido a que en términos de masa estas partículas ocupan una posición intermedia entre los electrones y los nucleones, posteriormente fueron denominadas mesones (del griego "mesos" significa medio),

En 1936, Anderson y Neddermeyer descubrieron en los rayos cósmicos partículas con una masa igual a . Inicialmente, se creía que estas partículas, llamadas mesones o muones, eran los portadores de la interacción predicha por Yukawa. Sin embargo, más tarde resultó que los muones interactúan muy débilmente con los nucleones, por lo que no pueden ser responsables de las interacciones nucleares. Solo en 1947, Okchialini y Powell descubrieron otro tipo de mesones en la radiación cósmica, los llamados mesones, o piones, que resultaron ser portadores de las fuerzas nucleares predichas 12 años antes por Yukawa.

Hay mesones positivos, negativos y neutros. La carga de los mesones u es igual a la carga elemental. La masa de los piones cargados es la misma e igual a , la masa del mesón es igual a .

El espín de los mesones neutros y cargados es igual a cero. Las tres partículas son inestables. El tiempo de vida de y -mesones es , -mesones - .

La gran mayoría de los mesones cargados se descomponen según el esquema

(- muones positivos y negativos, v - neutrino, - antineutrino). En promedio, 2,5 de un millón se desintegran de acuerdo con otros esquemas (por ejemplo, etc., y en el caso, es decir, se forma un positrón, y en el caso, es decir, se forma un electrón).

En promedio, los -mesones se descomponen en dos -quanta:

Las desintegraciones restantes se llevan a cabo de acuerdo con los esquemas:

Las partículas llamadas mesones o muones pertenecen a la clase de los leptones (ver § 74) y no a la de los mesones. Por tanto, en lo que sigue los llamaremos muones. Los muones tienen una carga positiva o negativa igual a la carga elemental (no hay muón neutro). La masa del muón es, spin-half. Los muoys, como los mesones, son inestables, se descomponen según el esquema:

El tiempo de vida de ambos muones es el mismo e igual.

Volvamos a la consideración de la interacción de intercambio entre nucleones. Como resultado de procesos virtuales

El nucleón resulta estar rodeado por una nube de mesones virtuales, que forman el campo de fuerzas nucleares. La absorción de estos mesones por otro nucleón da lugar a una fuerte interacción entre nucleones, que se lleva a cabo según uno de los siguientes esquemas:

El número correspondiente de neutrones prácticamente en reposo se encuentra en el objetivo. Es absolutamente increíble que una cantidad tan grande de neutrones transfiera completamente su impulso a protones que descansaban previamente como resultado de impactos frontales. Por tanto, hay que admitir que una parte de los neutrones que vuelan cerca de los protones captura uno de los mesones virtuales. Como resultado, el neutrón se convierte en un protón y el protón que ha perdido su carga se convierte en un neutrón (Fig. 69.2).

Si al nucleón se le da una energía equivalente a la masa del mesón, entonces el mesón virtual puede volverse real. La energía necesaria puede ser impartida por la colisión de nucleones (o núcleos) suficientemente acelerados o por la absorción de un cuanto por un nucleón. A muy altas energías de colisión de plantas, varios reales

1. Las fuerzas nucleares son fuerzas de atracción de corto alcance . Aparecen solo a distancias muy pequeñas entre nucleones en el núcleo del orden de 10 a 15 m. La longitud (1,5 a 2,2) de 10 a 15 m se denomina gama de fuerzas nucleares disminuyen rápidamente al aumentar la distancia entre los nucleones. A una distancia de (2-3) m, la interacción nuclear está prácticamente ausente.

3. Una característica de las fuerzas nucleares es también su independencia de carga , es decir. no dependen de la carga de los nucleones, por lo que las interacciones nucleares entre protones y neutrones son las mismas.La independencia de carga de las fuerzas nucleares se puede ver comparando las energías de enlace núcleos de espejo.¿Cómo se llaman los núcleos?, en el que el número total de nucleones es el mismo, noche el numero de protones en uno es igual al numero de neutrones en el otro. Por ejemplo, las energías de enlace de los núcleos de helio y de hidrógeno pesado - tritio son respectivamente 7,72 MeV y 8.49 MeV La diferencia entre las energías de enlace de estos núcleos, igual a 0,77 MeV, corresponde a la energía de repulsión de Coulomb de dos protones en el núcleo. Suponiendo que este aumento sea igual, se puede encontrar que la distancia promedio r entre protones en el núcleo es de 1.9·10 -15 m, lo cual es consistente con el valor del radio de acción de las fuerzas nucleares.

4. Fuerzas nucleares no son centrales y dependen de la orientación mutua de los espines de los nucleones que interactúan. Esto se confirma por el diferente carácter de la dispersión de neutrones por las moléculas de orto y para hidrógeno. En la molécula de ortohidrógeno, los espines de ambos protones son paralelos entre sí, mientras que en la molécula de parahidrógeno son antiparalelos. Los experimentos han demostrado que la dispersión de neutrones por parahidrógeno es 30 veces mayor que la dispersión por ortohidrógeno.

La naturaleza compleja de las fuerzas nucleares no permite el desarrollo de una sola teoría consistente de la interacción nuclear, aunque se han propuesto muchos enfoques diferentes. Según la hipótesis del físico japonés H. Yukawa (1907-1981), que propuso en 1935, las fuerzas nucleares se deben al intercambio - mesones, es decir partículas elementales, cuya masa es aproximadamente 7 veces menor que la masa de los nucleones. Según este modelo, un nucleón a lo largo del tiempo metro- la masa del mesón) emite un mesón que, moviéndose a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, recorre una distancia, después de lo cual es absorbido por el segundo nucleón. A su vez, el segundo nucleón también emite un mesón, que es absorbido por el primero. En el modelo de H. Yukawa, por lo tanto, la distancia a la que interactúan los nucleones está determinada por el camino libre del mesón, que corresponde a una distancia de aproximadamente metro y coincide en orden de magnitud con el radio de acción de las fuerzas nucleares.

Pregunta 26. reacciones de fisión. En 1938, los científicos alemanes O. Hahn (1879-1968) y F. Strassmann (1902-1980) descubrieron que cuando se bombardea uranio con neutrones, a veces aparecen núcleos que tienen aproximadamente la mitad del tamaño del núcleo de uranio original. Este fenómeno ha sido llamado Fisión nuclear.

Representa la primera reacción observada experimentalmente de transformaciones nucleares. Un ejemplo es una de las posibles reacciones de fisión nuclear del uranio-235:

El proceso de fisión nuclear procede muy rápidamente (en un tiempo de ~10 -12 s). La energía liberada durante una reacción como la (7.14) es de aproximadamente 200 MeV por acto de fisión del núcleo de uranio-235.

En el caso general, la reacción de fisión del núcleo de uranio-235 se puede escribir como:

Neutrones (7.15)

etapa crítica de la fisión y, habiendo emitido un -quantum, vuelve a la principal

condición.

Una característica importante de la reacción de fisión nuclear es la capacidad de implementar sobre su base una reacción nuclear en cadena autosostenida. . Esto se debe al hecho de que en promedio se libera más de un neutrón durante cada evento de fisión. Masa, carga y energía cinética de los fragmentos X y tu, formados en el curso de una reacción de fisión del tipo (7.15) son diferentes. Estos fragmentos son rápidamente desacelerados por el medio, causando ionización, calentamiento y alteración de su estructura. El uso de la energía cinética de los fragmentos de fisión debido a su calentamiento del medio es la base para la conversión de energía nuclear en energía térmica. Los fragmentos de fisión nuclear quedan en estado excitado tras la reacción y pasan al estado fundamental emitiendo β - partículas y -quanta.

reacción nuclear controlada llevado a cabo en reactor nuclear y acompañado de la liberación de energía. El primer reactor nuclear se construyó en 1942 en los EE. UU. (Chicago) bajo la dirección del físico E. Fermi (1901 - 1954). En la URSS, el primer reactor nuclear se creó en 1946 bajo el liderazgo de IV Kurchatov. Luego, tras adquirir experiencia en el control de reacciones nucleares, comenzaron a construir plantas de energía nuclear.

Pregunta 27. fusión nuclear llamada reacción de fusión de protones y neutrones o núcleos ligeros individuales, como resultado de lo cual se forma un núcleo más pesado. Las reacciones de fusión nuclear más simples son:

, ΔQ = 17,59 MeV; (7.17)

Los cálculos muestran que la energía liberada en el proceso de las reacciones de fusión nuclear por unidad de masa supera significativamente la energía liberada en las reacciones de fisión nuclear. Durante la reacción de fisión del núcleo de uranio-235 se liberan aproximadamente 200 MeV, es decir 200:235=0,85 MeV por nucleón, y durante la reacción de fusión (7.17) se libera una energía de aproximadamente 17,5 MeV, es decir 3,5 MeV por nucleón (17,5:5=3,5 MeV). De este modo, el proceso de fusión es aproximadamente 4 veces más eficiente que el proceso de fisión de uranio (calculado por un nucleón del núcleo que participa en la reacción de fisión).

La alta velocidad de estas reacciones y la liberación de energía relativamente alta hacen que una mezcla de componentes iguales de deuterio y tritio sea la más prometedora para resolver el problema. fusión termonuclear controlada. Las esperanzas de la humanidad de resolver sus problemas energéticos están conectadas con la fusión termonuclear controlada. La situación es que las reservas de uranio, como materia prima para las centrales nucleares, son limitadas en la Tierra. Pero el deuterio contenido en el agua de los océanos es una fuente casi inagotable de combustible nuclear barato. La situación con el tritio es algo más complicada. El tritio es radiactivo (su vida media es de 12,5 años, la reacción de descomposición parece :), no se produce en la naturaleza. Por lo tanto, para garantizar el trabajo reactor de fusión que utilice tritio como combustible nuclear, debe preverse la posibilidad de su reproducción.

Para ello, la zona de trabajo del reactor debe estar rodeada por una capa de isótopo ligero de litio, en la que tendrá lugar la reacción.

Como resultado de esta reacción, se forma el isótopo de hidrógeno tritio ().

A futuro se está considerando la posibilidad de crear un reactor termonuclear de baja radiactividad a base de una mezcla de isótopos de deuterio y helio, la reacción de fusión tiene la forma:

MeV.(7.20)

Como resultado de esta reacción, debido a la ausencia de neutrones en los productos de fusión, el riesgo biológico del reactor puede reducirse en cuatro o cinco órdenes de magnitud, tanto en comparación con los reactores de fisión nuclear como con los reactores termonucleares que funcionan con deuterio y combustible de tritio, no hay necesidad de procesamiento industrial de materiales radiactivos y su transporte, simplifica cualitativamente la eliminación de desechos radiactivos. Sin embargo, las perspectivas para la creación en el futuro de un reactor termonuclear ecológico basado en una mezcla de deuterio () con un isótopo de helio () se complican por el problema de las materias primas: las reservas naturales del isótopo de helio en la Tierra son insignificantes. . La influencia del deuterio om en el futuro de la termonuclear respetuosa con el medio ambiente

En el camino hacia la implementación de las reacciones de fusión en condiciones terrestres, surge el problema de la repulsión electrostática de los núcleos ligeros cuando se acercan a distancias en las que comienzan a actuar las fuerzas nucleares de atracción, es decir unos 10 -15 m, después de lo cual se produce el proceso de su fusión debido a efecto túnel. Para superar la barrera de potencial, los núcleos ligeros que chocan deben recibir una energía de ≈10 keV que corresponde a la temperatura T ≈10 8 k y más alto. Por lo tanto, las reacciones termonucleares en condiciones naturales ocurren solo en el interior de las estrellas. Para su aplicación en condiciones terrestres, es necesario un fuerte calentamiento de la sustancia bien por explosión nuclear, bien por una potente descarga de gas, bien por un pulso gigante de radiación láser, bien por bombardeo con un intenso haz de partículas. Las reacciones termonucleares se han llevado a cabo hasta ahora solo en explosiones de prueba de bombas termonucleares (hidrógeno).

Los principales requisitos que debe cumplir un reactor termonuclear como dispositivo de fusión termonuclear controlada son los siguientes.

Primero, confinamiento confiable de plasma caliente (≈10 8 k) en la zona de reacción. La idea fundamental, que determinó durante muchos años la forma de resolver este problema, se expresó a mediados del siglo XX en la URSS, EE.UU. y Gran Bretaña casi simultáneamente. esta idea es uso de campos magneticos para contención y aislamiento térmico de plasma de alta temperatura.

En segundo lugar, cuando se opera con combustible que contiene tritio (que es un isótopo de hidrógeno con alta radiactividad), se producirán daños por radiación en las paredes de la cámara del reactor de fusión. Según los expertos, es poco probable que la resistencia mecánica de la primera pared de la cámara supere los 5-6 años. Esto implica la necesidad de un desmantelamiento completo periódico de la instalación y su posterior montaje con la ayuda de robots que operan a distancia debido a la radiactividad residual excepcionalmente alta.

En tercer lugar, el principal requisito que debe satisfacer la fusión termonuclear es que la energía liberada como resultado de las reacciones termonucleares compense con creces la energía gastada de fuentes externas para mantener la propia reacción. De gran interés son las reacciones termonucleares "puras",

que no producen neutrones (ver (7.20) y la siguiente reacción:

Pregunta 28 α−, β−, γ− radiación.

Bajo radioactividad comprender la capacidad de algunos núcleos atómicos inestables para transformarse espontáneamente en otros núcleos atómicos con la emisión de radiación radiactiva.

radiactividad natural llama la radiactividad observada en isótopos inestables naturales.

radiactividad artificial denominada radiactividad de los isótopos obtenidos como resultado de reacciones nucleares llevadas a cabo en aceleradores y reactores nucleares.

Las transformaciones radiactivas se producen con un cambio en la estructura, composición y estado energético de los núcleos de los átomos, y van acompañadas de la emisión o captura de partículas cargadas o neutras, y la liberación de radiación de onda corta de naturaleza electromagnética (radiación gamma cuantos). ). Estas partículas y cuantos emitidos se denominan colectivamente radioactivo (o ionizante ) radiación, y los elementos cuyos núcleos pueden desintegrarse espontáneamente por una u otra razón (natural o artificial) se denominan radiactivos o radionucleidos . Las causas de la desintegración radiactiva son los desequilibrios entre las fuerzas atractivas nucleares (de corto alcance) y las fuerzas repulsivas electromagnéticas (de largo alcance) de los protones cargados positivamente.

radiación ionizante– el flujo de partículas cargadas o neutras y cuantos de radiación electromagnética, cuyo paso a través de una sustancia conduce a la ionización y excitación de los átomos o moléculas del medio. Por su naturaleza, se divide en fotón (radiación gamma, bremsstrahlung, radiación de rayos X) y corpuscular (radiación alfa, electrón, protón, neutrón, mesón).

De los 2500 nucleidos conocidos actualmente, solo 271 son estables, el resto (¡90%!) son inestables; radioactivo; por una o más desintegraciones sucesivas, acompañadas de la emisión de partículas o cuantos γ, se convierten en nucleidos estables.

El estudio de la composición de la radiación radiactiva permitió dividirla en tres componentes diferentes: radiación α es una corriente de partículas cargadas positivamente - núcleos de helio (), radiación β es el flujo de electrones o positrones, radiación γ – flujo de radiación electromagnética de onda corta.

Por lo general, todos los tipos de radiactividad van acompañados de la emisión de rayos gamma: radiación electromagnética dura de onda corta. Los rayos gamma son la principal forma de reducir la energía de los productos excitados de las transformaciones radiactivas. Un núcleo que sufre una desintegración radiactiva se llama materno; emergente niño el núcleo, por regla general, resulta estar excitado, y su transición al estado fundamental va acompañada de la emisión de un cuanto.

Leyes de conservación. Durante la desintegración radiactiva, se conservan los siguientes parámetros:

1. Cargo . La carga eléctrica no se crea ni se destruye. La carga total antes y después de la reacción debe conservarse, aunque puede estar distribuida de manera diferente entre los distintos núcleos y partículas.

2. Número de masa o el número de nucleones después de la reacción debe ser igual al número de nucleones antes de la reacción.

3. Energía Total . La energía de Coulomb y la energía de las masas equivalentes deben conservarse en todas las reacciones y desintegraciones.

4.momento y momento angular . La conservación del momento lineal es responsable de la distribución de la energía de Coulomb entre núcleos, partículas y/o radiación electromagnética. El momento angular se refiere al giro de las partículas.

desintegración α llamado la emisión de un núcleo atómico α− partículas En α− decaer, como siempre, la ley de conservación de la energía debe ser satisfecha. Al mismo tiempo, cualquier cambio en la energía del sistema corresponde a cambios proporcionales en su masa. Por lo tanto, durante la desintegración radiactiva, la masa del núcleo principal debe exceder la masa de los productos de la desintegración en una cantidad correspondiente a la energía cinética del sistema después de la desintegración (si el núcleo principal estaba en reposo antes de la desintegración). Así, en el caso α− el decaimiento debe satisfacer la condición

donde es la masa del núcleo padre con un número de masa A y número de serie Z, es la masa del núcleo hijo y es la masa α− partículas Cada una de estas masas, a su vez, se puede representar como la suma del número de masa y el defecto de masa:

Sustituyendo estas expresiones por las masas en la desigualdad (8.2), obtenemos la siguiente condición para α− decadencia:, (8.3)

aquellos. la diferencia en los defectos de masa de los núcleos padre e hijo debe ser mayor que el defecto de masa α− partículas Así, en α− desintegración, los números de masa de los núcleos padre e hijo deben diferir entre sí en cuatro. Si la diferencia en los números de masa es igual a cuatro, entonces en , los defectos de masa de los isótopos naturales siempre disminuyen al aumentar A. Así, para , la desigualdad (8.3) no se cumple, ya que el defecto de masa del núcleo más pesado, que debería ser el núcleo madre, es menor que el defecto de masa del núcleo más ligero. Por lo tanto, cuando α− no se produce fisión nuclear. Lo mismo se aplica a la mayoría de los isótopos artificiales. Las excepciones son varios isótopos artificiales ligeros, para los cuales los saltos en la energía de enlace y, por lo tanto, en los defectos de masa, son especialmente grandes en comparación con los isótopos vecinos (por ejemplo, el isótopo de berilio, que se descompone en dos α− partículas).

Energía α− Las partículas producidas durante la descomposición de los núcleos se encuentran en un rango relativamente estrecho de 2 a 11 MeV. En este caso, existe una tendencia a que la vida media disminuya con el aumento de la energía. α− partículas Esta tendencia se manifiesta especialmente en transformaciones radiactivas sucesivas dentro de una misma familia radiactiva (ley de Geiger-Nattall). Por ejemplo, energía α− partículas durante la descomposición del uranio (T \u003d 7.1. 10 8 años) es 4.58 mev, con la descomposición del protactinio (T \u003d 3.4. 10 4 años) - 5.04 Mevy durante la descomposición del polonio (T \u003d 1.83. 10 -3 Con)- 7,36mev.

En términos generales, los núcleos de un mismo isótopo pueden emitir α− partículas con varios valores de energía estrictamente definidos (en el ejemplo anterior, se indica la energía más alta). En otras palabras, α− Las partículas tienen un espectro de energía discreto. Esto se explica de la siguiente manera. El núcleo de desintegración resultante, según las leyes de la mecánica cuántica, puede estar en varios estados diferentes, en cada uno de los cuales tiene una determinada energía. El estado con la energía más baja posible es estable y se llama principal . El resto de los estados se llaman entusiasmado . El núcleo puede permanecer en ellos por un tiempo muy corto (10 -8 - 10 -12 seg), y luego pasa a un estado de menor energía (no necesariamente inmediatamente al principal) con emisión γ− cuántico.

En curso α− Hay dos etapas de descomposición: la formación α− Partículas de nucleones del núcleo y emisión. α− partículas del núcleo.

Decaimiento beta (radiación). El concepto de decaimiento combina tres tipos de transformaciones intranucleares espontáneas: electrónica - decaimiento, positrón - decaimiento y captura de electrones ( mi- captura).

Hay muchos más isótopos beta-radiactivos que alfa-activos. Están presentes en toda la región de variación de los números de masa de los núcleos (desde los núcleos ligeros hasta los más pesados).

La desintegración beta de los núcleos atómicos se debe a interacción débil partículas elementales y, como la descomposición, obedece a ciertas leyes. Durante la desintegración, uno de los neutrones del núcleo se convierte en un protón, mientras emite un electrón y un antineutrino electrónico. Este proceso ocurre según el esquema: . (8.8)

Durante la desintegración, uno de los protones del núcleo se convierte en un neutrón con la emisión de un positrón y un neutrino electrónico:

Un neutrón libre que no forma parte del núcleo se desintegra espontáneamente según la reacción (8.8) con una vida media de unos 12 minutos Esto es posible porque la masa del neutrón a.m.u. mayor que la masa del protón a.m.u. por el valor de a.m.u., que excede el a.m.u. de masa de electrones en reposo. (la masa en reposo del neutrino es cero). La descomposición de un protón libre está prohibida por la ley de conservación de la energía, ya que la suma de las masas en reposo de las partículas resultantes, el neutrón y el positrón, es mayor que la masa del protón. La descomposición (8.9) de un protón, por lo tanto, sólo es posible en el núcleo, si la masa del núcleo hijo es menor que la masa del núcleo padre en un valor que exceda la masa en reposo del positrón (las masas en reposo de los positrón y electrón son iguales). Por otro lado, una condición similar también debe cumplirse en el caso de la desintegración de un neutrón que forma parte del núcleo.

Además del proceso que ocurre según la reacción (8.9), la transformación de un protón en un neutrón también puede ocurrir capturando un electrón por un protón con la emisión simultánea de un neutrino electrónico.

Al igual que el proceso (8.9), el proceso (8.10) no ocurre con un protón libre. Sin embargo, si el protón está dentro del núcleo, entonces puede capturar uno de los electrones orbitales de su átomo, siempre que la suma de las masas del núcleo padre y el electrón sea mayor que la masa del núcleo hijo. La posibilidad misma de un encuentro de protones en el interior del núcleo con los electrones orbitales de un átomo se debe al hecho de que, según la mecánica cuántica, el movimiento de los electrones en un átomo no se produce a lo largo de órbitas estrictamente definidas, como se acepta en la teoría de Bohr. teoría, pero hay alguna probabilidad de encontrar un electrón en cualquier región del espacio dentro del átomo, en particular, y en la región ocupada por el núcleo.

La transformación de un núcleo causada por la captura de un electrón orbital se llama mi- capturar Muy a menudo, se produce la captura de un electrón que pertenece a la capa K más cercana al núcleo (captura K). La captura de un electrón que forma parte de la siguiente capa L (captura L) ocurre aproximadamente 100 veces menos frecuentemente.

Radiación gamma. La radiación gamma es radiación electromagnética de longitud de onda corta, que tiene una longitud de onda extremadamente corta y, como resultado, propiedades corpusculares pronunciadas, es decir, es un flujo de cuantos con energía ( ν − frecuencia de radiación), cantidad de movimiento y espín j(en unidades ħ ).

La radiación gamma acompaña a la desintegración de los núcleos, ocurre durante la aniquilación de partículas y antipartículas, durante la desaceleración de partículas cargadas rápidamente en el medio, durante la desintegración de mesones, está presente en la radiación cósmica, en reacciones nucleares, etc. intermedia, menos excitada estados Por lo tanto, la radiación de un mismo isótopo radiactivo puede contener varios tipos de cuantos, que difieren entre sí en valores de energía. El tiempo de vida de los estados excitados de los núcleos suele aumentar bruscamente a medida que disminuye su energía y aumenta la diferencia entre los espines del núcleo en los estados inicial y final.

La emisión de un cuanto también ocurre durante la transición radiativa del núcleo atómico desde un estado excitado con energía ei en el suelo o estado menos excitado con energía E k (Ei >Ek). Según la ley de conservación de la energía (hasta la energía de retroceso del núcleo), la energía cuántica viene determinada por la expresión: . (8.11)

Durante la radiación, también se cumplen las leyes de conservación del momento y del momento angular.

Debido a la discreción de los niveles de energía del núcleo, la radiación tiene un espectro lineal de energía y frecuencias. De hecho, el espectro de energía del núcleo se divide en regiones discretas y continuas. En la región del espectro discreto, las distancias entre los niveles de energía del núcleo son mucho mayores que el ancho de energía GRAMO nivel determinado por el tiempo de vida del núcleo en este estado:

El tiempo determina la tasa de descomposición de un núcleo excitado:

donde está el número de núcleos en el momento inicial (); número de núcleos no descompuestos a la vez t.

Pregunta 29. Leyes de desplazamiento. Al emitir una partícula, el núcleo pierde dos protones y dos neutrones. Por lo tanto, en el núcleo resultante (hijo), en comparación con el núcleo original (padre), el número de masa es cuatro menos y el número de serie es dos menos.

Así, durante el decaimiento, se obtiene un elemento, que en la tabla periódica ocupa un lugar dos celdas a la izquierda respecto al original: (8.14)

Durante la desintegración, uno de los neutrones del núcleo se convierte en un protón con la emisión de un electrón y un antineutrino (-desintegración). Como resultado de la descomposición, el número de nucleones en el núcleo permanece sin cambios. Por lo tanto, el número de masa no cambia, es decir, hay una transformación de una isobara en otra. Sin embargo, la carga del núcleo hijo y su número ordinal cambian. Durante la desintegración, cuando un neutrón se convierte en un protón, el número de serie aumenta en uno, es decir en este caso, aparece un elemento que se desplaza en la tabla periódica con respecto al original una celda hacia la derecha:

Durante la descomposición, cuando un protón se convierte en un neutrón, el número de serie disminuye en uno y el elemento recién obtenido se desplaza en la tabla periódica una celda hacia la izquierda:

En las expresiones (8.14) − (8.16) X- símbolo del núcleo madre, Y es el símbolo del núcleo hijo, es el núcleo de helio; A= 0 y Z= –1, y un positrón, para el cual A= 0 y Z=+1.

Se forman núcleos naturalmente radiactivos tres familias radiactivas llamado familia del uranio (), familia del torio ()y familia de actinia (). Obtuvieron sus nombres para los isótopos de larga vida con las vidas medias más largas. Todas las familias después de la cadena de desintegraciones α y β terminan en núcleos estables de isótopos de plomo -, y. La familia del neptunio, a partir del elemento transuránico neptunio, se obtiene artificialmente y termina con el isótopo bismuto.