Atomo branduolys, susidedantis iš tam tikro skaičiaus protonų ir neutronų, yra vienas darinys dėl specifinių jėgų, veikiančių tarp branduolio nukleonų ir vadinamų. branduolinis. Eksperimentiškai įrodyta, kad branduolinės jėgos yra labai didelės, gerokai viršijančios elektrostatinės atstūmimo tarp protonų jėgas. Tai pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei Kulono atstūmimo jėgų darbas. Panagrinėkime pagrindinius branduolinių pajėgų bruožus.
1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio traukos jėgos . Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp 10 -15 m eilės branduolyje esančių nukleonų. (1,5 - 2,2) 10 -15 m eilės atstumas vadinamas branduolinių jėgų veikimo spinduliu, jam didėjant, branduolinės jėgos sparčiai mažėja. (2–3) m atstumu branduolinės sąveikos tarp nukleonų praktiškai nėra.
2. Branduolinės pajėgos turi savybę prisotinimas, tie. kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su tam tikru artimiausių kaimynų skaičiumi. Šis branduolinių jėgų pobūdis pasireiškia apytiksliu nukleonų specifinės surišimo energijos pastovumu, esant krūviui. A>40. Iš tiesų, jei nebūtų prisotinimo, tada specifinė surišimo energija padidėtų didėjant nukleonų skaičiui branduolyje.
3. Branduolinių jėgų bruožas yra ir jų apmokestinimo nepriklausomybė , t.y. jie nepriklauso nuo nukleonų krūvio, todėl protonų ir neutronų branduolinės sąveikos yra vienodos. Branduolinių jėgų krūvio nepriklausomumas matomas palyginus rišančias energijas veidrodiniai branduoliai . Taip vadinami branduoliai, kuriuose bendras nukleonų skaičius yra vienodas, bet protonų skaičius viename lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio branduolių ir sunkiojo vandenilio-tričio surišimo energija yra atitinkamai 7,72 MeV ir 8.49 val MeV. Šių branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją. Darant prielaidą, kad ši vertė lygi , galime nustatyti, kad vidutinis atstumas r tarp protonų branduolyje yra 1,9·10 -15 m, o tai atitinka branduolinių jėgų veikimo spindulį.
4. Branduolinės jėgos nėra centrinės ir priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Tai patvirtina skirtingas orto- ir para-vandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida paravandenilyje yra 30 kartų didesnė nei ortovandenilio sklaida.
Sudėtingas branduolinių jėgų pobūdis neleidžia sukurti vienos nuoseklios branduolinės sąveikos teorijos, nors buvo pasiūlyta daug skirtingų požiūrių. Pagal japonų fiziko H. Jukavos hipotezę, kurią jis pasiūlė 1935 m., branduolinės jėgos atsiranda dėl mainų – mezonų, t.y. elementariosios dalelės, kurių masė yra maždaug 7 kartus mažesnė už nukleonų masę. Pagal šį modelį nukleonas laike 
m- mezono masė) išskiria mezoną, kuris, judėdamas artimu šviesos greičiui, nukeliauja atstumą 
, po kurio jį sugeria antrasis nukleonas. Savo ruožtu antrasis nukleonas taip pat išskiria mezoną, kurį sugeria pirmasis. Todėl H. Yukawa modelyje atstumą, kuriuo nukleonai sąveikauja, lemia laisvas mezono kelias, atitinkantis atstumą maždaug m ir pagal dydį sutampa su branduolinių jėgų veikimo spinduliu.
Pereikime prie mainų sąveikos tarp nukleonų svarstymo. Yra teigiami, neigiami ir neutralūs mezonai. Mezonų arba mezonų įkrovos modulis yra skaitiniu požiūriu lygus elementariajam krūviui e. Įkrautų mezonų masė yra tokia pati ir lygi (140 MeV), mezono masė yra 264 (135 MeV). Tiek įkrautų, tiek neutralių mezonų sukinys lygus 0. Visos trys dalelės yra nestabilios. Mezonų ir mezonų gyvenimo trukmė yra 2,6 Su, - mezonas – 0,8 10 -16 Su. Nukleonų sąveika vykdoma pagal vieną iš šių schemų:
(22.7)
1. Nukleonai keičiasi mezonais:
Tokiu atveju išspinduliuoja protonas – mezonas, virstantis neutronu. Mezoną sugeria neutronas, kuris dėl to virsta protonu, tada tas pats procesas vyksta priešinga kryptimi. Taigi kiekvienas iš sąveikaujančių nukleonų dalį laiko praleidžia įkrautoje būsenoje, o dalį – neutralioje būsenoje.
2. Nukleonų mainai – mezonai:
3. Nukleonų mainai – mezonai:
. (22.10)
Visi šie procesai buvo įrodyti eksperimentiškai. Visų pirma, pirmasis procesas patvirtinamas, kai neutronų pluoštas praeina per vandenilį. Spindulyje atsiranda judantys protonai, o taikinyje randamas atitinkamas praktiškai ramybės būsenos neutronų skaičius.
branduolio modeliai. Branduolinių jėgų matematinio dėsnio nebuvimas neleidžia sukurti vieningos branduolio teorijos. Bandymai sukurti tokią teoriją susiduria su rimtais sunkumais. Štai keletas iš jų:
1. Žinių apie tarp nukleonų veikiančias jėgas trūkumas.
2. Nepaprastas kvantinės daugelio kūnų problemos sudėtingumas (branduolis su masės skaičiumi A yra sistema A kūnai).
Šie sunkumai verčia eiti branduolinių modelių, leidžiančių gana paprastomis matematinėmis priemonėmis apibūdinti tam tikrą branduolio savybių rinkinį, kūrimo keliu. Nė vienas iš šių modelių negali pateikti visiškai tikslaus branduolio aprašymo. Todėl reikia naudoti kelis modelius.
Pagal branduolio modelis Branduolinėje fizikoje suprasti fizinių ir matematinių prielaidų visumą, pagal kurias galite apskaičiuoti branduolinės sistemos, susidedančios iš A nukleonai. Buvo pasiūlyta ir sukurta daug įvairaus sudėtingumo modelių. Mes apsvarstysime tik garsiausius iš jų.
Šerdies hidrodinaminis (drop) modelis buvo sukurta 1939 m. N. Boras ir sovietų mokslininkas J. Frenkelis. Jis pagrįstas prielaida, kad dėl didelio nukleonų tankio branduolyje ir itin stiprios tarpusavio sąveikos atskirų nukleonų nepriklausomas judėjimas yra neįmanomas, o branduolys yra įkrauto skysčio lašas, kurio tankis . Kaip ir paprasto skysčio lašo atveju, branduolio paviršius gali svyruoti. Jei virpesių amplitudė tampa pakankamai didelė, įvyksta branduolio dalijimosi procesas. Lašelio modelis leido gauti nukleonų jungimosi branduolyje energijos formulę ir paaiškino kai kurių branduolinių reakcijų mechanizmą. Tačiau šis modelis neleidžia paaiškinti daugumos atomų branduolių sužadinimo spektrų ir kai kurių jų ypatingo stabilumo. Taip yra dėl to, kad hidrodinaminis modelis labai apytiksliai atspindi branduolio vidinės sandaros esmę.
Branduolio apvalkalo modelis 1940-1950 metais sukūrė amerikiečių fizikas M. Goeppertas - Mayeris ir vokiečių fizikas H. Jensenas. Jame daroma prielaida, kad kiekvienas nukleonas nepriklausomai nuo kitų juda tam tikrame vidutinio potencialo lauke (potencialas, kurį gerai sukuria likę branduolio nukleonai. Apvalkalo modelio rėmuose funkcija ne skaičiuojama, o parenkama taip, kad geriausiai atitiktų su eksperimentiniais duomenimis galima pasiekti.
Potencialaus šulinio gylis paprastai yra ~ (40-50) MeV ir nepriklauso nuo nukleonų skaičiaus branduolyje. Remiantis kvantine teorija, nukleonai lauke yra tam tikruose atskiruose energijos lygiuose. Pagrindinė apvalkalo modelio kūrėjų prielaida apie nepriklausomą nukleonų judėjimą vidutinio potencialo lauke prieštarauja pagrindinėms hidrodinaminio modelio kūrėjų nuostatoms. Todėl šerdies charakteristikos, kurias gerai apibūdina hidrodinaminis modelis (pavyzdžiui, surišimo energijos vertė), negali būti paaiškintos apvalkalo modelio rėmuose ir atvirkščiai.
Apibendrintas branduolio modelis 1950-1953 metais sukurtas, apjungia pagrindines hidrodinaminio ir apvalkalo modelių kūrėjų nuostatas. Apibendrintame modelyje daroma prielaida, kad branduolys susideda iš vidinės stabilios dalies – šerdies, kurią sudaro užpildytų apvalkalų nukleonai, ir išorinių nukleonų, judančių šerdies nukleonų sukurtame lauke. Šiuo atžvilgiu šerdies judėjimas aprašomas hidrodinaminiu modeliu, o išorinių nukleonų judėjimas – apvalkalo modeliu. Dėl sąveikos su išoriniais nukleonais šerdis gali deformuotis, o branduolys gali suktis aplink ašį, statmeną deformacijos ašiai. Apibendrintas modelis leido paaiškinti pagrindines atomų branduolių sukimosi ir virpesių spektrų ypatybes, taip pat kai kurių iš jų dideles kvadrupolio elektrinio momento reikšmes.
Svarstėme pagrindinius fenomenologinius, t.y. aprašomieji, pagrindiniai modeliai. Tačiau norint visapusiškai suprasti branduolio sąveikos, lemiančios branduolio savybes ir struktūrą, prigimtį, būtina sukurti teoriją, kurioje branduolys būtų laikomas sąveikaujančių nukleonų sistema.
Atomo branduolys, susidedantis iš tam tikro skaičiaus protonų ir neutronų, yra vienas darinys dėl specifinių jėgų, veikiančių tarp branduolio nukleonų ir vadinamų. branduolinis. Eksperimentiškai įrodyta, kad branduolinės jėgos yra labai didelės, gerokai viršijančios elektrostatinės atstūmimo tarp protonų jėgas. Tai pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei Kulono atstūmimo jėgų darbas. Apsvarstykite pagrindinį branduolinių jėgų bruožai.
1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio traukos jėgos . Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp nukleonų 10–15 m eilės branduolyje.(1,5–2,2) 10–15 m atstumas vadinamas branduolinių jėgų diapazonas, jam didėjant, branduolinės jėgos sparčiai mažėja. (2–3) m atstumu branduolinės sąveikos tarp nukleonų praktiškai nėra.
2. Branduolinės pajėgos turi savybę prisotinimas, tie. kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su tam tikru artimiausių kaimynų skaičiumi. Šis branduolinių jėgų pobūdis pasireiškia apytiksliu nukleonų specifinės surišimo energijos pastovumu, esant krūviui. A>40. Iš tiesų, jei nebūtų prisotinimo, tada specifinė surišimo energija padidėtų didėjant nukleonų skaičiui branduolyje.
3. Branduolinių jėgų bruožas yra ir jų apmokestinimo nepriklausomybė , t.y. jie nepriklauso nuo nukleonų krūvio, todėl protonų ir neutronų branduolinės sąveikos yra vienodos. Branduolinių jėgų krūvio nepriklausomumas matomas palyginus rišančias energijas veidrodiniai branduoliai . Taip vadinami branduoliai, kuriuose bendras nukleonų skaičius yra vienodas, bet protonų skaičius viename lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio branduolių ir sunkiojo vandenilio-tričio surišimo energija yra atitinkamai 7,72 MeV ir 8.49 val MeV. Šių branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją. Darant prielaidą, kad ši vertė lygi , galime nustatyti, kad vidutinis atstumas r tarp protonų branduolyje yra 1,9·10 -15 m, o tai atitinka branduolinių jėgų veikimo spindulį.
4. Branduolinės jėgos nėra centrinės ir priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Tai patvirtina skirtingas orto- ir para-vandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida paravandenilyje yra 30 kartų didesnė nei ortovandenilio sklaida.
Sudėtingas branduolinių jėgų pobūdis neleidžia sukurti vienos nuoseklios branduolinės sąveikos teorijos, nors buvo pasiūlyta daug skirtingų požiūrių. Pagal japonų fiziko H. Jukavos (1907-1981) hipotezę, kurią jis pasiūlė 1935 m., branduolinės jėgos atsiranda dėl mainų – mezonų, t.y. elementariosios dalelės, kurių masė yra maždaug 7 kartus mažesnė už nukleonų masę. Pagal šį modelį nukleonas laike 
m- mezono masė) išskiria mezoną, kuris, judėdamas artimu šviesos greičiui, nukeliauja atstumą 
, po kurio jį sugeria antrasis nukleonas. Savo ruožtu antrasis nukleonas taip pat išskiria mezoną, kurį sugeria pirmasis. Todėl H. Yukawa modelyje atstumą, kuriuo nukleonai sąveikauja, lemia laisvas mezono kelias, atitinkantis atstumą maždaug m ir pagal dydį sutampa su branduolinių jėgų veikimo spinduliu.
Pereikime prie mainų sąveikos tarp nukleonų svarstymo. Yra teigiami, neigiami ir neutralūs mezonai. Mezonų arba mezonų įkrovos modulis yra skaitiniu požiūriu lygus elementariajam krūviui e
. Įkrautų mezonų masė yra tokia pati ir lygi (140 MeV), mezono masė yra 264 (135 MeV). Tiek įkrautų, tiek neutralių mezonų sukinys lygus 0. Visos trys dalelės yra nestabilios. Mezonų ir mezonų gyvenimo trukmė yra 2,6 Su, - mezonas – 0,8 10 -16 Su. Nukleonų sąveika vykdoma pagal vieną iš šių schemų:
1. Nukleonai keičiasi mezonais: . (22.8)
Tokiu atveju išspinduliuoja protonas – mezonas, virstantis neutronu. Mezoną sugeria neutronas, kuris dėl to virsta protonu, tada tas pats procesas vyksta priešinga kryptimi. Taigi kiekvienas iš sąveikaujančių nukleonų dalį laiko praleidžia įkrautoje būsenoje, o dalį – neutralioje būsenoje.
2. Nukleonų mainai – mezonai:
3. Nukleonų mainai – mezonai:
, (22.10)
Visi šie procesai buvo įrodyti eksperimentiškai. Visų pirma, pirmasis procesas patvirtinamas, kai neutronų pluoštas praeina per vandenilį. Spindulyje atsiranda judantys protonai, o taikinyje randamas atitinkamas praktiškai ramybės būsenos neutronų skaičius.
branduolio modeliai. Pagal branduolio modelis Branduolinėje fizikoje suprasti fizinių ir matematinių prielaidų visumą, pagal kurias galite apskaičiuoti branduolinės sistemos, susidedančios iš A nukleonai.
Šerdies hidrodinaminis (drop) modelis Jis pagrįstas prielaida, kad dėl didelio nukleonų tankio branduolyje ir itin stiprios sąveikos tarp jų neįmanomas savarankiškas atskirų nukleonų judėjimas, o branduolys yra įkrauto skysčio lašas, kurio tankis. 
.
Branduolio apvalkalo modelis Daroma prielaida, kad kiekvienas nukleonas juda nepriklausomai nuo kitų tam tikrame vidutiniame potencialo lauke (potencialų šulinyje), kurį sukuria likę branduolio nukleonai.
Apibendrintas branduolio modelis, sujungia pagrindines hidrodinaminio ir apvalkalo modelių kūrėjų nuostatas. Apibendrintame modelyje daroma prielaida, kad branduolys susideda iš vidinės stabilios dalies – šerdies, kurią sudaro užpildytų apvalkalų nukleonai, ir išorinių nukleonų, judančių šerdies nukleonų sukurtame lauke. Šiuo atžvilgiu šerdies judėjimas aprašomas hidrodinaminiu modeliu, o išorinių nukleonų judėjimas – apvalkalo modeliu. Dėl sąveikos su išoriniais nukleonais šerdis gali deformuotis, o branduolys gali suktis aplink ašį, statmeną deformacijos ašiai.
26. Atomų branduolių dalijimosi reakcijos. Atominė energija.
Branduolinės reakcijos vadinamos atomų branduolių transformacijomis, kurias sukelia jų sąveika tarpusavyje arba su kitais branduoliais ar elementariosiomis dalelėmis. Pirmoji žinia apie branduolinę reakciją priklauso E. Rutherfordui. 1919 m. jis išsiaiškino, kad kai - dalelės praeina per azoto dujas, dalis jų yra absorbuojamos, o tuo pačiu metu išsiskiria protonai. Rutherfordas padarė išvadą, kad azoto branduoliai buvo paversti deguonies branduoliais dėl tokios formos branduolinės reakcijos:
, (22.11)
kur − - dalelė; − protonas (vandenilis).
Svarbus branduolinės reakcijos parametras yra jos energijos išeiga, kuri nustatoma pagal formulę:
(22.12)
Čia ir yra likusių dalelių masių sumos prieš ir po reakcijos. Kai branduolinės reakcijos vyksta absorbuojant energiją, jos vadinamos endoterminis, o at – su energijos išleidimu. Šiuo atveju jie vadinami egzoterminis.
Bet kurioje branduolinėje reakcijoje jų visada yra gamtosaugos įstatymai :
− elektros krūvis;
− nukleonų skaičius;
− energija;
− impulsas.
Pirmieji du dėsniai leidžia teisingai užrašyti branduolines reakcijas net tada, kai nežinoma viena iš reakcijoje dalyvaujančių dalelių arba vienas iš jos produktų. Naudojant energijos tvermės ir impulso dėsnius, galima nustatyti reakcijos metu susidarančių dalelių kinetinę energiją, taip pat jų tolesnio judėjimo kryptį.
Endoterminėms reakcijoms apibūdinti pristatoma sąvoka slenkstinė kinetinė energija , arba branduolinės reakcijos slenkstis , tie. mažiausia krintančios dalelės kinetinė energija (atskaitos sistemoje, kur tikslinis branduolys yra ramybės būsenoje), kuriai esant įmanoma branduolinė reakcija. Iš energijos ir impulso tvermės dėsnio išplaukia, kad branduolinės reakcijos slenkstinė energija apskaičiuojama pagal formulę:
. (22.13)
Čia yra branduolinės reakcijos energija (7.12); -nejudančio branduolio masė - taikinys; yra dalelės, patenkančios į branduolį, masė.
dalijimosi reakcijos. 1938 metais vokiečių mokslininkai O. Hahnas ir F. Strassmannas išsiaiškino, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, kartais atsiranda branduolių, kurie yra maždaug perpus mažesni už pradinį urano branduolį. Šis reiškinys buvo vadinamas branduolio dalijimasis.
Tai yra pirmoji eksperimentiškai pastebėta branduolinių transformacijų reakcija. Pavyzdys yra viena iš galimų urano-235 branduolio dalijimosi reakcijų:
Branduolio dalijimosi procesas vyksta labai greitai, ~10-12 s. Energija, kuri išsiskiria vykstant tokiai reakcijai kaip (22.14), yra maždaug 200 MeV vienam urano-235 branduolio skilimo veiksmui.
Bendruoju atveju urano-235 branduolio dalijimosi reakcija gali būti parašyta taip:
+neutronai .
(22.15)
Skilimo reakcijos mechanizmas gali būti paaiškintas hidrodinaminio branduolio modelio rėmuose. Pagal šį modelį urano branduoliui sugertas neutronas pereina į sužadinimo būseną (22.2 pav.).
Energijos perteklius, kurį branduolys gauna dėl neutrono sugerties, sukelia intensyvesnį nukleonų judėjimą. Dėl to branduolys deformuojasi, o tai lemia trumpojo nuotolio branduolinės sąveikos susilpnėjimą. Jei branduolio sužadinimo energija yra didesnė už tam tikrą energiją, vadinamą aktyvacijos energija , tada, veikiamas elektrostatinio protonų atstūmimo, branduolys suskyla į dvi dalis, kurių emisija dalijimosi neutronai . Jei sužadinimo energija absorbuojant neutroną yra mažesnė už aktyvacijos energiją, tai branduolys nepasiekia
kritinė dalijimosi stadija ir, išskyręs kvantą, grįžta į pagrindinį
Tarp nukleonų, sudarančių branduolį, veikia branduolines pajėgas , gerokai viršijantis Kulono atstūmimo jėgas tarp protonų. Elementariųjų dalelių lauko teorijos požiūriu branduolinės jėgos daugiausia yra artimosios zonos nukleonų magnetinių laukų sąveikos jėgos. Esant dideliems atstumams, tokios sąveikos potenciali energija mažėja pagal dėsnį 1/r 3 – tai paaiškina jų trumpojo nuotolio pobūdį. Per atstumą (3 ∙ 10 -13 cm) branduolinės jėgos tampa dominuojančiomis, o mažesniais nei (9,1 ∙ 10 -14 cm) atstumais virsta dar galingesnėmis atstumiančiomis jėgomis.
branduolines pajėgas yra trumpas atstumas pajėgos. Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp nukleonų 10–15 m eilės branduolyje Ilgis (1,5–2,2) 10–15 m vadinamas branduolinių jėgų diapazonas.
Branduolinės pajėgos atranda apmokestinimo nepriklausomybė : trauka tarp dviejų nukleonų yra vienoda nepriklausomai nuo nukleonų įkrovos būsenos – protono ar neutrono. Branduolinių jėgų krūvio nepriklausomumas matomas palyginus rišančias energijas veidrodiniai branduoliai . Kaip vadinami branduoliai?,kuriame bendras nukleonų skaičius yra vienodas,bet protonų skaičius viename lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio ir sunkiojo vandenilio – tričio branduoliai. Šių branduolių surišimo energija yra 7,72 MeV ir 8,49 MeV.
Branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją.
Branduolinės pajėgos turi prisotinimo savybė , kuris pasireiškia, kad nukleonas branduolyje sąveikauja tik su ribotu skaičiumi arčiausiai jo esančių gretimų nukleonų. Štai kodėl yra tiesinė branduolių surišimo energijos priklausomybė nuo jų masės skaičiaus A. Beveik visiškas branduolinių jėgų prisotinimas pasiekiamas α-dalelėje, kuri yra labai stabili darinys.
Branduolinės jėgos priklauso nuo sukimosi orientacijos sąveikaujantys nukleonai. Tai patvirtina skirtingas orto- ir para-vandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida paravandenilyje yra 30 kartų didesnė nei ortovandenilio sklaida. branduolines pajėgas nėra centrinės.
Nukleonų sąveika atsiranda dėl branduolinio lauko kvantų emisijos ir absorbcijos. – π- mezonai . Jie apibrėžia branduolinį lauką pagal analogiją su elektromagnetiniu lauku, kuris atsiranda dėl fotonų mainų.
Ryšio energija
Branduolių stiprumui būdinga surišimo energija. Ryšio energijos dydis yra lygus darbui, kurį reikia atlikti norint sunaikinti branduolį į jį sudarančius nukleonus, nesuteikiant jiems kinetinės energijos . Toks pat energijos kiekis išsiskiria iš nukleonų formuojantis branduoliui. Branduolinio surišimo energija yra skirtumas tarp visų laisvųjų nukleonų, sudarančių branduolį, energijos ir jų energijos branduolyje.
Susidarius branduoliui jo masė mažėja: branduolio masė mažesnė už jį sudarančių nukleonų masių sumą. Branduolio masės sumažėjimas jo formavimosi metu paaiškinamas surišimo energijos išsiskyrimu. Medžiagoje esantis energijos kiekis yra tiesiogiai susijęs su jos mase pagal Einšteino ryšį
E = mc2 .
V Pagal šį ryšį masė ir energija yra skirtingos to paties reiškinio formos. Nei masė, nei energija neišnyksta, bet atitinkamomis sąlygomis jie praeina iš vienos rūšies į kitą, t.y. bet koks masės pokytis m sistema atitinka lygiavertį jos energijos pokytį E.
Skirtumas tarp laisvųjų nukleonų masių sumos ir branduolio masės vadinamas masės defektas atomo branduolys. Jei branduolys su mase m suformuota iš Z protonai, turintys masę m p ir iš (A–Z) neutronai, turintys masę m n , tada masės defektas Δ m nustatomas pagal santykį
Kai iš dalelių susidaro branduolys, pastarosios dėl branduolinių jėgų veikimo nedideliais atstumais su dideliu pagreičiu veržiasi viena link kitos. Šiuo atveju skleidžiami gama spinduliai tiesiog turi energijos E Šv. ir svorio m .
Pagal masės defektą, naudojant Einšteino lygtį ( E \u003d mc 2 ) galima nustatyti branduolio susidarymo pasekoje išsiskiriančią energiją, t.y. ryšio energija (E cv ):
E cv = Δ m c 2
Surišimo energija vienam nukleonui (t. y. bendra surišimo energija, padalyta iš nukleonų skaičiaus branduolyje) vadinama specifinė surišimo energija :
Kuo didesnė specifinės surišimo energijos absoliuti vertė, tuo stipresnė sąveika tarp nukleonų ir tuo stipresnis branduolys. Didžiausia surišimo energija vienam nukleonui, apie 8,75 MeV, būdinga periodinės lentelės vidurinės dalies elementams.
Branduoliniai spektrai
Atomo branduolys, kaip ir kiti mikropasaulio objektai, yra kvantinė sistema. Tai reiškia, kad teoriniam jo charakteristikų aprašymui reikia įtraukti kvantinę teoriją. Kvantinėje teorijoje fizinių sistemų būsenų aprašymas remiasi bangų funkcijos, arba tikimybių amplitudėsψ(α,t). Šios funkcijos modulio kvadratas nusako tikimybės tankį aptikti tiriamą sistemą būsenoje, kurios charakteristika α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2. Banginės funkcijos argumentas gali būti, pavyzdžiui, dalelės koordinatės.
Atominių branduolių kvantinė prigimtis pasireiškia jų sužadinimo spektrų modeliuose. Branduolys turi atskirus galimų energijos būsenų spektrus. Taigi energijos ir daugelio kitų parametrų kvantavimas yra ne tik atomų, bet ir atomų branduolių savybė. Atomo branduolio būsena su minimaliu energijos kiekiu vadinama pagrindinis, arba normalios, vadinamos būsenos, turinčios energijos perteklių (palyginti su pagrindine būsena). susijaudinęs .
Branduolio būsenų spektras 12 SU
Atomai paprastai būna sužadinimo būsenose apie 10 -8 sekundes, o sužadinti atomų branduoliai energijos pertekliaus atsikrato per daug trumpesnį laiką – apie 10 -15 - 10 -16 sekundžių. Kaip ir atomai, sužadinti branduoliai išsiskiria iš energijos pertekliaus, išskirdami elektromagnetinės spinduliuotės kvantus. Šie kvantai vadinami gama kvantais (arba gama spinduliais). Atskiras atomo branduolio energetinių būsenų rinkinys atitinka jų gama spindulių skleidžiamą diskrečiųjų dažnių spektrą.
Daugelį branduolinių spektrų modelių galima paaiškinti naudojant vadinamąjį atomo branduolio struktūros apvalkalo modelį. Pagal šį modelį nukleonai branduolyje nesusimaišę netvarkingai, o, kaip ir elektronai atome, išsidėstę į surištas grupes, užpildydami leistinus branduolio apvalkalus. Šiuo atveju protonų ir neutronų apvalkalai užpildomi nepriklausomai vienas nuo kito. Maksimalus neutronų skaičius: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 ir protonų: 2, 8, 20, 28, 50, 82 užpildytuose apvalkaluose vadinamas magija. Branduoliai su magišku protonų ir neutronų skaičiumi turi daug nuostabių savybių: padidinta specifinės surišimo energijos vertė, mažesnė tikimybė patekti į branduolinę sąveiką, atsparumas radioaktyviam skilimui ir kt. „Dviguba magija“ yra, pavyzdžiui, branduoliai. 4 Jis, 16 O, 28 Si. Būtent dėl savo ypač didelio stabilumo šie branduoliai yra labiausiai paplitę gamtoje.
Branduolio perėjimas iš pagrindinės būsenos į sužadintą būseną ir jo grįžimas į pagrindinę būseną, apvalkalo modelio požiūriu, paaiškinamas nukleono perėjimu iš vieno apvalkalo į kitą ir atgal.
Spontaniški branduolių perėjimai iš aukštesnio sužadinimo būsenų diskretus branduolio spektras į žemesnę (įskaitant pagrindinę būseną) paprastai realizuojamas spinduliuojant γ-kvantus, t.y. kaina elektromagnetinės sąveikos. Didelių sužadinimo energijų srityje, kai E > E ot, sužadinto branduolio lygių pločiai smarkiai padidėja. Faktas yra tas, kad atskiriant nukleoną nuo branduolio pagrindinį vaidmenį atlieka branduolinės jėgos – t.y. stiprios sąveikos. Stiprios sąveikos tikimybė yra eilėmis didesnė nei elektromagnetinių, todėl stiprios sąveikos skilimo pločiai yra dideli, o branduolio spektrų lygiai regione E > E sep persidengia – branduolio spektras tampa tolydis. Pagrindinis šio energijos diapazono labai sužadintų būsenų skilimo mechanizmas yra nukleonų ir klasterių (α-dalelių ir deuteronų) emisija. γ-kvantų emisija šioje didelės sužadinimo energijos srityje E > E resp įvyksta su mažesne tikimybe nei nukleonų emisija. Sužadintas branduolys, kaip taisyklė, turi kelis kelius arba kanalai, skilimas.
Didžiulė nukleonų surišimo energija branduolyje rodo, kad tarp nukleonų vyksta labai intensyvi sąveika. Ši sąveika yra traukos prigimtis. Jis išlaiko nukleonus cm atstumu vienas nuo kito, nepaisant stipraus Kulono atstūmimo tarp protonų. Branduolinė sąveika tarp nukleonų vadinama stipriąja sąveika. Jį galima apibūdinti naudojant branduolinių jėgų lauką. Išvardinkime išskirtinius šių jėgų bruožus.
1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio. Jų diapazonas yra . Daug mažesniais nei atstumais nukleonų trauką pakeičia atstūmimas.
2. Stipri sąveika nepriklauso nuo nukleonų krūvio. Branduolinės jėgos, veikiančios tarp dviejų protonų, protono ir neutrono bei dviejų neutronų, yra tokio paties dydžio. Ši savybė vadinama branduolinių jėgų krūvio nepriklausomumu.
3. Branduolinės jėgos priklauso nuo nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Taigi, pavyzdžiui, neutronas ir protonas yra laikomi kartu, sudarydami sunkųjį vandenilio branduolį deuteroną (arba deuteroną). jei jų sukiniai yra lygiagrečiai vienas kitam.
4. Branduolinės jėgos nėra pagrindinės. Jie negali būti pavaizduoti kaip nukreipti išilgai tiesia linija, jungiančia sąveikaujančių nukleonų centrus. Branduolinių jėgų necentriškumas visų pirma išplaukia iš to, kad jos priklauso nuo nukleono sukinių orientacijos.
5. Branduolinės jėgos turi prisotinimo savybę (tai reiškia, kad kiekvienas branduolio nukleonas sąveikauja su ribotu skaičiumi nukleonų). Prisotinimas pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų jungimosi energija branduolyje nedidėja didėjant nukleonų skaičiui, o išlieka maždaug pastovi. Be to, branduolinių jėgų prisotinimą rodo ir branduolio tūrio proporcingumas jį sudarančių nukleonų skaičiui (žr. (66.8) formulę).
Remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, stipri sąveika atsiranda dėl to, kad nukleonai praktiškai keičiasi dalelėmis, vadinamomis mezonais. Norėdami suprasti šio proceso esmę, pirmiausia panagrinėkime, kaip atrodo elektromagnetinė sąveika kvantinės elektrodinamikos požiūriu.
Įkrautų dalelių sąveika vyksta per elektromagnetinį lauką. Žinome, kad šį lauką galima pavaizduoti kaip fotonų rinkinį.
Remiantis kvantinės elektrodinamikos sąvokomis, dviejų įkrautų dalelių, tokių kaip elektronai, sąveikos procesas susideda iš keitimosi fotonais. Kiekviena dalelė sukuria aplink save lauką, nuolat spinduliuodama ir sugerdama fotonus. Lauko poveikis kitai dalelei pasireiškia sugėrus vieną iš pirmosios dalelės skleidžiamų fotonų. Tokio sąveikos aprašymo negalima suprasti pažodžiui. Fotonai, per kuriuos vyksta sąveika, yra ne įprasti tikri, o virtualūs fotonai. Kvantinėje mechanikoje dalelės vadinamos virtualiosiomis, jei jų neįmanoma aptikti per visą jų gyvenimą. Šia prasme virtualiąsias daleles galima vadinti įsivaizduojamomis.
Norėdami geriau suprasti termino „virtualus“ reikšmę, apsvarstykite elektroną ramybės būsenoje. Lauko supančioje erdvėje kūrimo procesą galima pavaizduoti lygtimi
Bendra fotono ir elektrono energija yra didesnė už elektrono energiją ramybės būsenoje. Vadinasi, (69.1) lygtimi aprašytą transformaciją lydi energijos tvermės dėsnio pažeidimas. Tačiau virtualiam fotonui šis pažeidimas akivaizdus. Pagal kvantinę mechaniką, būsenos, kuri egzistuoja laiku, energija nustatoma tik tokiu tikslumu, kuris tenkina neapibrėžtumo santykį:
(žr. (20.3) formulę). Iš šio ryšio išplaukia, kad sistemos energija gali patirti nuokrypių AE, kurių trukmė neturi viršyti sąlyga (69.2) nustatytos vertės. Todėl, jei elektrono išspinduliuotas virtualus fotonas yra sugertas to paties ar kito elektrono nepasibaigus laikui (kur ), tada energijos taupymo vakono pažeidimas negali būti aptiktas.
Kai elektronui suteikiama papildomos energijos (taip gali nutikti, pavyzdžiui, jam susidūrus su kitu elektronu), gali būti išspinduliuotas tikras fotonas, o ne virtualus, kuris gali egzistuoti neribotą laiką.
Sąlygos (69.2) nustatytą laiką virtualus fotonas gali perduoti sąveiką tarp taškų, atskirtų atstumu
Fotono energija gali būti savavališkai maža (dažnis svyruoja nuo 0 iki ). Todėl elektrodo magnetinių jėgų diapazonas yra neribotas.
Jei dalelių, kuriomis keičiasi sąveikaujantys elektronai, masė būtų kitokia nei nulis, atitinkamų jėgų veikimo spindulį ribotų vertė
kur yra duotosios dalelės Komptono bangos ilgis (žr. (11.6)). Darėme prielaidą, kad dalelė – sąveikos nešėja – juda greičiu c.
1934 metais I. E. Tammas pasiūlė, kad nukleonų sąveika taip pat perduodama per kažkokias virtualias daleles. Tuo metu, be nukleonų, buvo žinomi tik fotonas, elektronas, pozitronas ir neutrinas. Sunkiausios iš šių dalelių – elektrono – Komptono bangos ilgis (žr. (11.7)), kuris yra dviem dydžiais didesnis už branduolinių jėgų veikimo spindulį. Be to, jėgų, galinčių atsirasti dėl virtualių elektronų, dydis, kaip rodo skaičiavimai, pasirodė esąs itin mažas. Taigi pirmasis bandymas paaiškinti branduolines jėgas virtualių dalelių mainų pagalba buvo nesėkmingas.
1935 metais japonų fizikas H. Yukawa išreiškė drąsią hipotezę, kad gamtoje vis dar yra neatrastų dalelių, kurių masė 200-300 kartų didesnė už elektrono masę, ir kad šios dalelės veikia kaip branduolinės sąveikos nešėjos, kaip ir fotonai. yra elektromagnetinės sąveikos nešėjai. Jukava šias hipotetines daleles pavadino sunkiais fotonais. Dėl to, kad pagal masę šios dalelės užima tarpinę padėtį tarp elektronų ir nukleonų, vėliau jos buvo vadinamos mezonais (graikiškai „mesos“ reiškia terpę).
1936 m. Andersonas ir Neddermeyeris kosminiuose spinduliuose atrado daleles, kurių masė lygi . Iš pradžių buvo manoma, kad šios dalelės, vadinamos mezonais arba miuonais, yra Jukavos numatytos sąveikos nešėjai. Tačiau vėliau paaiškėjo, kad miuonai labai silpnai sąveikauja su nukleonais, todėl jie negali būti atsakingi už branduolinę sąveiką. Tik 1947 m. Okchialini ir Powellas atrado kitą kosminės spinduliuotės mezonų tipą - vadinamuosius -mezonus arba pionus, kurie pasirodė esąs branduolinių jėgų nešėjai, kuriuos prieš 12 metų numatė Yukawa.
Yra teigiami neigiami ir neutralūs mezonai. U-mezonų krūvis lygus elementariajam krūviui. Įkrautų pionų masė yra tokia pati ir lygi , mezono masė lygi .
Tiek įkrautų, tiek neutralių -mezonų sukinys lygus nuliui.Visos trys dalelės yra nestabilios. Ir -mezonų gyvavimo laikas yra , -mezonai - .
Didžioji dauguma įkrautų mezonų skyla pagal schemą
( - teigiami ir neigiami miuonai, v - neutrinas, - antineutrinas). Vidutiniškai 2,5 skilimo iš milijono vyksta pagal kitas schemas (pavyzdžiui ir pan., o tuo atveju, t.y., susidaro pozitronas, o atveju, t.y., susidaro elektronas).
Vidutiniškai -mezonai skyla į du kvantus:
Likę skilimai atliekami pagal schemas:
Dalelės, vadinamos -mezonais arba miuonais, priklauso leptonų klasei (žr. § 74), o ne mezonų. Todėl toliau juos vadinsime miuonais. Miuonai turi teigiamą arba neigiamą krūvį, lygų elementariajam krūviui (neutralaus miuono nėra). Miuono masė yra , spin - pusė . Muosai, kaip ir mezonai, yra nestabilūs, suyra pagal schemą:
Abiejų miuonų gyvenimo trukmė yra vienoda ir vienoda.
Pereikime prie mainų sąveikos tarp nukleonų svarstymo. Dėl virtualių procesų
Nukleoną supa virtualių mezonų debesis, kurie sudaro branduolinių jėgų lauką. Šių mezonų absorbcija kitu nukleonu sukelia stiprią nukleonų sąveiką, kuri atliekama pagal vieną iš šių schemų:
Atitinkamas praktiškai ramybės būsenos neutronų skaičius randamas taikinyje. Visiškai neįtikėtina, kad toks didelis neutronų skaičius dėl priekinio smūgio visiškai perkeltų savo impulsą anksčiau ramybėje buvusiems protonams. Todėl tenka pripažinti, kad dalis šalia protonų skrendančių neutronų užfiksuoja vieną iš virtualių mezonų. Dėl to neutronas virsta protonu, o netekęs krūvio – neutronu (69.2 pav.).
Jei nukleonui suteikiama energija, lygiavertė -mezono masei, tada virtualus -mezonas gali tapti tikras. Reikiama energija gali būti suteikta susidūrus pakankamai pagreitintam nukleonams (arba branduoliams) arba nukleonui sugeriant kvantą. Esant labai didelei susiduriančių augalų energijai, kelios tikros
Atomo branduolys, susidedantis iš tam tikro skaičiaus protonų ir neutronų, yra vienas darinys dėl specifinių jėgų, veikiančių tarp branduolio nukleonų ir vadinamų. branduolinis. Eksperimentiškai įrodyta, kad branduolinės jėgos yra labai didelės, gerokai viršijančios elektrostatinės atstūmimo tarp protonų jėgas. Tai pasireiškia tuo, kad specifinė nukleonų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei Kulono atstūmimo jėgų darbas. Panagrinėkime pagrindinius branduolinių pajėgų bruožus.
1. Branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio traukos jėgos . Jie atsiranda tik labai nedideliais atstumais tarp nukleonų 10–15 m eilės branduolyje Ilgis (1,5–2,2) 10–15 m vadinamas branduolinių jėgų diapazonas jų sparčiai mažėja didėjant atstumui tarp nukleonų. (2–3) m atstumu branduolinės sąveikos praktiškai nėra.
2. Branduolinės pajėgos turi savybę prisotinimas, tie. kiekvienas nukleonas sąveikauja tik su tam tikru artimiausių kaimynų skaičiumi. Šis branduolinių jėgų pobūdis pasireiškia apytiksliu nukleonų specifinės surišimo energijos pastovumu, esant krūviui. A>40. Iš tiesų, jei nebūtų prisotinimo, tada specifinė surišimo energija padidėtų didėjant nukleonų skaičiui branduolyje.
3. Branduolinių jėgų bruožas yra ir jų apmokestinimo nepriklausomybė , t.y. jie nepriklauso nuo nukleonų krūvio, todėl protonų ir neutronų branduolinės sąveikos yra vienodos Branduolinių jėgų nepriklausomybę nuo krūvio matyti iš rišamųjų energijų palyginimo. veidrodiniai branduoliai.Kaip vadinami branduoliai?, kuriame bendras nukleonų skaičius yra vienodas, naktį protonų skaičius vienoje yra lygus neutronų skaičiui kitame. Pavyzdžiui, helio branduolių ir sunkiojo vandenilio-tričio surišimo energija yra atitinkamai 7,72 MeV ir 8.49 val MeVŠių branduolių surišimo energijų skirtumas, lygus 0,77 MeV, atitinka dviejų branduolyje esančių protonų Kulono atstūmimo energiją. Darant prielaidą, kad šis padidėjimas yra lygus, galima nustatyti, kad vidutinis atstumas r tarp protonų branduolyje yra 1,9·10 -15 m, o tai atitinka branduolinių jėgų veikimo spindulio vertę.
4. Branduolinės jėgos nėra centrinės ir priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos. Tai patvirtina skirtingas orto- ir para-vandenilio molekulių neutronų sklaidos pobūdis. Ortovandenilio molekulėje abiejų protonų sukiniai yra lygiagretūs vienas kitam, o paravandenilio molekulėje – antilygiagretūs. Eksperimentai parodė, kad neutronų sklaida paravandeniu yra 30 kartų didesnė nei ortovandenilio sklaida.
Sudėtingas branduolinių jėgų pobūdis neleidžia sukurti vienos nuoseklios branduolinės sąveikos teorijos, nors buvo pasiūlyta daug skirtingų požiūrių. Pagal japonų fiziko H. Jukavos (1907-1981) hipotezę, kurią jis pasiūlė 1935 m., branduolinės jėgos atsiranda dėl mainų – mezonų, t.y. elementariosios dalelės, kurių masė yra maždaug 7 kartus mažesnė už nukleonų masę. Pagal šį modelį nukleonas laikui bėgant m- mezono masė) išspinduliuoja mezoną, kuris, judėdamas artimu šviesos greičiui, nukeliauja atstumą, po kurio jį sugeria antrasis nukleonas. Savo ruožtu antrasis nukleonas taip pat išskiria mezoną, kurį sugeria pirmasis. Todėl H. Yukawa modelyje atstumą, kuriuo nukleonai sąveikauja, lemia laisvas mezono kelias, atitinkantis atstumą maždaug m ir pagal dydį sutampa su branduolinių jėgų veikimo spinduliu.
26 klausimas. dalijimosi reakcijos. 1938 metais vokiečių mokslininkai O. Hahnas (1879-1968) ir F. Strassmannas (1902-1980) atrado, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, kartais atsiranda branduolių, kurie yra maždaug perpus mažesni už pradinį urano branduolį. Šis reiškinys buvo vadinamas branduolio dalijimasis.
Tai yra pirmoji eksperimentiškai pastebėta branduolinių transformacijų reakcija. Pavyzdys yra viena iš galimų urano-235 branduolio dalijimosi reakcijų:
Branduolio dalijimosi procesas vyksta labai greitai (per ~10-12 s). Energija, išsiskirianti vykstant tokiai reakcijai kaip (7.14), yra maždaug 200 MeV vienam urano-235 branduolio skilimo veiksmui.
Bendruoju atveju urano-235 branduolio dalijimosi reakcija gali būti parašyta taip:
Neutronai (7,15)
Skilimo reakcijos mechanizmas gali būti paaiškintas hidrodinaminio branduolio modelio rėmuose. Pagal šį modelį urano branduoliui sugertas neutronas pereina į sužadinimo būseną (7.2 pav.).
Energijos perteklius, kurį branduolys gauna dėl neutrono sugerties, sukelia intensyvesnį nukleonų judėjimą. Dėl to branduolys deformuojasi, o tai lemia trumpojo nuotolio branduolinės sąveikos susilpnėjimą. Jei branduolio sužadinimo energija yra didesnė už tam tikrą energiją, vadinamą aktyvacijos energija , tada, veikiamas elektrostatinio protonų atstūmimo, branduolys suskyla į dvi dalis, kurių emisija dalijimosi neutronai . Jei sužadinimo energija absorbuojant neutroną yra mažesnė už aktyvacijos energiją, tai branduolys nepasiekia
kritinė dalijimosi stadija ir, išskyręs -kvantą, grįžta į pagrindinį
sąlyga.
Svarbus branduolio dalijimosi reakcijos bruožas yra galimybė jos pagrindu įgyvendinti savaime išsilaikančią grandininę branduolinę reakciją. . Taip yra dėl to, kad per kiekvieną dalijimosi įvykį vidutiniškai išsiskiria daugiau nei vienas neutronas. Fragmentų masė, krūvis ir kinetinė energija X ir U,(7.15) tipo dalijimosi reakcijos metu susidarančios skirtingos. Šiuos fragmentus greitai sulėtina terpė, sukeldama jonizaciją, kaitinimą ir jos struktūros sutrikimą. Skilimo fragmentų kinetinės energijos panaudojimas dėl jų kaitinimo terpėje yra pagrindas branduolinei energijai paversti šilumine energija. Branduolio dalijimosi fragmentai po reakcijos yra sužadintos ir išspinduliuodami pereina į pradinę būseną β - dalelės ir -kvantai.
Kontroliuojama branduolinė reakcija atliktas m branduolinis reaktorius ir lydimas energijos išlaisvinimo. Pirmasis branduolinis reaktorius buvo pastatytas 1942 metais JAV (Čikagoje), vadovaujant fizikui E. Fermi (1901 - 1954). SSRS pirmasis branduolinis reaktorius buvo sukurtas 1946 m., vadovaujant IV Kurchatovui. Tada, įgiję branduolinių reakcijų valdymo patirties, pradėjo statyti atomines elektrines.
27 klausimas. branduolių sintezė vadinama protonų ir neutronų arba atskirų lengvųjų branduolių sintezės reakcija, kurios pasekoje susidaro sunkesnis branduolys. Paprasčiausios branduolių sintezės reakcijos yra:
, ΔQ = 17,59 MeV; (7.17)
Skaičiavimai rodo, kad branduolių sintezės reakcijų procese išsiskirianti energija masės vienetui gerokai viršija energiją, išsiskiriančią vykstant branduolio dalijimosi reakcijoms. Vykstant urano-235 branduolio dalijimosi reakcijai, išsiskiria maždaug 200 MeV, t.y. 200:235=0,85 MeV vienam nukleonui, o sintezės reakcijos metu (7,17) išsiskiria maždaug 17,5 MeV energija, tai yra 3,5 MeV vienam nukleonui (17,5:5=3,5 MeV). Šiuo būdu, sintezės procesas yra maždaug 4 kartus efektyvesnis nei urano dalijimosi procesas (skaičiuojama vienam dalijimosi reakcijoje dalyvaujančio branduolio nukleonui).
Dėl didelio šių reakcijų greičio ir santykinai didelio energijos išsiskyrimo vienodo komponento deuterio ir tričio mišinys yra perspektyviausias sprendžiant problemą. valdoma termobranduolinė sintezė. Žmonijos viltys išspręsti savo energetines problemas yra susijusios su valdoma termobranduoline sinteze. Situacija tokia, kad urano, kaip žaliavos atominėms elektrinėms, atsargos Žemėje yra ribotos. Tačiau vandenynų vandenyje esantis deuteris yra beveik neišsenkantis pigaus branduolinio kuro šaltinis. Su tričiu padėtis yra šiek tiek sudėtingesnė. Tritis radioaktyvus (jo pusinės eliminacijos laikas 12,5 metų, skilimo reakcija atrodo taip:), gamtoje nebūna. Todėl norint užtikrinti darbą sintezės reaktorius kuri naudoja tritį kaip branduolinį kurą, turėtų būti sudaryta galimybė jį dauginti.
Tam tikslui reaktoriaus darbo zona turi būti apsupta lengvo ličio izotopo sluoksniu, kuriame vyks reakcija.
Dėl šios reakcijos susidaro vandenilio izotopas tritis ().
Ateityje svarstoma galimybė sukurti mažai radioaktyvų termobranduolinį reaktorių deuterio ir helio izotopų mišinio pagrindu, sintezės reakcija yra tokia:
MeV.(7.20)
Dėl šios reakcijos, nes sintezės produktuose nėra neutronų, biologinis reaktoriaus pavojus gali sumažėti keturiomis-penkiomis dydžių eilėmis, palyginti su branduolio dalijimosi reaktoriais ir su termobranduoliniais reaktoriais, veikiančiais deuterio ir deuterio pagrindu. tričio kuro, nereikalauja pramoninio radioaktyviųjų medžiagų perdirbimo ir jų transportavimo, kokybiškai supaprastina radioaktyviųjų atliekų šalinimą. Tačiau perspektyvas ateityje sukurti aplinkai nekenksmingą termobranduolinį reaktorių, pagrįstą deuterio () ir helio izotopo () mišiniu, apsunkina žaliavų problema: natūralios helio izotopo atsargos Žemėje yra nereikšmingos. Om deuterio įtaka aplinkai nekenksmingo termobranduolinio gaminio ateityje
Vykstant sintezės reakcijoms antžeminėmis sąlygomis, iškyla šviesos branduolių elektrostatinio atstūmimo problema, kai jie artėja prie atstumų, kuriais pradeda veikti branduolinės traukos jėgos, t.y. apie 10 -15 m, po to vyksta jų susiliejimo procesas dėl tunelio efektas. Norint įveikti potencialo barjerą, susidūrusiems šviesos branduoliams turi būti suteikta energija ≈10 keV kuri atitinka temperatūrą T ≈10 8 K ir aukščiau. Todėl termobranduolinės reakcijos natūraliomis sąlygomis vyksta tik žvaigždžių viduje. Norint juos įgyvendinti antžeminėmis sąlygomis, būtinas stiprus medžiagos kaitinimas arba branduolinio sprogimo, arba galingo dujų išlydžio, arba milžiniško lazerio spinduliuotės impulso, arba bombardavimo intensyviu dalelių pluoštu būdu. Termobranduolinės reakcijos iki šiol buvo vykdomos tik bandomuosiuose termobranduolinių (vandenilinių) bombų sprogdinimuose.
Pagrindiniai reikalavimai, kuriuos turi atitikti termobranduolinis reaktorius, kaip valdomos termobranduolinės sintezės įtaisas, yra šie.
Pirma, patikimas karštos plazmos uždarymas (≈10 8 K) reakcijos zonoje. Pagrindinė idėja, daugelį metų nulėmusi šios problemos sprendimo būdą, XX amžiaus viduryje buvo išreikšta SSRS, JAV ir Didžiojoje Britanijoje beveik vienu metu. Ši idėja yra magnetinių laukų naudojimas aukštos temperatūros plazmos izoliacijai ir izoliacijai.
Antra, naudojant kurą, kuriame yra tričio (kuris yra didelio radioaktyvumo vandenilio izotopas), branduolių sintezės reaktoriaus kameros sienelės bus pažeistos spinduliuote. Ekspertų teigimu, pirmosios kameros sienelės mechaninis atsparumas vargu ar viršys 5-6 metus. Tai reiškia, kad dėl išskirtinai didelio liekamojo radioaktyvumo reikia periodiškai visiškai išmontuoti įrenginį ir vėl jį surinkti nuotoliniu būdu valdomų robotų pagalba.
Trečia, pagrindinis reikalavimas, kurį turi atitikti termobranduolinė sintezė, yra tai, kad termobranduolinių reakcijų metu išsiskirianti energija daugiau nei kompensuos iš išorės šaltinių sunaudotą energiją pačiai reakcijai palaikyti. Didelį susidomėjimą kelia „grynos“ termobranduolinės reakcijos,
kurios nesukuria neutronų (žr. (7.20) ir toliau pateiktą reakciją:
28 klausimas α−, β−, γ− radiacija.
Pagal radioaktyvumas suprasti kai kurių nestabilių atomų branduolių gebėjimą spontaniškai transformuotis į kitus atomų branduolius, išspinduliuojant radioaktyviąją spinduliuotę.
natūralus radioaktyvumas vadinamas radioaktyvumu, stebimu natūraliai atsirandančiuose nestabiliuose izotopuose.
dirbtinis radioaktyvumas vadinamas izotopų radioaktyvumu, gautu dėl branduolinių reakcijų, vykdomų greitintuvuose ir branduoliniuose reaktoriuose.
Radioaktyviosios transformacijos įvyksta pasikeitus atomų branduolių struktūrai, sudėčiai ir energetinei būklei, kartu su įkrautų arba neutralių dalelių išskyrimu arba gaudymu bei elektromagnetinio pobūdžio trumpųjų bangų spinduliuotės (gama spinduliuotės kvantų) išsiskyrimu. ). Šios skleidžiamos dalelės ir kvantai vadinami bendrai radioaktyvus (arba jonizuojantis ) spinduliuotė, o elementai, kurių branduoliai dėl vienokių ar kitokių priežasčių gali savaime suirti (natūralūs ar dirbtiniai), vadinami radioaktyviais arba radionuklidai . Radioaktyvaus skilimo priežastys yra disbalansas tarp branduolinių (trumpojo nuotolio) traukos jėgų ir elektromagnetinių (ilgojo nuotolio) atstumiamųjų teigiamai įkrautų protonų jėgų.
jonizuojanti radiacija– įkrautų arba neutralių dalelių srautas ir elektromagnetinės spinduliuotės kvantai, kurių prasiskverbimas per medžiagą sukelia terpės atomų ar molekulių jonizaciją ir sužadinimą. Pagal savo pobūdį jis skirstomas į fotonų (gama spinduliuotė, bremsstrahlung, rentgeno spinduliuotė) ir korpuskulinį (alfa spinduliuotę, elektroną, protoną, neutroną, mezoną).
Iš šiuo metu žinomų 2500 nuklidų tik 271 yra stabilūs. Likusieji (90%) yra nestabilūs; radioaktyvus; dėl vieno ar kelių iš eilės skilimų, lydimų dalelių arba γ-kvantų emisijos, jie virsta stabiliais nuklidais.
Radioaktyviosios spinduliuotės sudėties tyrimas leido ją suskirstyti į tris skirtingus komponentus: α-spinduliuotė yra teigiamai įkrautų dalelių srautas - helio branduoliai (), β spinduliuotė yra elektronų arba pozitronų srautas, γ spinduliuotė – trumpųjų bangų elektromagnetinės spinduliuotės srautas.
Paprastai visų rūšių radioaktyvumą lydi gama spindulių – kietosios trumpabangos elektromagnetinės spinduliuotės – išskyrimas. Gama spinduliai yra pagrindinė radioaktyviųjų virsmų sužadintų produktų energijos mažinimo forma. Branduolys, kuriame vyksta radioaktyvus skilimas, vadinamas motinos; atsirandantis vaikas branduolys, kaip taisyklė, yra susijaudinęs, o jo perėjimą į pagrindinę būseną lydi kvanto emisija.
Apsaugos įstatymai. Radioaktyvaus skilimo metu išsaugomi šie parametrai:
1. Apmokestinti . Elektros krūvis negali būti sukurtas ar sunaikintas. Bendras krūvis prieš ir po reakcijos turi būti išsaugotas, nors jis gali būti skirtingai pasiskirstęs tarp skirtingų branduolių ir dalelių.
2. Masinis skaičius arba nukleonų skaičius po reakcijos turi būti lygus nukleonų skaičiui prieš reakciją.
3. Bendra energija . Kulono energija ir lygiaverčių masių energija turi išlikti visose reakcijose ir skilimo metu.
4.momentas ir kampinis momentas . Linijinio impulso išsaugojimas yra atsakingas už Kulono energijos pasiskirstymą tarp branduolių, dalelių ir (arba) elektromagnetinės spinduliuotės. Kampinis momentas reiškia dalelių sukimąsi.
α-skilimas vadinama emisija iš atomo branduolio α− dalelės. At α− skilimo, kaip visada, turi būti įvykdytas energijos tvermės dėsnis. Tuo pačiu metu bet kokie sistemos energijos pokyčiai atitinka proporcingus jos masės pokyčius. Todėl radioaktyvaus skilimo metu pradinio branduolio masė turi viršyti skilimo produktų masę dydžiu, atitinkančiu sistemos kinetinę energiją po skilimo (jei pirminis branduolys prieš skilimą buvo ramybės būsenoje). Taigi byloje α− irimas turi tenkinti sąlygą
kur yra pirminio branduolio masė su masės skaičiumi A ir serijos numeris Z, 
yra dukterinio branduolio masė ir yra masė α−
dalelės. Kiekviena iš šių masių savo ruožtu gali būti pavaizduota kaip masės skaičiaus ir masės defekto suma:
Pakeitę šias masių išraiškas į nelygybę (8.2), gauname tokią sąlygą α− skilimas:, (8.3)
tie. motininio ir dukterinio branduolio masės defektų skirtumas turi būti didesnis už masės defektą α− dalelės. Taigi, val α− skilimo, tėvų ir dukterinių branduolių masės skaičiai turi skirtis vienas nuo kito keturiais. Jei masės skaičių skirtumas lygus keturiems, tai esant , natūralių izotopų masės defektai visada mažėja didėjant A. Taigi , nelygybė (8.3) netenkinama, nes sunkesnio branduolio, kuris turėtų būti motininis branduolys, masės defektas yra mažesnis už lengvesniojo branduolio masės defektą. Todėl kai α− branduolio dalijimasis nevyksta. Tas pats pasakytina apie daugumą dirbtinių izotopų. Išimtis yra keli lengvi dirbtiniai izotopai, kurių rišimosi energijos šuoliai, taigi ir masės defektai, yra ypač dideli, palyginti su kaimyniniais izotopais (pavyzdžiui, berilio izotopu, kuris skyla į dvi dalis). α− dalelės).
Energija α− dalelės, susidarančios skylant branduoliams, yra gana siaurame diapazone nuo 2 iki 11 MeV. Šiuo atveju, didėjant energijai, pusinės eliminacijos laikas mažėja. α− dalelės. Ši tendencija ypač pasireiškia viena po kitos einančiomis radioaktyviosiomis transformacijomis toje pačioje radioaktyviųjų šeimoje (Geiger-Nattall dėsnis). Pavyzdžiui, energija α− dalelės urano skilimo metu (T \u003d 7.1. 10 8 metų) yra 4,58 mev, irstant protaktinumui (T \u003d 3.4. 10 4 metų) - 5,04 Mevy skylant poloniui (T \u003d 1,83. 10 -3 Su)- 7,36mev.
Paprastai tariant, gali skleisti to paties izotopo branduoliai α− dalelės, turinčios keletą griežtai apibrėžtų energijos verčių (ankstesniame pavyzdyje nurodyta didžiausia energija). Kitaip tariant, α− dalelės turi atskirą energijos spektrą. Tai paaiškinama taip. Gautas skilimo branduolys pagal kvantinės mechanikos dėsnius gali būti kelių skirtingų būsenų, kurių kiekvienoje jis turi tam tikrą energiją. Mažiausios įmanomos energijos būsena yra stabili ir vadinama pagrindinis . Likusios valstybės vadinamos susijaudinęs . Branduolys gali juose išbūti labai trumpai (10 -8 - 10 -12 sek.), o po to pereina į mažesnės energijos būseną (nebūtinai iš karto į pagrindinę) su emisija. γ− kvantinis.
Vykdoma α− Yra du irimo etapai: formavimasis α− dalelės iš branduolio nukleonų ir emisija α− šerdies dalelės.
Beta skilimas (radiacija). Skilimo sąvoka apjungia tris spontaniškų intrabranduolinių transformacijų tipus: elektroninį - skilimą, pozitroną - skilimą ir elektronų gaudymą ( E- užfiksuoti).
Beta radioaktyvių izotopų yra daug daugiau nei alfa aktyvių. Jų yra visame branduolių masės skaičiaus kitimo regione (nuo lengvųjų branduolių iki sunkiausių).
Atominių branduolių beta skilimas atsiranda dėl silpna sąveika elementariosios dalelės ir, kaip ir skilimas, paklūsta tam tikriems dėsniams. Skilimo metu vienas iš branduolio neutronų virsta protonu, išskirdamas elektroną ir elektroninį antineutriną. Šis procesas vyksta pagal schemą: . (8.8)
Skilimo metu vienas iš branduolio protonų paverčiamas neutronu, išspinduliuojant pozitroną ir elektroninį neutriną:
Laisvasis neutronas, kuris nėra branduolio dalis, spontaniškai suyra pagal reakciją (8.8), kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie 12 minučių.Tai įmanoma, nes neutrono masė a.m.u. didesnė už protono masę a.m.u. a.m.u verte, kuri viršija elektronų ramybės masę a.m.u. (likusi neutrino masė lygi nuliui). Laisvojo protono skilimas draudžiamas pagal energijos tvermės dėsnį, nes susidariusių dalelių - neutrono ir pozitrono - likusių masių suma yra didesnė už protono masę. Todėl protono skilimas (8.9) galimas tik branduolyje, jei dukterinio branduolio masė yra mažesnė už pirminio branduolio masę verte, viršijančia pozitrono ramybės masę (likusias pozitronas ir elektronas yra lygūs). Kita vertus, panaši sąlyga turi būti įvykdyta ir neutronui, kuris yra branduolio dalis, skilimo atveju.
Be proceso, vykstančio pagal reakciją (8.9), protonas virsti neutronu taip pat gali įvykti elektroną pagaunant protonu, kartu išspinduliuojant elektronų neutriną.
Kaip ir procesas (8.9), procesas (8.10) nevyksta su laisvu protonu. Tačiau jei protonas yra branduolio viduje, jis gali užfiksuoti vieną iš savo atomo orbitinių elektronų, jei pirminio branduolio ir elektrono masių suma yra didesnė už dukterinio branduolio masę. Pati galimybė, kad branduolyje esantys protonai susitiks su orbitiniais atomo elektronais, yra dėl to, kad pagal kvantinę mechaniką elektronų judėjimas atome nevyksta griežtai apibrėžtomis orbitomis, kaip priimta Bohro teorijoje. teorija, tačiau yra tam tikra tikimybė sutikti elektroną bet kurioje erdvės srityje atomo viduje, ypač branduolio užimamoje srityje.
Branduolio transformacija, kurią sukelia orbitinio elektrono gaudymas, vadinama E- užfiksuoti. Dažniausiai įvyksta arčiausiai branduolio esančiam K apvalkalui priklausančio elektrono gaudymas (K gaudymas). Elektronas, kuris yra kito L apvalkalo dalis (L-pagavimas), fiksuojamas maždaug 100 kartų rečiau.
Gama spinduliuotė. Gama spinduliuotė – tai trumpo bangos ilgio elektromagnetinė spinduliuotė, kuri pasižymi itin trumpu bangos ilgiu ir dėl to ryškiomis korpuskulinėmis savybėmis, t.y. yra kvantų srautas su energija ( ν − spinduliavimo dažnis), impulsas ir sukimasis J(vienetais ħ ).
Gama spinduliuotė lydi branduolių irimą, atsiranda dalelių ir antidalelių anihiliacijos metu, greito krūvio dalelių lėtėjimo terpėje metu, irstant mezonams, yra kosminėje spinduliuotėje, branduolinėse reakcijose ir pan., tarpinis, mažiau sužadintas teigia. Todėl to paties radioaktyvaus izotopo spinduliuotėje gali būti kelių tipų kvantų, kurie skiriasi vienas nuo kito energetinėmis vertėmis. Branduolių sužadintų būsenų gyvenimo trukmė paprastai smarkiai pailgėja mažėjant jų energijai ir didėjant skirtumui tarp pradinės ir galutinės būsenos branduolio sukimų.
Kvanto emisija taip pat vyksta atomo branduolio spinduliavimo perėjimo metu iš sužadintos energijos būsenos. Eiį žemę arba mažiau sužadintą būseną su energija E k (Ei > Ek). Pagal energijos tvermės dėsnį (iki branduolio atatrankos energijos) kvantinė energija nustatoma pagal išraišką: . (8.11)
Spinduliavimo metu taip pat tenkinami judesio ir kampinio momento išsaugojimo dėsniai.
Dėl branduolio energijos lygių diskretiškumo spinduliuotė turi linijinį energijos ir dažnių spektrą. Tiesą sakant, branduolio energijos spektras yra padalintas į atskiras ir ištisines sritis. Diskretaus spektro srityje atstumai tarp branduolio energijos lygių yra daug didesni nei energijos plotis G lygis, kurį lemia šios būsenos branduolio gyvavimo laikas:
Laikas nustato sužadinto branduolio skilimo greitį:
kur yra branduolių skaičius pradiniu metu (); nesuirusių branduolių skaičius vienu metu t.
29 klausimas. Poslinkio dėsniai. Išskleisdamas dalelę, branduolys praranda du protonus ir du neutronus. Todėl gautame (dukteriniame) branduolyje, palyginti su pirminiu (pagrindiniu) branduoliu, masės skaičius yra keturiais mažesnis, o eilės numeris yra dviem mažesnis.
Taigi skilimo metu gaunamas elementas, kuris periodinėje lentelėje užima vietą dviem langeliais į kairę, palyginti su pradine: (8.14)
Skilimo metu vienas iš branduolio neutronų virsta protonu, išspindėdamas elektroną ir antineutriną (-skilimas). Dėl skilimo nukleonų skaičius branduolyje išlieka nepakitęs. Todėl masės skaičius nekinta, kitaip tariant, vyksta vieno izobaro transformacija į kitą. Tačiau dukterinio branduolio krūvis ir jo eilės skaičius keičiasi. -skilimo metu, kai neutronas virsta protonu, eilės numeris padidėja vienu, t.y. šiuo atveju atsiranda elementas, kuris periodinėje lentelėje, lyginant su pradiniu, perkeliamas po vieną langelį į dešinę:
Skilimo metu, kai protonas virsta neutronu, eilės numeris sumažėja vienu, o naujai gautas elementas periodinėje lentelėje pasislenka vienu langeliu į kairę:
Išraiškose (8.14) − (8.16) X- motininio branduolio simbolis, Y yra dukterinio branduolio simbolis, yra helio branduolys; A= 0 ir Z= –1, ir pozitronas, kuriam A= 0 ir Z=+1.
Susidaro natūraliai radioaktyvūs branduoliai trys radioaktyvios šeimos paskambino urano šeima (), torio šeima () ir aktinijų šeima (). Jie gavo savo pavadinimus dėl ilgaamžių izotopų, kurių pusinės eliminacijos laikas yra ilgiausias. Visos šeimos po α- ir β-skilimo grandinės baigiasi prie stabilių švino izotopų branduolių - , ir. Neptūno šeima, pradedant nuo transurano elemento neptūno, gaunama dirbtinai ir baigiasi bismuto izotopu.
