Shtëpi Patate Gama e forcave bërthamore. Forcat bërthamore. Shihni se çfarë janë "forcat bërthamore" në fjalorë të tjerë

Patate

Gama e forcave bërthamore. Forcat bërthamore. Shihni se çfarë janë "forcat bërthamore" në fjalorë të tjerë

Bërthama atomike, e përbërë nga një numër i caktuar i protoneve dhe neutroneve, është një entitet i vetëm për shkak të forcave specifike që veprojnë midis nukleoneve të bërthamës dhe quhen bërthamore.Është vërtetuar eksperimentalisht se forcat bërthamore janë shumë të mëdha, shumë më tepër se forcat e zmbrapsjes elektrostatike midis protoneve. Kjo manifestohet në faktin se energjia specifike e lidhjes së nukleoneve në bërthamë është shumë më e madhe se puna e forcave të shtyrjes së Kulonit. Le të shqyrtojmë tiparet kryesore të forcave bërthamore.

1. Forcat bërthamore janë forcat tërheqëse me rreze të shkurtër . Ato shfaqen vetëm në distanca shumë të vogla ndërmjet nukleoneve në bërthamën e rendit 10 -15 m. Distanca e rendit (1.5 - 2.2) 10 -15 m quhet rrezja e veprimit të forcave bërthamore, me rritjen e saj, forcat bërthamore ulen me shpejtësi. Në një distancë të rendit prej (2-3) m, ndërveprimi bërthamor midis nukleoneve praktikisht mungon.

2. Forcat bërthamore kanë pronë ngopje, ato. çdo nukleon ndërvepron vetëm me një numër të caktuar fqinjësh më të afërt. Ky karakter i forcave bërthamore manifestohet në qëndrueshmërinë e përafërt të energjisë specifike lidhëse të nukleoneve në një numër ngarkese A>40. Në të vërtetë, nëse nuk do të kishte ngopje, atëherë energjia specifike e lidhjes do të rritej me një rritje të numrit të nukleoneve në bërthamë.

3. Një veçori e forcave bërthamore është edhe e tyre ngarkojnë pavarësinë , d.m.th. ato nuk varen nga ngarkesa e nukleoneve, kështu që ndërveprimet bërthamore ndërmjet protoneve dhe neutroneve janë të njëjta. Pavarësia e ngarkesës së forcave bërthamore shihet nga një krahasim i energjive lidhëse bërthamat e pasqyrës . Të ashtuquajturat bërthama, në të cilat numri i përgjithshëm i nukleoneve është i njëjtë, por numri i protoneve në njërin është i barabartë me numrin e neutroneve në tjetrin. Për shembull, energjitë lidhëse të bërthamave të heliumit dhe hidrogjenit të rëndë - tritiumit janë përkatësisht 7,72 MeV dhe 8.49 MeV. Dallimi në energjitë lidhëse të këtyre bërthamave, i barabartë me 0,77 MeV, korrespondon me energjinë e zmbrapsjes së Kulombit të dy protoneve në bërthamë. Duke supozuar këtë vlerë të barabartë me , ne mund të gjejmë se distanca mesatare r ndërmjet protoneve në bërthamë është 1,9·10 -15 m, që është në përputhje me rrezen e veprimit të forcave bërthamore.

4. Forcat bërthamore nuk janë qendrore dhe varen nga orientimi i ndërsjellë i rrotullimeve të nukleoneve që ndërveprojnë. Kjo konfirmohet nga natyra e ndryshme e shpërndarjes së neutronit nga molekulat orto- dhe para-hidrogjen. Në molekulën e ortohidrogjenit rrotullimet e të dy protoneve janë paralele me njëri-tjetrin, ndërsa në molekulën e parahidrogjenit ato janë antiparalele. Eksperimentet kanë treguar se shpërndarja e neutroneve nga parahidrogjeni është 30 herë më e madhe se shpërndarja nga ortohidrogjeni.

Natyra komplekse e forcave bërthamore nuk lejon zhvillimin e një teorie të vetme të qëndrueshme të ndërveprimit bërthamor, megjithëse janë propozuar shumë qasje të ndryshme. Sipas hipotezës së fizikanit japonez H. Yukawa, të cilën ai e propozoi në vitin 1935, forcat bërthamore janë për shkak të shkëmbimit - mezoneve, d.m.th. grimca elementare, masa e të cilave është afërsisht 7 herë më e vogël se masa e nukleoneve. Sipas këtij modeli, një nukleon në kohë m- masa e mezonit) lëshon një mezon, i cili, duke lëvizur me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës, përshkon një distancë , pas së cilës përthithet nga nukleoni i dytë. Nga ana tjetër, nukleoni i dytë lëshon gjithashtu një mezon, i cili përthithet nga i pari. Prandaj, në modelin e H. Yukawa-s, distanca në të cilën nukleonet ndërveprojnë përcaktohet nga gjatësia e rrugës së mezonit, e cila korrespondon me një distancë prej rreth m dhe përkon sipas madhësisë me rrezen e veprimit të forcave bërthamore.

Le të kthehemi në shqyrtimin e ndërveprimit të shkëmbimit midis nukleoneve. Ka mezone pozitive, negative dhe neutrale. Moduli i ngarkesës së - ose - mezoneve është numerikisht i barabartë me ngarkesën elementare e. Masa e mezoneve të ngarkuar është e njëjtë dhe e barabartë me (140 MeV), masa e mezonit është 264 (135 MeV). Spin-i i mezoneve të ngarkuar dhe neutral është 0. Të tre grimcat janë të paqëndrueshme. Jetëgjatësia e mezoneve - dhe - është 2,6 Me, - meson – 0,8 10 -16 Me. Ndërveprimi midis nukleoneve kryhet sipas një prej skemave të mëposhtme:

(22.7)
1. Nukleonet shkëmbejnë mesonet:

Në këtë rast, protoni lëshon - një mezon, duke u kthyer në një neutron. Mezoni përthithet nga neutroni, i cili rrjedhimisht shndërrohet në proton, pastaj i njëjti proces vazhdon në drejtim të kundërt. Kështu, secili prej nukleoneve ndërveprues kalon një pjesë të kohës në një gjendje të ngarkuar, dhe një pjesë në një gjendje neutrale.

2. Shkëmbimi i nukleoneve - mezonet:

3. Shkëmbimi i nukleoneve - mezonet:

. (22.10)

Të gjitha këto procese janë vërtetuar eksperimentalisht. Në veçanti, procesi i parë konfirmohet kur një rreze neutron kalon përmes hidrogjenit. Protonet lëvizëse shfaqen në rreze, dhe numri përkatës i neutroneve praktikisht në pushim gjendet në objektiv.

modelet e kernelit. Mungesa e një ligji matematikor për forcat bërthamore nuk lejon krijimin e një teorie të unifikuar të bërthamës. Përpjekjet për të krijuar një teori të tillë hasin në vështirësi serioze. Ja disa prej tyre:

1. Pamjaftueshmëria e njohurive për forcat që veprojnë ndërmjet nukleoneve.

2. Pengueshmëria ekstreme e problemit kuantik me shumë trupa (një bërthamë me një numër masiv Aështë një sistem i A Trupat).

Këto vështirësi na detyrojnë të ndjekim rrugën e krijimit të modeleve bërthamore që bëjnë të mundur përshkrimin e një grupi të caktuar të vetive të bërthamës me ndihmën e mjeteve matematikore relativisht të thjeshta. Asnjë nga këto modele nuk mund të japë një përshkrim absolutisht të saktë të bërthamës. Prandaj, duhet të përdoren disa modele.

Nën modeli i bërthamës në fizikën bërthamore kuptoni tërësinë e supozimeve fizike dhe matematikore me të cilat mund të llogaritni karakteristikat e një sistemi bërthamor që përbëhet nga A nukleonet. Janë propozuar dhe zhvilluar shumë modele me shkallë të ndryshme kompleksiteti. Ne do të shqyrtojmë vetëm më të famshmit prej tyre.

Modeli hidrodinamik (rënie) i bërthamës u zhvillua në vitin 1939. N. Bor dhe shkencëtari sovjetik J. Frenkel. Ai bazohet në supozimin se për shkak të densitetit të lartë të nukleoneve në bërthamë dhe ndërveprimit jashtëzakonisht të fortë midis tyre, lëvizja e pavarur e nukleoneve individuale është e pamundur dhe bërthama është një pikë lëngu i ngarkuar me densitet . Si në rastin e një rënie të zakonshme të lëngut, sipërfaqja e bërthamës mund të lëkundet. Nëse amplituda e lëkundjes bëhet mjaft e madhe, ndodh procesi i ndarjes bërthamore. Modeli i pikave bëri të mundur marrjen e një formule për energjinë e lidhjes së nukleoneve në një bërthamë dhe shpjegoi mekanizmin e disa reaksioneve bërthamore. Sidoqoftë, ky model nuk lejon që dikush të shpjegojë shumicën e spektrave të ngacmimit të bërthamave atomike dhe stabilitetin e veçantë të disa prej tyre. Kjo për faktin se modeli hidrodinamik pasqyron shumë përafërsisht thelbin e strukturës së brendshme të bërthamës.

Modeli i guaskës së kernelit zhvilluar në vitet 1940-1950 nga fizikani amerikan M. Goeppert - Mayer dhe fizikani gjerman H. Jensen. Ai supozon se çdo nukleon lëviz në mënyrë të pavarur nga të tjerët në një fushë të caktuar potenciale mesatare (pus potencial i krijuar nga nukleonet e mbetura të bërthamës. Në kuadrin e modelit të guaskës, funksioni nuk llogaritet, por zgjidhet në mënyrë që marrëveshja më e mirë me të dhënat eksperimentale mund të arrihet.

Thellësia e pusit potencial është zakonisht ~ (40-50) MeV dhe nuk varet nga numri i nukleoneve në bërthamë. Sipas teorisë kuantike, nukleonet në një fushë janë në nivele të caktuara të energjisë diskrete. Supozimi bazë i krijuesve të modelit të guaskës për lëvizjen e pavarur të nukleoneve në fushën mesatare të potencialit është në kundërshtim me dispozitat kryesore të zhvilluesve të modelit hidrodinamik. Prandaj, karakteristikat e bërthamës, të cilat përshkruhen mirë nga modeli hidrodinamik (për shembull, vlera e energjisë lidhëse), nuk mund të shpjegohen brenda kornizës së modelit të guaskës dhe anasjelltas.

Modeli i përgjithësuar i kernelit , i zhvilluar në 1950-1953, kombinon dispozitat kryesore të krijuesve të modeleve hidrodinamike dhe guaskës. Në modelin e përgjithësuar, supozohet se bërthama përbëhet nga një pjesë e brendshme e qëndrueshme - bërthama, e cila formohet nga nukleone të predhave të mbushura, dhe nukleone të jashtëm që lëvizin në fushën e krijuar nga bërthamat bërthamore. Në këtë drejtim, lëvizja e bërthamës përshkruhet nga modeli hidrodinamik, ndërsa lëvizja e nukleoneve të jashtëm përshkruhet nga modeli i guaskës. Për shkak të ndërveprimit me nukleonet e jashtme, bërthama mund të deformohet dhe bërthama mund të rrotullohet rreth një boshti pingul me boshtin e deformimit. Modeli i përgjithësuar bëri të mundur shpjegimin e veçorive kryesore të spektrit rrotullues dhe vibrues të bërthamave atomike, si dhe vlerat e larta të momentit elektrik katërpolësh për disa prej tyre.

Kemi shqyrtuar fenomenet kryesore, d.m.th. modele përshkruese, thelbësore. Sidoqoftë, për të kuptuar plotësisht natyrën e ndërveprimeve bërthamore që përcaktojnë vetitë dhe strukturën e bërthamës, është e nevojshme të krijohet një teori në të cilën bërthama do të konsiderohet si një sistem i nukleoneve ndërveprues.

Bërthama atomike, e përbërë nga një numër i caktuar i protoneve dhe neutroneve, është një entitet i vetëm për shkak të forcave specifike që veprojnë midis nukleoneve të bërthamës dhe quhen bërthamore.Është vërtetuar eksperimentalisht se forcat bërthamore janë shumë të mëdha, shumë më tepër se forcat e zmbrapsjes elektrostatike midis protoneve. Kjo manifestohet në faktin se energjia specifike e lidhjes së nukleoneve në bërthamë është shumë më e madhe se puna e forcave të shtyrjes së Kulonit. Konsideroni kryesoren tiparet e forcave bërthamore.

1. Forcat bërthamore janë forcat tërheqëse me rreze të shkurtër . Ato shfaqen vetëm në distanca shumë të vogla ndërmjet nukleoneve në bërthamën e rendit 10–15 m. Një distancë e rendit (1,5–2,2) 10–15 m quhet gamën e forcave bërthamore, me rritjen e tij, forcat bërthamore ulen me shpejtësi. Në një distancë të rendit prej (2-3) m, ndërveprimi bërthamor midis nukleoneve praktikisht mungon.

Natyra komplekse e forcave bërthamore nuk lejon zhvillimin e një teorie të vetme të qëndrueshme të ndërveprimit bërthamor, megjithëse janë propozuar shumë qasje të ndryshme. Sipas hipotezës së fizikanit japonez H. Yukawa (1907-1981), të cilën ai e propozoi në vitin 1935, forcat bërthamore janë për shkak të shkëmbimit - mezoneve, d.m.th. grimca elementare, masa e të cilave është afërsisht 7 herë më e vogël se masa e nukleoneve. Sipas këtij modeli, një nukleon në kohë m- masa e mezonit) lëshon një mezon, i cili, duke lëvizur me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës, përshkon një distancë , pas së cilës përthithet nga nukleoni i dytë. Nga ana tjetër, nukleoni i dytë lëshon gjithashtu një mezon, i cili përthithet nga i pari. Prandaj, në modelin e H. Yukawa-s, distanca në të cilën nukleonet ndërveprojnë përcaktohet nga gjatësia e rrugës së mezonit, e cila korrespondon me një distancë prej rreth m dhe përkon sipas madhësisë me rrezen e veprimit të forcave bërthamore.

Le të kthehemi në shqyrtimin e ndërveprimit të shkëmbimit midis nukleoneve. Ka mezone pozitive, negative dhe neutrale. Moduli i ngarkesës së - ose - mezoneve është numerikisht i barabartë me ngarkesën elementare e . Masa e mezoneve të ngarkuar është e njëjtë dhe e barabartë me (140 MeV), masa e mezonit është 264 (135 MeV). Spin-i i mezoneve të ngarkuar dhe neutral është 0. Të tre grimcat janë të paqëndrueshme. Jetëgjatësia e mezoneve - dhe - është 2,6 Me, - meson – 0,8 10 -16 Me. Ndërveprimi midis nukleoneve kryhet sipas një prej skemave të mëposhtme:

1. Nukleonet shkëmbejnë mezonet: . (22.8)

2. Shkëmbimi i nukleoneve - mezonet:

3. Shkëmbimi i nukleoneve - mezonet:

, (22.10)

modelet e kernelit. Nën modeli i bërthamës në fizikën bërthamore kuptoni tërësinë e supozimeve fizike dhe matematikore me të cilat mund të llogaritni karakteristikat e një sistemi bërthamor që përbëhet nga A nukleonet.

Modeli hidrodinamik (rënie) i bërthamës Ai bazohet në supozimin se për shkak të densitetit të lartë të nukleoneve në bërthamë dhe ndërveprimit jashtëzakonisht të fortë midis tyre, lëvizja e pavarur e nukleoneve individuale është e pamundur dhe bërthama është një pikë lëngu i ngarkuar me një densitet. .

Modeli i guaskës së kernelit Ai supozon se çdo nukleon lëviz në mënyrë të pavarur nga të tjerët në një fushë mesatare potenciale (pus potencial) të krijuar nga nukleonet e mbetura të bërthamës.

Modeli i përgjithësuar i kernelit, kombinon dispozitat kryesore të krijuesve të modeleve hidrodinamike dhe guaskës. Në modelin e përgjithësuar, supozohet se bërthama përbëhet nga një pjesë e brendshme e qëndrueshme - bërthama, e cila formohet nga nukleone të predhave të mbushura, dhe nukleone të jashtëm që lëvizin në fushën e krijuar nga bërthamat bërthamore. Në këtë drejtim, lëvizja e bërthamës përshkruhet nga modeli hidrodinamik, ndërsa lëvizja e nukleoneve të jashtëm përshkruhet nga modeli i guaskës. Për shkak të ndërveprimit me nukleonet e jashtme, bërthama mund të deformohet dhe bërthama mund të rrotullohet rreth një boshti pingul me boshtin e deformimit.

26. Reaksionet e zbërthimit të bërthamave atomike. Energjia bërthamore.

Reaksionet bërthamore quhen transformime të bërthamave atomike të shkaktuara nga ndërveprimi i tyre me njëra-tjetrën ose me bërthama të tjera ose grimca elementare. Mesazhi i parë për një reaksion bërthamor i përket E. Rutherford. Në vitin 1919, ai zbuloi se kur - grimcat kalojnë përmes gazit të azotit, disa prej tyre absorbohen, dhe në të njëjtën kohë lëshohen protone. Rutherford arriti në përfundimin se bërthamat e azotit u shndërruan në bërthama oksigjeni si rezultat i një reaksioni bërthamor të formës:

, (22.11)

ku − - grimca; − proton (hidrogjen).

Një parametër i rëndësishëm i një reaksioni bërthamor është prodhimi i tij i energjisë, i cili përcaktohet nga formula:

(22.12)

Këtu dhe janë shumat e masave të mbetura të grimcave para dhe pas reaksionit. Kur reaksionet bërthamore vazhdojnë me thithjen e energjisë, prandaj quhen endotermike, dhe në - me çlirimin e energjisë. Në këtë rast ato quhen ekzotermike.

Në çdo reaksion bërthamor, ka gjithmonë ligjet e ruajtjes :

− ngarkesë elektrike;

− numri i nukleoneve;

− energji;

− impuls.

Dy ligjet e para bëjnë të mundur që të regjistrohen saktë reaksionet bërthamore edhe kur një nga grimcat që marrin pjesë në reaksion ose një nga produktet e tij është i panjohur. Duke përdorur ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit, mund të përcaktohen energjitë kinetike të grimcave që formohen gjatë reaksionit, si dhe drejtimi i lëvizjes së tyre të mëvonshme.

Për të karakterizuar reaksionet endotermike, prezantohet koncepti pragu i energjisë kinetike , ose pragu i reaksionit bërthamor , ato. energjia më e vogël kinetike e një grimce të rënë (në kuadrin e referencës ku bërthama e synuar është në qetësi) në të cilën një reaksion bërthamor bëhet i mundur. Nga ligji i ruajtjes së energjisë dhe momentit rrjedh se energjia e pragut të një reaksioni bërthamor llogaritet me formulën:

. (22.13)

Këtu është energjia e reaksionit bërthamor (7.12); -masa e bërthamës së palëvizshme - caku; është masa e grimcave që bien në bërthamë.

reaksionet e ndarjes. Në vitin 1938, shkencëtarët gjermanë O. Hahn dhe F. Strassmann zbuluan se kur uraniumi bombardohet me neutrone, ndonjëherë shfaqen bërthama që janë afërsisht sa gjysma e bërthamës origjinale të uraniumit. Ky fenomen është quajtur ndarje bërthamore.

Ai përfaqëson reagimin e parë të vëzhguar eksperimentalisht të transformimeve bërthamore. Një shembull është një nga reaksionet e mundshme të ndarjes bërthamore të uraniumit-235:

Procesi i ndarjes bërthamore vazhdon shumë shpejt për një kohë prej ~ 10 -12 s. Energjia që lirohet gjatë një reaksioni si (22.14) është afërsisht 200 MeV për akt të ndarjes së bërthamës së uraniumit-235.

Në rastin e përgjithshëm, reaksioni i ndarjes së bërthamës së uraniumit-235 mund të shkruhet si:

+neutronet . (22.15)

Mekanizmi i reaksionit të ndarjes mund të shpjegohet brenda kornizës së modelit hidrodinamik të bërthamës. Sipas këtij modeli, kur një neutron absorbohet nga një bërthamë uraniumi, ai kalon në një gjendje të ngacmuar (Fig. 22.2).

Energjia e tepërt që merr bërthama si rezultat i përthithjes së një neutroni shkakton një lëvizje më intensive të nukleoneve. Si rezultat, bërthama deformohet, gjë që çon në një dobësim të ndërveprimit bërthamor me rreze të shkurtër. Nëse energjia e ngacmimit të bërthamës është më e madhe se disa energji e quajtur energjia e aktivizimit , më pas nën ndikimin e zmbrapsjes elektrostatike të protoneve, bërthama ndahet në dy pjesë, me emetimin neutronet e ndarjes . Nëse energjia e ngacmimit gjatë përthithjes së një neutroni është më e vogël se energjia e aktivizimit, atëherë bërthama nuk arrin

faza kritike e ndarjes dhe, pasi ka emetuar një kuant, kthehet në kryesore

Ndërmjet nukleoneve që përbëjnë bërthamën veprojnë forcat bërthamore , duke tejkaluar ndjeshëm forcat refuzuese të Kulombit midis protoneve. Nga pikëpamja e teorisë së fushës së grimcave elementare, forcat bërthamore janë kryesisht forca të bashkëveprimit të fushave magnetike të nukleoneve në zonën e afërt. Në distanca të mëdha, energjia potenciale e një ndërveprimi të tillë zvogëlohet sipas ligjit 1/r 3 - kjo shpjegon karakterin e tyre me rreze të shkurtër. Në një distancë (3 ∙10 -13 cm) forcat bërthamore bëhen dominuese, dhe në distanca më të vogla se (9.1 ∙10 -14 cm) ato kthehen në forca refuzuese edhe më të fuqishme.

forcat bërthamore janë Game te shkurter forcat. Ato shfaqen vetëm në distanca shumë të vogla ndërmjet nukleoneve në bërthamën e rendit 10–15 m. Gjatësia (1,5–2,2) 10–15 m quhet gamën e forcave bërthamore.

Zbulojnë forcat bërthamore ngarkojnë pavarësinë : tërheqja ndërmjet dy nukleoneve është e njëjtë pavarësisht nga gjendja e ngarkesës së nukleoneve - proton apo neutron. Pavarësia e ngarkesës së forcave bërthamore shihet nga një krahasim i energjive lidhëse bërthamat e pasqyrës . Si quhen bërthamat?,në të cilat numri i përgjithshëm i nukleoneve është i njëjtë,por numri i protoneve në njërin është i barabartë me numrin e neutroneve në tjetrin. Për shembull, bërthamat e heliumit dhe hidrogjenit të rëndë - tritium. Energjitë lidhëse të këtyre bërthamave janë 7,72 MeV dhe 8,49 MeV.

Dallimi në energjitë lidhëse të bërthamave, i barabartë me 0,77 MeV, korrespondon me energjinë e zmbrapsjes së Kulombit të dy protoneve në bërthamë.

Forcat bërthamore kanë vetia e ngopjes , e cila manifestohet në, se një nukleon në një bërthamë ndërvepron vetëm me një numër të kufizuar nukleonësh fqinjë më afër tij. Kjo është arsyeja pse ekziston një varësi lineare e energjive lidhëse të bërthamave nga numri i tyre masiv A. Ngopja pothuajse e plotë e forcave bërthamore arrihet në grimcën α, e cila është një formacion shumë i qëndrueshëm.

Forcat bërthamore varen nga orientimet e rrotullimit nukleonet që ndërveprojnë. Kjo konfirmohet nga karakteri i ndryshëm i shpërndarjes së neutronit nga molekulat orto- dhe para-hidrogjen. Në molekulën e ortohidrogjenit rrotullimet e të dy protoneve janë paralele me njëri-tjetrin, ndërsa në molekulën e parahidrogjenit ato janë antiparalele. Eksperimentet kanë treguar se shpërndarja e neutroneve nga parahidrogjeni është 30 herë më e madhe se shpërndarja nga ortohidrogjeni. forcat bërthamore nuk janë qendrore.

Ndërveprimi midis nukleoneve lind si rezultat i emetimit dhe përthithjes së kuanteve të fushës bërthamore. – π- mezonet . Ata përcaktojnë fushën bërthamore në analogji me fushën elektromagnetike, e cila lind si rezultat i shkëmbimit të fotoneve.

Energjia e lidhjes

Forca e bërthamave karakterizohet nga energjia lidhëse. Madhësia e energjisë lidhëse është e barabartë me punën që duhet shpenzuar për të shkatërruar bërthamën në nukleonet e saj përbërëse pa u dhënë atyre energji kinetike . E njëjta sasi energjie lirohet gjatë formimit të një bërthame nga nukleonet. Energjia e lidhjes bërthamore është ndryshimi midis energjisë së të gjithë nukleoneve të lira që përbëjnë bërthamën dhe energjisë së tyre në bërthamë.

Kur formohet një bërthamë, masa e saj zvogëlohet: masa e bërthamës është më e vogël se shuma e masave të nukleoneve përbërëse të saj. Ulja e masës së bërthamës gjatë formimit të saj shpjegohet me çlirimin e energjisë lidhëse. Sasia e energjisë që përmban materia lidhet drejtpërdrejt me masën e saj nga relacioni i Ajnshtajnit

E=mc2 .

V Sipas kësaj lidhjeje, masa dhe energjia janë forma të ndryshme të të njëjtit fenomen. As masa dhe as energjia nuk zhduken, por në kushte të përshtatshme ato kalojnë një specie te tjetra, d.m.th. çdo ndryshim në masë m sistemi korrespondon me ndryshimin ekuivalent në energjinë e tij E.

Diferenca midis shumës së masave të nukleoneve të lira dhe masës së bërthamës quhet defekt masiv bërthama atomike. Nëse bërthama me masë m formuar nga Z protonet me masë m fq dhe nga (A - Z) neutronet me masë m n , pastaj defekti masiv Δ m përcaktohet nga relacioni

Kur nga grimcat formohet një bërthamë, këto të fundit, për shkak të veprimit të forcave bërthamore në distanca të vogla, nxitojnë me nxitim të madh drejt njëra-tjetrës. Rrezet gama të emetuara në këtë rast thjesht kanë energji E St. dhe peshë m .

Sipas defektit të masës, duke përdorur ekuacionin e Ajnshtajnit ( E \u003d mc 2 ) është e mundur të përcaktohet energjia e çliruar si rezultat i formimit të bërthamës, d.m.th. energjia e lidhjes (E cv ):

E cv = Δ m c 2

Energjia e lidhjes për nukleon (d.m.th., energjia totale e lidhjes pjesëtuar me numrin e nukleoneve në bërthamë) quhet energji specifike lidhëse :

Sa më e madhe të jetë vlera absolute e energjisë specifike të lidhjes, aq më i fortë është ndërveprimi ndërmjet nukleoneve dhe bërthama më e fortë. Energjia më e lartë e lidhjes për nukleon, rreth 8.75 MeV, është e natyrshme në elementët e pjesës së mesme të tabelës periodike.

Spektrat bërthamore

Bërthama atomike, si objektet e tjera të mikrobotës, është një sistem kuantik. Kjo do të thotë se përshkrimi teorik i karakteristikave të tij kërkon përfshirjen e teorisë kuantike. Në teorinë kuantike, përshkrimi i gjendjeve të sistemeve fizike bazohet në funksionet e valës, ose amplituda probabilitetiψ(α,t). Katrori i modulit të këtij funksioni përcakton densitetin e probabilitetit të zbulimit të sistemit në studim në një gjendje me karakteristikë α – ρ(α,t) = |ψ(α,t)| 2. Argumenti i funksionit të valës mund të jetë, për shembull, koordinatat e grimcës.

Natyra kuantike e bërthamave atomike manifestohet në modelet e spektrave të tyre të ngacmimit. Bërthamat kanë spektra diskrete të gjendjeve të mundshme të energjisë. Kështu, kuantizimi i energjisë dhe një sërë parametrash të tjerë është një veti jo vetëm e atomeve, por edhe e bërthamave atomike. Gjendja e bërthamës atomike me sasinë minimale të energjisë quhet kryesore, ose normale quhen gjendjet me energji të tepërt (në krahasim me gjendjen bazë). i emocionuar .

Spektri i gjendjeve të kernelit 12 ME

Atomet zakonisht janë në gjendje të ngacmuar për rreth 10 -8 sekonda, dhe bërthamat atomike të ngacmuara heqin qafe energjinë e tepërt në një kohë shumë më të shkurtër - rreth 10 -15 - 10 -16 sekonda. Ashtu si atomet, bërthamat e ngacmuara çlirohen nga energjia e tepërt duke emetuar kuanta të rrezatimit elektromagnetik. Këto kuanta quhen kuanta gama (ose rrezet gama). Një grup diskrete i gjendjeve energjetike të bërthamës atomike korrespondon me një spektër diskret të frekuencave të emetuara prej tyre rrezet gama.

Shumë modele në spektrat bërthamore mund të shpjegohen duke përdorur të ashtuquajturin model të guaskës së strukturës së bërthamës atomike. Sipas këtij modeli, nukleonet në bërthamë nuk janë të përziera në mënyrë të çrregullt, por, si elektronet në një atom, ato janë të renditura në grupe të lidhura, duke mbushur guaskat e lejuara bërthamore. Në këtë rast, predhat e protonit dhe neutronit mbushen në mënyrë të pavarur nga njëra-tjetra. Numri maksimal i neutroneve: 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126 dhe protoneve: 2, 8, 20, 28, 50, 82 në predha të mbushura quhen magji. Bërthamat me numër magjik të protoneve dhe neutroneve kanë shumë veti të jashtëzakonshme: një vlerë e rritur e energjisë specifike lidhëse, një probabilitet më i ulët për të hyrë në një ndërveprim bërthamor, rezistencë ndaj zbërthimit radioaktiv, etj. "Magji të dyfishtë" janë, për shembull, bërthamat. 4 Ai, 16 O, 28 Si. Është pikërisht për shkak të qëndrueshmërisë së tyre veçanërisht të lartë që këto bërthama janë më të zakonshmet në natyrë.

Kalimi i bërthamës nga gjendja bazë në gjendjen e ngacmuar dhe kthimi i saj në gjendjen bazë, nga pikëpamja e modelit të guaskës, shpjegohet me kalimin e nukleonit nga një guaskë në tjetrën dhe mbrapa.

Kalimet spontane të bërthamave nga gjendjet më të larta të ngacmuara diskrete spektri i bërthamës për të ulur (përfshirë gjendjen bazë) realizohen, si rregull, nga rrezatimi i γ-kuanteve, d.m.th. ne kurriz te ndërveprimet elektromagnetike. Në rajonin e energjive të larta të ngacmimit, kur E > E ot, gjerësia e nivelit të bërthamës së ngacmuar rritet ndjeshëm. Fakti është se në ndarjen e nukleonit nga bërthama, rolin kryesor e luajnë forcat bërthamore - d.m.th. ndërveprime të forta. Probabiliteti i ndërveprimeve të forta është urdhra me madhësi më të lartë se probabiliteti i atyre elektromagnetike, kështu që gjerësia e zbërthimit për ndërveprime të forta janë të mëdha dhe nivelet e spektrave bërthamore në rajonin E > E sep mbivendosen - spektri i bërthamës bëhet i vazhdueshëm. Mekanizmi kryesor për zbërthimin e gjendjeve shumë të ngacmuara nga ky varg energjetik është emetimi i nukleoneve dhe grupimeve (grimca α dhe deuterone). Emetimi i γ-kuanteve në këtë rajon me energji të larta ngacmimi E > E resp ndodh me një probabilitet më të ulët se emetimi i nukleoneve. Një bërthamë e ngacmuar ka, si rregull, disa shtigje, ose kanalet, prishje.

Energjia e madhe lidhëse e nukleoneve në bërthamë tregon se ekziston një ndërveprim shumë intensiv midis nukleoneve. Ky ndërveprim është në natyrën e tërheqjes. Ai i mban nukleonet në distanca cm nga njëri-tjetri, pavarësisht nga zmbrapsja e fortë e Kulombit midis protoneve. Ndërveprimi bërthamor ndërmjet nukleoneve quhet ndërveprim i fortë. Mund të përshkruhet duke përdorur fushën e forcave bërthamore. Le të rendisim tiparet dalluese të këtyre forcave.

1. Forcat bërthamore janë me rreze të shkurtër. Gama e tyre është e rendit të . Në distanca shumë më të vogla se , tërheqja e nukleoneve zëvendësohet nga zmbrapsja.

2. Ndërveprimi i fortë nuk varet nga ngarkesa e nukleoneve. Forcat bërthamore që veprojnë midis dy protoneve, një proton dhe një neutron dhe dy neutrone, janë të së njëjtës madhësi. Kjo veti quhet pavarësia e ngarkesës së forcave bërthamore.

3. Forcat bërthamore varen nga orientimi i ndërsjellë i rrotullimeve të nukleonit. Kështu, për shembull, një neutron dhe një proton mbahen së bashku, duke formuar një bërthamë të rëndë hidrogjeni deuteron (ose deuteron) vetëm në të. nëse rrotullimet e tyre janë paralele me njëra-tjetrën.

4. Forcat bërthamore nuk janë qendrore. Ato nuk mund të përfaqësohen siç drejtohen përgjatë një vije të drejtë që lidh qendrat e nukleoneve ndërvepruese. Moscentraliteti i forcave bërthamore rrjedh, veçanërisht, nga fakti se ato varen nga orientimi i rrotullimeve të nukleonit.

5. Forcat bërthamore kanë vetinë e ngopjes (kjo do të thotë se çdo nukleon në bërthamë ndërvepron me një numër të kufizuar nukleonesh). Ngopja manifestohet në faktin se energjia specifike lidhëse e nukleoneve në bërthamë nuk rritet me një rritje të numrit të nukleoneve, por mbetet afërsisht konstante. Për më tepër, ngopja e forcave bërthamore tregohet gjithashtu nga proporcionaliteti i vëllimit të bërthamës me numrin e nukleoneve që e formojnë atë (shih formulën (66.8)).

Sipas koncepteve moderne, ndërveprimi i fortë është për shkak të faktit se nukleonet praktikisht shkëmbejnë grimcat, të quajtura mesone. Për të kuptuar thelbin e këtij procesi, le të shqyrtojmë fillimisht se si duket ndërveprimi elektromagnetik nga pikëpamja e elektrodinamikës kuantike.

Ndërveprimi midis grimcave të ngarkuara kryhet përmes një fushe elektromagnetike. Ne e dimë se kjo fushë mund të përfaqësohet si një koleksion fotonesh.

Sipas koncepteve të elektrodinamikës kuantike, procesi i bashkëveprimit midis dy grimcave të ngarkuara, siç janë elektronet, konsiston në shkëmbimin e fotoneve. Çdo grimcë krijon një fushë rreth vetes duke emetuar dhe thithur vazhdimisht fotone. Veprimi i fushës në një grimcë tjetër manifestohet si rezultat i thithjes së saj të njërit prej fotoneve të emetuara nga grimca e parë. Një përshkrim i tillë i ndërveprimit nuk mund të merret fjalë për fjalë. Fotonet përmes të cilave kryhet ndërveprimi nuk janë fotone të zakonshëm realë, por virtualë. Në mekanikën kuantike, grimcat quhen virtuale nëse nuk mund të zbulohen gjatë jetës së tyre. Në këtë kuptim, grimcat virtuale mund të quhen imagjinare.

Për të kuptuar më mirë kuptimin e termit "virtual", merrni parasysh një elektron në qetësi. Procesi i krijimit të një fushe në hapësirën përreth mund të përfaqësohet nga ekuacioni

Energjia totale e një fotoni dhe një elektroni është më e madhe se energjia e një elektroni në qetësi. Për rrjedhojë, transformimi i përshkruar nga ekuacioni (69.1) shoqërohet me shkelje të ligjit të ruajtjes së energjisë. Megjithatë, për një foton virtual kjo shkelje është e dukshme. Sipas mekanikës kuantike, energjia e një gjendjeje që ekziston koha përcaktohet vetëm me një saktësi që plotëson relacionin e pasigurisë:

(shih formulën (20.3)). Nga kjo marrëdhënie rezulton se energjia e sistemit mund të pësojë devijime AE, kohëzgjatja e të cilave nuk duhet të kalojë vlerën e përcaktuar nga kushti (69.2). Prandaj, nëse një foton virtual i emetuar nga një elektron absorbohet nga i njëjti ose një elektron tjetër para skadimit të kohës (ku ), atëherë nuk mund të zbulohet shkelja e vakonit të ruajtjes së energjisë.

Kur një elektroni i jepet energji shtesë (kjo mund të ndodhë, për shembull, kur ai përplaset me një elektron tjetër), një foton real mund të emetohet në vend të një virtual, i cili mund të ekzistojë pafundësisht.

Për kohën e përcaktuar nga kushti (69.2), një foton virtual mund të transferojë ndërveprimin midis pikave të ndara nga një distancë

Energjia e fotonit mund të jetë arbitrarisht e vogël (frekuenca varion nga 0 në ). Prandaj, diapazoni i forcave magnetike të elektrodës është i pakufizuar.

Nëse grimcat e shkëmbyera nga elektronet ndërvepruese do të kishin një masë të ndryshme nga zero, atëherë rrezja e veprimit të forcave përkatëse do të kufizohej nga vlera

ku është gjatësia e valës Compton e grimcës së dhënë (shih (11.6)). Supozuam se grimca - bartëse e bashkëveprimit - lëviz me një shpejtësi c.

Në vitin 1934, I. E. Tamm sugjeroi që ndërveprimi midis nukleoneve transmetohet gjithashtu përmes një lloj grimcash virtuale. Në atë kohë, përveç nukleoneve, njiheshin vetëm fotoni, elektroni, pozitroni dhe neutrinoja. Më e rënda nga këto grimca, elektroni, ka një gjatësi vale Komtoniane (shih (11.7)), e cila është dy rend magnitudë më e madhe se rrezja e veprimit të forcave bërthamore. Për më tepër, madhësia e forcave që mund të jenë për shkak të elektroneve virtuale, siç tregohet nga llogaritjet, doli të jetë jashtëzakonisht e vogël. Kështu, përpjekja e parë për të shpjeguar forcat bërthamore me ndihmën e shkëmbimit të grimcave virtuale doli të ishte e pasuksesshme.

Në vitin 1935, fizikani japonez H. Yukawa shprehu një hipotezë të guximshme se në natyrë ka ende grimca të pazbuluara me një masë 200-300 herë më të madhe se masa e një elektroni dhe se këto grimca veprojnë si bartëse të ndërveprimit bërthamor, ashtu si fotonet. janë bartës të bashkëveprimit elektromagnetik. Jukawa i quajti këto grimca hipotetike fotone të rënda. Për shkak të faktit se për nga masa këto grimca zënë një pozicion të ndërmjetëm midis elektroneve dhe nukleoneve, ato më pas u quajtën mesone (greqisht "mesos" do të thotë medium),

Në vitin 1936, Anderson dhe Neddermeyer zbuluan në rrezet kozmike grimca me një masë të barabartë me . Fillimisht, besohej se këto grimca, të quajtura mesone, ose muone, janë bartës të ndërveprimit të parashikuar nga Yukawa. Sidoqoftë, më vonë doli se muonet ndërveprojnë shumë dobët me nukleonet, kështu që ata nuk mund të jenë përgjegjës për ndërveprimet bërthamore. Vetëm në vitin 1947 Okchialini dhe Powell zbuluan një lloj tjetër mesonesh në rrezatimin kozmik - të ashtuquajturat -mesone, ose pionët, të cilët doli të ishin bartës të forcave bërthamore të parashikuara 12 vjet më parë nga Yukawa.

Ka mezone pozitive negative dhe neutrale. Ngarkesa e u-mezoneve është e barabartë me ngarkesën elementare. Masa e pioneve të ngarkuar është e njëjtë dhe e barabartë me , masa e -mezonit është e barabartë me .

Spin-i i mezoneve të ngarkuar dhe neutral është i barabartë me zero.Të tre grimcat janë të paqëndrueshme. Jetëgjatësia e dhe -mesoneve është , -meson - .

Shumica dërrmuese e mesonëve të ngarkuar kalbet sipas skemës

( - muonet pozitive dhe negative, v - neutrino, - antineutrino). Mesatarisht, 2.5 zbërthime nga një milion ndodhin sipas skemave të tjera (për shembull, etj., dhe në rastin, d.m.th., formohet një pozitron, dhe në rastin, d.m.th., formohet një elektron).

Mesatarisht, -mezonët zbërthehen në dy -kuante:

Prishjet e mbetura kryhen sipas skemave:

Grimcat e quajtura -mezone ose muone i përkasin klasës së leptoneve (shih § 74) dhe jo mezoneve. Prandaj, në vijim do t'i quajmë muone. Muonët kanë një ngarkesë pozitive ose negative të barabartë me ngarkesën elementare (nuk ka muon neutral). Masa e muonit është gjysma e spinit. Muoys, si -mesonët, janë të paqëndrueshëm, ato kalbet sipas skemës:

Jetëgjatësia e të dy muonëve është e njëjtë dhe e barabartë.

Le të kthehemi në shqyrtimin e ndërveprimit të shkëmbimit midis nukleoneve. Si rezultat i proceseve virtuale

Nukleoni rezulton të jetë i rrethuar nga një re mezonësh virtualë, të cilët formojnë fushën e forcave bërthamore. Thithja e këtyre mezoneve nga një nukleon tjetër çon në një ndërveprim të fortë midis nukleoneve, i cili kryhet sipas njërës nga skemat e mëposhtme:

Numri përkatës i neutroneve praktikisht në pushim gjendet në objektiv. Është absolutisht e pabesueshme që një numër kaq i madh neutronesh do të transferonte plotësisht vrullin e tyre te protonet e pushuar më parë si rezultat i ndikimeve ballore. Prandaj, duhet pranuar se një pjesë e neutroneve që fluturojnë pranë protoneve kap një nga mezonet virtuale. Si rezultat, neutroni kthehet në një proton, dhe protoni që ka humbur ngarkesën e tij kthehet në një neutron (Fig. 69.2).

Nëse nukleonit i jepet një energji ekuivalente me masën e -mezonit, atëherë -mezoni virtual mund të bëhet real. Energjia e nevojshme mund të jepet nga përplasja e nukleoneve (ose bërthamave) mjaftueshëm të përshpejtuar ose nga thithja e një kuantike nga një nukleon. Në energji shumë të larta të bimëve që përplasen, disa reale

1. Forcat bërthamore janë forcat tërheqëse me rreze të shkurtër . Ato shfaqen vetëm në distanca shumë të vogla ndërmjet nukleoneve në bërthamën e rendit 10–15 m. Gjatësia (1,5–2,2) 10–15 m quhet gamën e forcave bërthamore ato zvogëlohen me shpejtësi me rritjen e distancës ndërmjet nukleoneve. Në një distancë prej (2-3) m, ndërveprimi bërthamor praktikisht mungon.

3. Një veçori e forcave bërthamore është edhe e tyre ngarkojnë pavarësinë , d.m.th. ato nuk varen nga ngarkesa e nukleoneve, kështu që ndërveprimet bërthamore ndërmjet protoneve dhe neutroneve janë të njëjta.Pavarësia e ngarkesës së forcave bërthamore mund të shihet nga një krahasim i energjive lidhëse bërthamat e pasqyrës.Si quhen bërthamat?, në të cilat numri i përgjithshëm i nukleoneve është i njëjtë, natën, numri i protoneve në njërin është i barabartë me numrin e neutroneve në tjetrin. Për shembull, energjitë lidhëse të bërthamave të heliumit dhe hidrogjenit të rëndë - tritiumit janë përkatësisht 7,72 MeV dhe 8.49 MeV Diferenca midis energjive lidhëse të këtyre bërthamave, e barabartë me 0,77 MeV, korrespondon me energjinë e zmbrapsjes së Kulombit të dy protoneve në bërthamë. Duke supozuar se kjo rritje është e barabartë, mund të konstatohet se distanca mesatare r ndërmjet protoneve në bërthamë është 1,9·10 -15 m, që është në përputhje me vlerën e rrezes së veprimit të forcave bërthamore.

4. Forcat bërthamore nuk janë qendrore dhe varen nga orientimi i ndërsjellë i rrotullimeve të nukleoneve që ndërveprojnë. Kjo konfirmohet nga karakteri i ndryshëm i shpërndarjes së neutronit nga molekulat orto- dhe para-hidrogjen. Në molekulën e ortohidrogjenit rrotullimet e të dy protoneve janë paralele me njëri-tjetrin, ndërsa në molekulën e parahidrogjenit ato janë antiparalele. Eksperimentet kanë treguar se shpërndarja e neutroneve nga parahidrogjeni është 30 herë më e madhe se shpërndarja nga ortohidrogjeni.

Natyra komplekse e forcave bërthamore nuk lejon zhvillimin e një teorie të vetme të qëndrueshme të ndërveprimit bërthamor, megjithëse janë propozuar shumë qasje të ndryshme. Sipas hipotezës së fizikanit japonez H. Yukawa (1907-1981), të cilën ai e propozoi në vitin 1935, forcat bërthamore janë për shkak të shkëmbimit - mezoneve, d.m.th. grimca elementare, masa e të cilave është afërsisht 7 herë më e vogël se masa e nukleoneve. Sipas këtij modeli, një nukleon me kalimin e kohës m- masa e mezonit) lëshon një mezon, i cili, duke lëvizur me një shpejtësi afër shpejtësisë së dritës, përshkon një distancë, pas së cilës përthithet nga nukleoni i dytë. Nga ana tjetër, nukleoni i dytë lëshon gjithashtu një mezon, i cili përthithet nga i pari. Prandaj, në modelin e H. Yukawa-s, distanca në të cilën nukleonet ndërveprojnë përcaktohet nga gjatësia e rrugës së mezonit, e cila korrespondon me një distancë prej rreth m dhe përkon sipas madhësisë me rrezen e veprimit të forcave bërthamore.

Pyetja 26. reaksionet e ndarjes. Në vitin 1938, shkencëtarët gjermanë O. Hahn (1879-1968) dhe F. Strassmann (1902-1980) zbuluan se kur uraniumi bombardohet me neutrone, ndonjëherë shfaqen bërthama që janë afërsisht sa gjysma e bërthamës origjinale të uraniumit. Ky fenomen është quajtur ndarje bërthamore.

Ai përfaqëson reagimin e parë të vëzhguar eksperimentalisht të transformimeve bërthamore. Një shembull është një nga reaksionet e mundshme të ndarjes bërthamore të uraniumit-235:

Procesi i ndarjes bërthamore vazhdon shumë shpejt (brenda një kohe prej ~ 10 -12 s). Energjia e çliruar gjatë një reaksioni si (7.14) është afërsisht 200 MeV për ngjarje të ndarjes së bërthamës së uraniumit-235.

Në rastin e përgjithshëm, reaksioni i ndarjes së bërthamës së uraniumit-235 mund të shkruhet si:

Neutronet (7.15)

Faza kritike e ndarjes dhe, pasi ka lëshuar një -kuant, kthehet në kryesore

gjendje.

Një tipar i rëndësishëm i reaksionit të ndarjes bërthamore është aftësia për të zbatuar në bazë të tij një reaksion zinxhir bërthamor të vetëqëndrueshëm. . Kjo për faktin se më shumë se një neutron lëshohet mesatarisht gjatë çdo ngjarje të ndarjes. Masa, ngarkesa dhe energjia kinetike e fragmenteve X dhe U, të formuara gjatë një reaksioni të ndarjes së tipit (7.15) janë të ndryshme. Këto fragmente ngadalësohen shpejt nga mediumi, duke shkaktuar jonizimin, ngrohjen dhe prishjen e strukturës së tij. Përdorimi i energjisë kinetike të fragmenteve të ndarjes për shkak të ngrohjes së tyre të mediumit është baza për shndërrimin e energjisë bërthamore në energji termike. Fragmentet e ndarjes bërthamore janë në gjendje të ngacmuar pas reaksionit dhe kalojnë në gjendjen bazë duke emetuar β - grimca dhe -kuante.

Reagimi bërthamor i kontrolluar kryer në reaktor bërthamor dhe shoqërohet me çlirimin e energjisë. Reaktori i parë bërthamor u ndërtua në vitin 1942 në SHBA (Chicago) nën drejtimin e fizikanit E. Fermi (1901 - 1954). Në BRSS, reaktori i parë bërthamor u krijua në 1946 nën udhëheqjen e IV Kurchatov. Më pas, pasi fituan përvojë në kontrollin e reaksioneve bërthamore, ata filluan të ndërtojnë termocentrale bërthamore.

Pyetja 27. fuzion bërthamor quhet reaksioni i shkrirjes së protoneve dhe neutroneve ose bërthamave individuale të dritës, si rezultat i të cilave formohet një bërthamë më e rëndë. Reaksionet më të thjeshta të shkrirjes bërthamore janë:

, ΔQ = 17,59 MeV; (7.17)

Llogaritjet tregojnë se energjia e çliruar në procesin e reaksioneve të shkrirjes bërthamore për njësi të masës tejkalon ndjeshëm energjinë e çliruar në reaksionet e ndarjes bërthamore. Gjatë reaksionit të ndarjes së bërthamës së uraniumit-235, lirohet afërsisht 200 MeV, d.m.th. 200:235=0.85 MeV për nukleon dhe gjatë reaksionit të shkrirjes (7.17) lirohet një energji prej përafërsisht 17.5 MeV, pra 3.5 MeV për nukleon (17.5:5=3.5 MeV). Në këtë mënyrë, procesi i shkrirjes është rreth 4 herë më efikas se procesi i zbërthimit të uraniumit (llogaritet për një nukleon të bërthamës që merr pjesë në reaksionin e ndarjes).

Shpejtësia e lartë e këtyre reaksioneve dhe çlirimi relativisht i lartë i energjisë e bëjnë një përzierje me përbërës të barabartë të deuteriumit dhe tritiumit më premtuesin për zgjidhjen e problemit. shkrirja termonukleare e kontrolluar. Shpresat e njerëzimit për zgjidhjen e problemeve të tij të energjisë janë të lidhura me shkrirjen e kontrolluar termonukleare. Situata është se rezervat e uraniumit, si lëndë e parë për termocentralet bërthamore, janë të kufizuara në Tokë. Por deuteriumi që përmbahet në ujin e oqeaneve është një burim pothuajse i pashtershëm i karburantit të lirë bërthamor. Situata me tritium është disi më e ndërlikuar. Tritiumi është radioaktiv (gjysma e jetës së tij është 12.5 vjet, reagimi i kalbjes duket si :), nuk ndodh në natyrë. Prandaj, për të siguruar punën reaktor i shkrirjes që përdor tritiumin si lëndë djegëse bërthamore, duhet të sigurohet mundësia e riprodhimit të tij.

Për këtë qëllim, zona e punës së reaktorit duhet të rrethohet nga një shtresë e izotopit të lehtë të litiumit, në të cilën do të zhvillohet reaksioni.

Si rezultat i këtij reagimi, formohet izotopi i hidrogjenit tritium ().

Në të ardhmen, po shqyrtohet mundësia e krijimit të një reaktori termonuklear me radioaktiv të ulët bazuar në një përzierje të izotopit të deuteriumit dhe heliumit, reaksioni i shkrirjes ka formën:

MeV.(7.20)

Si rezultat i këtij reagimi, për shkak të mungesës së neutroneve në produktet e shkrirjes, rreziku biologjik i reaktorit mund të zvogëlohet me katër deri në pesë rend të madhësisë, si në krahasim me reaktorët e ndarjes bërthamore ashtu edhe me reaktorët termonuklearë që veprojnë në deuterium dhe lënda djegëse tritium, nuk ka nevojë për përpunimin industrial të materialeve radioaktive dhe transportin e tyre, thjeshton cilësisht asgjësimin e mbetjeve radioaktive. Sidoqoftë, perspektivat për krijimin në të ardhmen e një reaktori termonuklear miqësor me mjedisin, bazuar në një përzierje të deuteriumit () me një izotop heliumi () ndërlikohen nga problemi i lëndëve të para: rezervat natyrore të izotopit të heliumit në Tokë janë të parëndësishme. . Ndikimi i om deuteriumit në të ardhmen e termobërthamoreve miqësore me mjedisin

Në rrugën drejt zbatimit të reaksioneve të shkrirjes në kushte tokësore, problemi i zmbrapsjes elektrostatike të bërthamave të lehta lind kur ato afrohen në distanca në të cilat fillojnë të veprojnë forcat bërthamore të tërheqjes, d.m.th. rreth 10 -15 m, pas së cilës ndodh procesi i bashkimit të tyre për shkak të efekt tuneli. Për të kapërcyer pengesën potenciale, bërthamave të lehta që përplasen duhet t'i jepet një energji prej ≈10 keV që i përgjigjet temperaturës T ≈10 8 K dhe më lart. Prandaj, reaksionet termonukleare në kushte natyrore ndodhin vetëm në brendësi të yjeve. Për zbatimin e tyre në kushte tokësore, një ngrohje e fortë e substancës është e nevojshme ose nga një shpërthim bërthamor, ose nga një shkarkim i fuqishëm gazi, ose nga një puls gjigant i rrezatimit lazer, ose nga bombardimi me një rreze grimcash intensive. Reaksionet termonukleare janë kryer deri më tani vetëm në shpërthimet testuese të bombave termonukleare (hidrogjenike).

Kërkesat kryesore që duhet të plotësojë një reaktor termonuklear si një pajisje për shkrirjen e kontrolluar termonukleare janë si më poshtë.

Së pari, izolim i besueshëm i plazmës së nxehtë (≈10 8 K) në zonën e reagimit. Ideja themelore, e cila përcaktoi për shumë vite rrugën e zgjidhjes së këtij problemi, u shpreh në mesin e shekullit të 20-të në BRSS, SHBA dhe Britaninë e Madhe pothuajse njëkohësisht. Kjo ide është përdorimi i fushave magnetike për mbajtjen dhe izolimin termik të plazmës me temperaturë të lartë.

Së dyti, kur punoni me karburant që përmban tritium (i cili është një izotop i hidrogjenit me radioaktivitet të lartë), do të ndodhë dëmtimi i rrezatimit në muret e dhomës së reaktorit të shkrirjes. Sipas ekspertëve, rezistenca mekanike e murit të parë të dhomës nuk ka gjasa të kalojë 5-6 vjet. Kjo nënkupton nevojën për çmontimin e plotë periodik të instalimit dhe rimontimin e tij të mëvonshëm me ndihmën e robotëve që punojnë në distancë për shkak të radioaktivitetit jashtëzakonisht të lartë të mbetur.

Së treti, kërkesa kryesore që duhet të plotësojë shkrirja termonukleare është që çlirimi i energjisë si rezultat i reaksioneve termonukleare do të kompensojë më shumë energjinë e shpenzuar nga burimet e jashtme për të ruajtur vetë reaksionin. Me interes të madh janë reaksionet termonukleare "të pastra",

që nuk prodhojnë neutrone (shih (7.20) dhe reagimin më poshtë:

Pyetja 28 α−, β−, γ− rrezatimi.

Nën radioaktiviteti kuptojnë aftësinë e disa bërthamave atomike të paqëndrueshme për t'u shndërruar në mënyrë spontane në bërthama të tjera atomike me emetimin e rrezatimit radioaktiv.

radioaktiviteti natyror quhet radioaktiviteti i vërejtur në izotopet e paqëndrueshme natyrale.

radioaktiviteti artificial quhet radioaktiviteti i izotopeve të fituar si rezultat i reaksioneve bërthamore të kryera në përshpejtuesit dhe reaktorët bërthamorë.

Transformimet radioaktive ndodhin me një ndryshim në strukturën, përbërjen dhe gjendjen energjetike të bërthamave të atomeve, dhe shoqërohen nga emetimi ose kapja e grimcave të ngarkuara ose neutrale, dhe lëshimi i rrezatimit me valë të shkurtër të një natyre elektromagnetike (kuantat e rrezatimit gama ). Këto grimca dhe kuante të emetuara quhen kolektivisht radioaktive (ose jonizues rrezatimi dhe elementet, bërthamat e të cilëve mund të kalbet spontanisht për një arsye ose një tjetër (natyrore ose artificiale) quhen radioaktive ose radionuklidet . Shkaqet e zbërthimit radioaktiv janë pabarazitë midis forcave tërheqëse bërthamore (me rreze të shkurtër) dhe forcave refuzuese elektromagnetike (me rreze të gjatë) të protoneve të ngarkuar pozitivisht.

rrezatimi jonizues– rrjedha e grimcave të ngarkuara ose neutrale dhe kuanteve të rrezatimit elektromagnetik, kalimi i të cilave nëpër një substancë çon në jonizimin dhe ngacmimin e atomeve ose molekulave të mediumit. Për nga natyra e tij, ai ndahet në foton (rrezatim gama, bremsstrahlung, rrezatim me rreze x) dhe korpuskular (rrezatim alfa, elektron, proton, neutron, meson).

Nga 2500 nukleide të njohura aktualisht, vetëm 271 janë të qëndrueshme. Pjesa tjetër (90%!) Janë të paqëndrueshme; radioaktive; me një ose më shumë zbërthime të njëpasnjëshme, të shoqëruara me emetim grimcash ose γ-kuante, kthehen në nuklide të qëndrueshme.

Studimi i përbërjes së rrezatimit radioaktiv bëri të mundur ndarjen e tij në tre komponentë të ndryshëm: α-rrezatim është një rrjedhë e grimcave të ngarkuara pozitivisht - bërthamat e heliumit (), β-rrezatimi është rrjedha e elektroneve ose pozitroneve, rrezatimi γ – fluksi i rrezatimit elektromagnetik me valë të shkurtër.

Zakonisht, të gjitha llojet e radioaktivitetit shoqërohen nga emetimi i rrezeve gama - rrezatimi elektromagnetik i fortë, me valë të shkurtër. Rrezet gama janë forma kryesore e reduktimit të energjisë së produkteve të ngacmuara të transformimeve radioaktive. Një bërthamë që i nënshtrohet zbërthimit radioaktiv quhet amtare; duke u shfaqur fëmijë bërthama, si rregull, rezulton të jetë e ngacmuar dhe kalimi i saj në gjendjen bazë shoqërohet me emetimin e një kuantike.

Ligjet e ruajtjes. Gjatë zbërthimit radioaktiv, parametrat e mëposhtëm ruhen:

1. Ngarkimi . Ngarkesa elektrike nuk mund të krijohet apo shkatërrohet. Ngarkesa totale para dhe pas reaksionit duhet të ruhet, megjithëse mund të shpërndahet ndryshe midis bërthamave dhe grimcave të ndryshme.

2. Numri masiv ose numri i nukleoneve pas reaksionit duhet të jetë i barabartë me numrin e nukleoneve para reaksionit.

3. Energjia totale . Energjia e Kulonit dhe energjia e masave ekuivalente duhet të ruhen në të gjitha reaksionet dhe zbërthimet.

4.momenti dhe momenti këndor . Ruajtja e momentit linear është përgjegjëse për shpërndarjen e energjisë së Kulombit midis bërthamave, grimcave dhe/ose rrezatimit elektromagnetik. Momenti këndor i referohet rrotullimit të grimcave.

α-prishje quhet emetim nga një bërthamë atomike α− grimcat. Në α− prishja, si gjithmonë, duhet të përmbushet ligji i ruajtjes së energjisë. Në të njëjtën kohë, çdo ndryshim në energjinë e sistemit korrespondon me ndryshime proporcionale në masën e tij. Prandaj, gjatë zbërthimit radioaktiv, masa e bërthamës mëmë duhet të tejkalojë masën e produkteve të kalbjes me një sasi që korrespondon me energjinë kinetike të sistemit pas zbërthimit (nëse bërthama mëmë ishte në qetësi para zbërthimit). Kështu, në rastin α− prishja duhet të plotësojë kushtin

ku është masa e bërthamës mëmë me një numër masiv A dhe numri serial Z, është masa e bërthamës së bijës dhe është masa α− grimcat. Secila prej këtyre masave, nga ana tjetër, mund të përfaqësohet si shuma e numrit të masës dhe defektit të masës:

Duke i zëvendësuar këto shprehje për masat në pabarazi (8.2), marrim kushtin e mëposhtëm për α− prishje:, (8.3)

ato. diferenca në defektet në masë të bërthamave prind dhe bijë duhet të jetë më e madhe se defekti në masë α− grimcat. Kështu, në α− zbërthimi, numri masiv i bërthamave prind dhe bijë duhet të ndryshojnë nga njëri-tjetri me katër. Nëse diferenca në numrat e masës është e barabartë me katër, atëherë në , defektet në masë të izotopeve natyrore gjithmonë zvogëlohen me rritjen A. Kështu, për , pabarazia (8.3) nuk plotësohet, pasi defekti në masë i bërthamës më të rëndë, që duhet të jetë bërthama mëmë, është më i vogël se defekti masiv i bërthamës më të lehtë. Prandaj, kur α− ndarje bërthamore nuk ndodh. E njëjta gjë vlen edhe për shumicën e izotopeve artificiale. Përjashtim bëjnë disa izotopë artificialë të lehtë, për të cilët kërcimet në energjinë e lidhjes, dhe rrjedhimisht në defekte në masë, janë veçanërisht të mëdha në krahasim me izotopet fqinje (për shembull, izotopi i beriliumit, i cili zbërthehet në dy α− grimcat).

Energjisë α− grimcat e prodhuara gjatë zbërthimit të bërthamave shtrihen në një interval relativisht të ngushtë nga 2 në 11 MeV. Në këtë rast, ka një tendencë që gjysma e jetës të zvogëlohet me rritjen e energjisë α− grimcat. Kjo tendencë manifestohet veçanërisht në transformimet e njëpasnjëshme radioaktive brenda së njëjtës familje radioaktive (ligji Geiger-Nattall). Për shembull, energjia α− grimcat gjatë kalbjes së uraniumit (T \u003d 7.1. 10 8 vjet) është 4.58 mev, me kalbjen e protaktiniumit (T \u003d 3.4. 10 4 vjet) - 5.04 Mevy gjatë kalbjes së poloniumit (T \u003d 1.83. 10 -3 Me)- 7,36mev.

Në përgjithësi, bërthamat e të njëjtit izotop mund të lëshojnë α− grimca me disa vlera të përcaktuara rreptësisht të energjisë (në shembullin e mëparshëm, tregohet energjia më e lartë). Me fjale te tjera, α− grimcat kanë një spektër diskret të energjisë. Kjo shpjegohet si më poshtë. Bërthama e zbërthimit që rezulton, sipas ligjeve të mekanikës kuantike, mund të jetë në disa gjendje të ndryshme, në secilën prej të cilave ka një energji të caktuar. Gjendja me energji sa më të ulët është e qëndrueshme dhe quhet kryesore . Quhen shtetet e tjera i emocionuar . Bërthama mund të qëndrojë në to për një kohë shumë të shkurtër (10 -8 - 10 -12 sek), dhe më pas kalon në një gjendje me një energji më të ulët (jo domosdoshmërisht menjëherë në atë kryesore) me emetim. γ− kuantike.

Në vazhdim α− Ka dy faza të kalbjes: formimi α− grimcat nga nukleonet e bërthamës dhe emetimi α− grimcat bërthamore.

Zbërthimi beta (rrezatimi). Koncepti i kalbjes kombinon tre lloje të transformimeve spontane intranukleare: elektronike - zbërthimi, pozitron - kalbja dhe kapja e elektroneve ( E- kapja).

Ka shumë më tepër izotope beta-radioaktive sesa ato alfa-aktive. Ato janë të pranishme në të gjithë rajonin e ndryshimit të numrit masiv të bërthamave (nga bërthamat e lehta deri tek ato më të rëndat).

Prishja beta e bërthamave atomike është për shkak të ndërveprim i dobët grimcat elementare dhe, si prishja, u bindet ligjeve të caktuara. Gjatë zbërthimit, një nga neutronet e bërthamës kthehet në një proton, ndërsa lëshon një elektron dhe një antineutrino elektronike. Ky proces ndodh sipas skemës: . (8.8)

Gjatë zbërthimit, një nga protonet e bërthamës shndërrohet në një neutron me emetimin e një pozitroni dhe një neutrine elektronike:

Një neutron i lirë që nuk është pjesë e bërthamës zbërthehet në mënyrë spontane sipas reaksionit (8.8) me një gjysmë jetëgjatësi prej rreth 12 minuta.Kjo është e mundur sepse masa e neutronit a.m.u. më e madhe se masa e protonit a.m.u. me vlerën a.m.u., e cila tejkalon masën e prerjes së elektroneve a.m.u. (masa e mbetur e neutrinës është zero). Prishja e një protoni të lirë është e ndaluar nga ligji i ruajtjes së energjisë, pasi shuma e masave të mbetura të grimcave që rezultojnë - neutron dhe pozitron - është më e madhe se masa e protonit. Pra, zbërthimi (8.9) i një protoni është i mundur vetëm në bërthamë, nëse masa e bërthamës së bijës është më e vogël se masa e bërthamës mëmë me një vlerë që tejkalon masën e pushimit të pozitronit (masat e mbetura të pozitroni dhe elektroni janë të barabartë). Nga ana tjetër, një kusht i ngjashëm duhet të plotësohet edhe në rastin e kalbjes së një neutroni që është pjesë e bërthamës.

Përveç procesit që ndodh sipas reaksionit (8.9), transformimi i një protoni në një neutron mund të ndodhë gjithashtu duke kapur një elektron nga një proton me emetimin e njëkohshëm të një neutrine elektronike

Ashtu si procesi (8.9), procesi (8.10) nuk ndodh me një proton të lirë. Sidoqoftë, nëse protoni është brenda bërthamës, atëherë ai mund të kapë një nga elektronet orbitale të atomit të tij, me kusht që shuma e masave të bërthamës mëmë dhe elektronit të jetë më e madhe se masa e bërthamës së bijës. Vetë mundësia e një takimi të protoneve brenda bërthamës me elektronet orbitale të një atomi është për shkak të faktit se, sipas mekanikës kuantike, lëvizja e elektroneve në një atom nuk ndodh përgjatë orbitave të përcaktuara rreptësisht, siç pranohet në Bohr. teori, por ka njëfarë probabiliteti për të takuar një elektron në çdo rajon të hapësirës brenda atomit, në veçanti, dhe në rajonin e zënë nga bërthama.

Shndërrimi i bërthamës i shkaktuar nga kapja e një elektroni orbital quhet E- kapja. Më shpesh, ndodh kapja e një elektroni që i përket shtresës K më afër bërthamës (kapja K). Kapja e një elektroni që është pjesë e shtresës së ardhshme L (kapja L) ndodh afërsisht 100 herë më rrallë.

Rrezatimi gama. Rrezatimi gama është rrezatim elektromagnetik me gjatësi vale të shkurtër, i cili ka një gjatësi vale jashtëzakonisht të shkurtër dhe, si rezultat, veti të theksuara korpuskulare, d.m.th. është një fluks kuantesh me energji ( ν − frekuenca e rrezatimit), momenti dhe rrotullimi J(në njësi ħ ).

Rrezatimi gama shoqëron prishjen e bërthamave, ndodh gjatë asgjësimit të grimcave dhe antigrimcave, gjatë ngadalësimit të grimcave të ngarkuara shpejt në mjedis, gjatë zbërthimit të mezoneve, është i pranishëm në rrezatimin kozmik, në reaksionet bërthamore etj. i ndërmjetëm, më pak i ngacmuar shteteve. Prandaj, rrezatimi i të njëjtit izotop radioaktiv mund të përmbajë disa lloje kuantesh, të ndryshme nga njëra-tjetra në vlerat e energjisë. Jetëgjatësia e gjendjeve të ngacmuara të bërthamave zakonisht rritet ndjeshëm kur energjia e tyre zvogëlohet dhe kur diferenca midis rrotullimeve të bërthamës në gjendjen fillestare dhe përfundimtare rritet.

Emetimi i një kuantike ndodh gjithashtu gjatë tranzicionit rrezatues të bërthamës atomike nga një gjendje e ngacmuar me energji E i në tokë ose në gjendje më pak të ngacmuar me energji E k (Ei > Ek). Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë (deri në energjinë e kthimit të bërthamës), energjia kuantike përcaktohet me shprehjen: . (8.11)

Gjatë rrezatimit plotësohen edhe ligjet e ruajtjes së momentit dhe momentit këndor.

Për shkak të diskretitetit të niveleve të energjisë së bërthamës, rrezatimi ka një spektër të linjës së energjisë dhe frekuencave. Në fakt, spektri energjetik i bërthamës ndahet në rajone diskrete dhe të vazhdueshme. Në rajonin e spektrit diskret, distancat midis niveleve të energjisë së bërthamës janë shumë më të mëdha se gjerësia e energjisë G niveli i përcaktuar nga jetëgjatësia e bërthamës në këtë gjendje:

Koha përcakton shkallën e kalbjes së një bërthame të ngacmuar:

ku është numri i bërthamave në kohën fillestare (); numri i bërthamave të pazbërthyera në të njëjtën kohë t.

Pyetja 29. Ligjet e zhvendosjes. Kur lëshon një grimcë, bërthama humbet dy protone dhe dy neutrone. Prandaj, në bërthamën (bijë) që rezulton, në krahasim me bërthamën fillestare (prind), numri i masës është katër më pak, dhe numri serial është dy më pak.

Kështu, gjatë zbërthimit, fitohet një element, i cili në tabelën periodike zë një vend dy qeliza në të majtë në krahasim me atë origjinal: (8.14)

Gjatë zbërthimit, një nga neutronet e bërthamës shndërrohet në një proton me emetimin e një elektroni dhe një antineutrino (-zbërthimi). Si rezultat i kalbjes, numri i nukleoneve në bërthamë mbetet i pandryshuar. Prandaj, numri i masës nuk ndryshon, me fjalë të tjera, ka një transformim të një izobar në një tjetër. Megjithatë, ngarkesa e bërthamës së bijës dhe numri i saj rendor ndryshojnë. Gjatë zbërthimit, kur një neutron shndërrohet në proton, numri serial rritet me një, d.m.th. në këtë rast, shfaqet një element që zhvendoset në tabelën periodike në krahasim me origjinalin një nga një qelizë djathtas:

Gjatë zbërthimit, kur një proton shndërrohet në një neutron, numri serial zvogëlohet me një, dhe elementi i marrë rishtazi zhvendoset në tabelën periodike me një qelizë në të majtë:

Në shprehjet (8.14) − (8.16) X- simboli i bërthamës së nënës, Yështë simboli i bërthamës së bijës, është bërthama e heliumit; A= 0 dhe Z= –1, dhe një pozitron, për të cilin A= 0 dhe Z=+1.

Natyrisht formohen bërthama radioaktive tre familje radioaktive thirrur familja e uraniumit (), familja e toriumit () dhe familja e aktinisë (). Ata morën emrat e tyre për izotopet jetëgjatë me gjysmëjetën më të gjatë. Të gjitha familjet pas zinxhirit të kalbjes α- dhe β përfundojnë në bërthama të qëndrueshme të izotopeve të plumbit - , dhe. Familja e neptuniumit, duke filluar nga elementi transuranium neptunium, është marrë artificialisht dhe përfundon me izotopin e bismutit.