Energia de legare și masa nucleară. Energia de legare a nucleului se numește. energie, to-ruyu trebuie cheltuit pentru a împărți nucleul în separat. nucleonii. Este egal cu înmulțit cu Cu 2 diferențe între masa totală a tuturor nucleonilor care alcătuiesc nucleul și masa M nucleul în sine:

Aici T R, T n sunt masele protonului și neutronului. Energia de legare a nucleului este aproximativ proporțională. numărul de nucleoni din nucleu și sp. energie de legătură /A aproape constant (pentru majoritatea nucleelor ​​/ A~ 6-8 MeV). Această proprietate, numită saturație a forțelor nucleare, înseamnă că nucleonul din nucleu interacționează eficient nu cu toți nucleonii nucleului, ci doar cu un anumit număr limitat dintre aceștia (în caz contrar, energia de legare ar fi proporțională. A).

Constanța densității și a bătăilor. energia de legare a nucleului aduce proprietăţile nucleului mai aproape de cele ale lichidului. Această asemănare a stat la baza modelului nucleului ca picătură lichidă ( model de picătură al nucleului), pe baza unei tăieturi a lui K. F. von Weizsacker (C. F. von Weizsacker) în 1935 a propus un semi-empiric. f-lu ( Formula Weizsäcker) pentru energia de legare a nucleului:

Aici, primul termen descrie energia în vrac a „picăturii”, al doilea caracterizează slăbirea legăturii pentru nucleonii aflați pe suprafața nucleului, al treilea termen descrie contribuția energiei Coulomb a picăturii cu rază. R~A 1/3 si cu taxa Z. Al patrulea termen (așa-numita energie a simetriei) nu are un clasic. analog şi reflectă faptul că atracţia dintre nucleoni de diferite feluri în cf. mai puternic decât pentru nucleoni identici. Aceasta este împreună cu principiul Pauli o face defavorabilă din punct de vedere energetic. deviere N din Z. Al cincilea membru al energie

Reproduce faptul experimental că nucleele pare-pare ( ZȘi N pare) sunt mai strâns legate decât nucleele par-impare vecine, iar acestea din urmă, la rândul lor, sunt mai stabile decât nucleele impar-impare.

Modern valorile parametrilor Weizsacker f-ly: b 1 = 15,75 MeV, b 2 = 17,8 MeV, b 3 = 0,71 MeV, b 4 = 23,7 MeV. F-la (4) în cf. descrie bine energiile de legare ale nucleelor, limitează valoarea Z 2 /A~ 46 este regiunea de existență a nucleelor ​​rezistente la fisiune. Cu toate acestea, nu ia în considerare caracteristicile individuale ale structurii învelișului nucleului. Aceste efecte pot fi luate în considerare prin metoda de corecție a cochiliei Strutinsky, care prezice posibilitatea existenței așa-numitului. insule în stabilitatea nucleelor ​​supergrele la Z~114 (vezi Elemente transuraniu).

Caracteristicile cuantice ale nivelurilor nucleare. In absenta. la energii sub pragul de dezintegrare (cu emisia unui nucleon, a-particulă etc.) poate fi doar în stări discrete cu un definit. energie, caracterizată printr-un set de numere cuantice care specifică valorile cantităților conservate (integrale de mișcare) în aceste stări. Peste pragul de dezintegrare nucleară, stările discrete devin nestaționare și apar în reacțiile nucleare ca rezonanțe de lățime finită.

Naib. caracteristicile importante ale stărilor nucleare sunt spinul nucleului (sau momentul numărului de mișcare, numit și momentul unghiular al nucleului) eu iar paritatea p = + 1. Spin / se măsoară în unități și ia valori pe jumătate întregi ( eu= 1 / 2 , 3 / 2 , ...) Nuclee impare și valori întregi ( eu=0, 1, 2, ....) pentru nuclee pare. Paritatea p indică simetria funcției de undă y a stării nucleare în raport cu reflectarea în oglindă a spațiului R(cm. Inversie spațială: R y = py. În acest sens, pentru statele nucleare este indicată caracteristica combinată eu p . S-a stabilit empiric că stările de nuclee pare-pare au caracteristica 0 + . Rotirile și paritățile nucleelor ​​impare sunt de obicei explicate de modelul de înveliș (vezi mai jos). Strict vorbind, paritatea nu este un număr cuantic exact, deoarece nu este conservat la interacțiune slabă. Prin forte interacțiune electroslabăîntre nucleoni are loc un amestec de stări cu același spin euși parități opuse. Cu toate acestea, din cauza micii forțe care încalcă paritatea, această amestecare este mică și poate fi neglijată atunci când se iau în considerare spectrele nivelurilor nucleare, diferite reacții nucleare și tranziții, cu excepția proceselor care vizează în mod special studierea fenomenului. neconservarea parităţii în nuclee.

O altă caracteristică nucleară importantă, deși aproximativă, este spin izotopic(sau spin izobar) T, to-ry este format din isospinuri otd. nucleoni după aceleași reguli ca spinul obișnuit. Păstrarea acestei valori este asociată cu invarianta izotopică forțe nucleare, spre paradis constă în faptul că interacțiunile nucleare dintre doi nucleoni în spații identice. iar stările de spin nu depind de tipul de nucleoni, adică sunt aceleași în perechi pp, pn și n. izotopic spin (isospin) poate lua valorile T>=(N-Z)/ 2, întreg pentru nucleele pare și jumătate întreg pentru impar. La fel ca o rotire obișnuită, are și o proiecție fixă ​​pe una dintre axele formale de isospin. spaţiu T Z = (A - 2Z)/2. Este legat de sarcina nucleului și, prin urmare, este o cantitate strict conservată în toate stările nucleare. În schimb, isospin T este un număr cuantic aproximativ. Încălcarea Isospin (adică amestecarea componentelor cu valori diferite Tîn funcția de undă a stării nucleare) se datorează diferenței dintre masele protonului și neutronului, precum și interacțiunii Coulomb între protoni. În nucleele ușoare cu Z<=20 эти эффекты малы и изоспин T este un număr cuantic destul de precis. Ca rezultat, stările nucleare pot fi caracterizate prin numere cuantice TȘi T Z, a state cu aceleaşi valori eu p, Tîn nucleele vecine-izobare se combină în multiplete izotopice. Deoarece proiecția izoepinei ia valorile T Z = T, T-1, ...., - T, apoi în izotopic multiplu inclus 2 T+ 1 niveluri.

S-a stabilit experimental că cu cât energia de excitație a stării nucleare este mai mare, cu atât isospinul este mai mare. Prin urmare, în principal starea nucleului T = T Z iar pentru nucleele par-pari cu Z=N T= 0. Sâmburi cu T= 1/2 și T Z = b 1/2 formă isodub-let (de ex. 3 H - 3 He). Un exemplu de izotriplet este principalul. stare 0 + ( T=1, T Z = 1) nuclee 6 He, stare excitată 0 + ( T= 1, T Z = 0 ) nuclee 6 Li (energie de excitație 3,56 MeV) și principal. starea nucleului 6 Be ( T= 1, T Z =-1) . În fizica nucleară, se obișnuiește să se atribuie isospinul nucleonului T= 1/2 și valori T Z = 1/2 neutron, T Z =- 1/2 la un proton, spre deosebire de fizica particulelor elementare, unde sunt folosite semne opuse ale proiecțiilor isospinului nucleonului. Acest lucru se face din motive de comoditate, astfel încât valorile T Z au fost pozitive pentru nucleele stabile, pentru care N>Z.

Stările nucleelor ​​care alcătuiesc un izotopic. multiplet, numit stări analogice. Datorită invarianței izotopice a forțelor nucleare, structura (pur nucleară) a acestor stări este aceeași, iar toate diferențele în proprietățile lor se datorează el-magnului. interacţiune. De exemplu, energiile de legare ale stărilor analogice sunt aceleași până la o diferență în energiile Coulomb din nucleele unui multiplet dat. Pe măsură ce Z crește, rolul interacțiunii Coulomb crește. Prin urmare, în nucleele grele, precizia izoepinei ca număr cuantic scade. Cu toate acestea, urme de simetrie izospin apar în faptul că în decomp. reacții nucleare, se observă stări descoperite în 1961 care sunt instabile în ceea ce privește emisia de nucleoni, care sunt analogi ale stărilor de bază sau excitate stabile inferioare ale nucleului vecin cu un Z mai mic (rezonanța analogică). De exemplu, când protonii sunt împrăștiați de un nucleu stabil A cu numărul de neutroni și protoni NȘi Z(T 0 = T Z = (N-Z)/ 2 ) rezonanţe corespunzătoare formaţiei nucleul compus A+ 1 (Z+l, N) într-o stare excitată cu numere cuantice T=T 0 + 1 / 2 , T Z =T 0 - 1 / 2 incluse în același izotopic. multiplet, care este același cu osn. starea nucleului vecin A+ 1(N+ 1, Z), T=T Z=T 0 + 12 . Cu toate acestea, experimentele au arătat că rezonanțe analogice au o structură fină, ceea ce indică faptul că există o amestecare a stării analogice caracterizată de isospin. T 0 + 1 / 2 cu alte stări excitate ale nucleului compus corespunzătoare isospinului T=T 0 - 1 / 2 .

Momentele electrice și magnetice ale nucleelor. În fiecare dintre stările posibile I. a. are o definitie. valori magnetice. moment dipol și moment electric cvadrupol (vezi. Momentul cvadrupol al nucleului). Static magn. momentul poate fi diferit de 0 numai în cazul în care spin-ul stării nucleare eu 0 și static. momentul cvadrupolar poate avea o valoare diferită de zero numai când eu> 1 / 2 . Stare nucleară cu def. paritatea nu poate avea un electric diferit de zero. moment dipol ( E 1) , precum și alte electrice. momente E l multipol impar și static. magn. momente M l de l multipolar chiar. Existența unui electric non-zero moment dipol E 1 este, de asemenea, interzis de invarianța inversării timpului ( T-invarianta). Din moment ce efectele parităţii neconservare şi încălcare T-invarianta este foarte mica, dipolul electric. momentele nucleelor ​​sunt fie egale cu 0, fie foarte mici și până acum inaccesibile pentru măsurare.

Magn. momente ale nucleelor ​​( M 1) au un ordin de mărime nuclear magneton.Electr. momente patrupolare eQ schimbare din e 10 -27 cm 2 in unele nuclee usoare pana la e 10 -24 cm 2 în nuclee grele deformate. Informații sistematice despre magn. iar momentele cvadrupolare sunt disponibile numai pentru principal. state nucleare. Ele pot fi măsurate prin radiospectroscopie. metode (vezi Rezonanță magnetică nucleară).Specialist. metodele (metoda corelațiilor unghiulare perturbate) pot măsura și static. magn. și momentele cvadrupolare ale stărilor excitate ale nucleelor. Date magnetice. iar momentele patrupolare ale nucleelor ​​conțin informații importante despre structura și forma nucleelor ​​și sunt folosite pentru a construi și testa modele nucleare. Există câteva date despre momentele multipolare mai mari ale nucleelor ​​(de exemplu, momentele hexadecapol - E 4) .

Structura și modelele nucleelor

In absenta. este un sistem cuantic. corpuri care interacționează puternic între ele. Teoretic descrierea proprietăților unui astfel de sistem (spectre ale nivelurilor de energie, dezintegrare, reacții nucleare și tranziții cuantice) este o sarcină dificilă. Numărul de nucleoni Aîn nucleu nu este atât de mare încât să fie posibilă utilizarea metodelor statistice fără rezerve. mecanică (cf. distribuția Gibbs), utilizat cu succes în fizica condensatorului. medii (lichide, solide). În același timp, o soluție exactă în mecanica cuantică este posibilă doar pentru problema celor două corpuri ( deuteron).Succesele obţinute în rezolvarea problemei 3-4 corpuri Cap. arr. folosind ecuațiile lui Faddeev și Faddeev-Yakubovsky, vă permit să obțineți cantități stricte. rezultă numai pentru nucleele cele mai ușoare 3 H, 3 He, 4 He. Situația este complicată de lipsa de certitudine în cunoștințele noastre despre forțele nucleare. În cele din urmă, stabilirea naturii compozite a nucleonilor transformă sistemul A nucleoni în sistem, cel puțin 3 A quarci, ceea ce complică și mai mult sarcina de a descrie structura și proprietățile nucleelor. O soluție consecventă la această problemă poate fi obținută numai în cadrul (neperturbativ) cromodinamica cuantică, dar este încă departe de a fi rezolvat.

Înțelegerea structurii nucleului se bazează pe utilizarea decomp. modele nucleare, fiecare dintre ele își propune să descrie un anumit. seturi de proprietăți și caracteristici nucleare. Unele modele, la prima vedere, se exclud reciproc. Prin urmare, importante sunt microscopice. abordări în teoria nucleului, permițând stabilirea limitelor de aplicabilitate decomp. modele, gradul de compatibilitate a acestora între ele, precum și evaluarea sau calcularea, pe baza primelor principii, a valorilor parametrilor care sunt utilizați în modele ca fenomenologici și sunt extrași din datele experimentale.

Modelul Shell al nucleului presupune că, ca urmare a interacțiunii nucleonilor între ei, se formează un câmp mediu comun (auto-consistent) în nucleu, care este descris de potențialul de înveliș. V o6( r), în care nucleonii se mișcă ca particule independente (în prima aproximare). Fiecare dintre nucleoni umple una dintre orbite, caracterizată prin momentul orbital l(în cazul unui câmp simetric sferic cf.), unghi total. moment j=l+ 1 / 2 și paritatea p = (- 1) l. Energia nucleonilor pe orbită lj nu depinde de proiecție T impulsul total al nucleonilor j (-j<=m<=j) . Prin urmare, în conformitate cu principiul Pauli, la fiecare nivel cu energie ( nlj) poate fi 2 j+1 nucleoni de același fel formând un subînveliș de protoni (sau neutroni) ( nlj), Unde n= 1, 2,... - cap. număr cuantic (radial).

Mai multe subcochilii asemănătoare în energie sunt grupate în cochilii separate între ele prin mare energie-tich. intervale. moment plin eu Pentru k nucleonii din înveliș se obține prin adăugarea momentelor j otd. nucleonii. Într-o înveliș umplută, momentele tuturor nucleonilor se compensează reciproc și este permisă o singură valoare a momentului total eu= 0. Asemenea atomilor de gaz nobil, care au învelișuri de electroni umplute, nucleele formate din învelișuri de nucleoni umplute se caracterizează și prin stabilitate deosebită (energie specifică mare de legare). În stările excitate de sol și de jos ale nucleelor, orbitele inferioare cu o singură particule sunt umplute și formează un nucleu „inert” al nucleului, în plus față de care există un anumit număr de nucleoni în cel mai apropiat înveliș neumplut. La fel cum electronii de valență determină chimia. proprietățile atomilor, spectrele nivelurilor inferioare și proprietățile lor în majoritatea nucleelor ​​sunt determinate de nucleonii „de valență” din învelișurile neumplute.

Cea mai simplă versiune a modelului învelișului (modelul cu o singură particule) reprezintă un nucleu impar ca o combinație a unui nucleu par-par în starea 0 + și a unui nucleon impar pe orbită nlj. Apoi rotirea nucleului impar în principal. starea este egală j, iar paritatea p = (- 1) l. Sistematica spinurilor și parităților nucleelor ​​impare face posibilă determinarea secvenței orbitelor de umplere în nuclee, precum și a energiilor acestor orbite. Acest lucru a făcut posibilă stabilirea principalului caracteristicile și forma potențialului cochiliei V o6( r). În special, M. Goeppert-Mayer (M. Goeppert-Mayer, SUA) și J. X. Jensen (J. H. Jensen, Germania) în anii 1949-50 au stabilit necesitatea includerii interacțiunii spin-orbita în potențialul de înveliș. V co( r) (ls). Numai atunci când se ia în considerare diviziunea puternică de spin-orbită a stărilor unei singure particule, este posibil să se explice sistematica spinurilor nucleare și secvența de umplere a orbitei, precum și magia. numărul de protoni sau neutroni corespunzători cochiliilor umplute (vezi Miezuri magice) Magie. numerele (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) corespund consecutive. umplere cu nucleoni dintr-un fel de cochilii:

Parantezele indică setul de stări cu o singură particule cu energii similare care formează o singură înveliș. Scoicile sunt separate energetic una de alta. un decalaj care depășește semnificativ distanța dintre nivelurile din cadrul aceluiași înveliș (Fig. 1).

Centru. o parte a potențialului învelișului este un potențial. o groapă de adâncime finită, a cărei formă repetă distribuția densității nucleare. Cel mai adesea, așa-numitul. Potențialul Saxon-Woods:

Cu V 0 50 MeV. Când se descriu stările legate ale nucleonilor, acesta poate fi aproximativ înlocuit cu potențialul armonic. oscilator sau dreptunghi bine și folosiți funcțiile de undă ale nucleonilor pentru aceste potențiale simple de înveliș în descrierea proprietăților stărilor nucleare.

Orez. 1. Schema de umplere a carcaselor nucleare cu protoni (stânga) și neutroni (dreapta). În dreapta nivelurilor sunt momentele unghiulare totale ale nucleului; în stânga - simboluri spectroscopice: litera corespunde unei anumite valori l [l=0 (s), 1(p), 2(d), 3(f), 4(g), 5(h), 6(i)]; cifra este numărul cuantic principal. Linia punctată marchează numerele magice ale umplerii cojilor.

Modelul învelișului descrie în mod satisfăcător câmpul magnetic. momente de nuclee impare, care, conform datelor experimentale, se află între așa-numitele. liniile Schmidt. Liniile Schmidt numite. dependență magnetică. momentele dipolare ale nucleonilor M din ang. moment j dat l=jb 1 / 2 (Fig. 2). Ceva mai rău sunt descrise electrice. momentele patrupolare ale stărilor nucleare. Acesta din urmă se datorează faptului că potențialul V o6( r) sa presupus inițial a fi simetric sferic.

Orez. 2. Liniile Schmidt pentru nuclee cu un număr impar protoni Z.

Nesfericitatea nucleelor. Model rotativ. Momentele cvadrupolare sunt deosebit de mari Q miezuri cu eu> 1/2 în domeniul pământurilor rare (150<A<190) и актинидов (A> 200 ). Ele depășesc valorile prezise de modelul învelișului sferic. potenţial V de aproximativ 10-100 de ori. Energiile nivelurilor inferioare ale acestor nuclee satisfac „legea rotației”:

to-ry descrie spectrul de rotație. nivelurile unui vârf rigid simetric cu moment de inerție J(cm. Mișcarea de rotație a nucleului).Starea unui astfel de top cu ang. momente I=K, K+ 1, K+ 2, ... formează o rotație. bandă, caracterizată printr-un anumit. valoarea unghiului de proiecție. moment pe axa de simetrie a vârfului eu 3 = LA. Excepție fac benzile cu K= 0, pentru care sunt permise numai valorile pare sau impare ale unghiului. moment eu. În special, pe stările nucleelor ​​pare-pare se bazează pe rotație. dungi cu K= 0 și valori eu p = 0 + , 2 + , 4 + , ... benzile sunt puternice electrice. patrupol ( E 2 )g-tranziţii.

Aceste fapte au servit drept bază pentru construirea unui model colectiv al nucleului propus în anii 1950. J. Rainwater, A. Bohr, B. R. Mottelson. Conform acestui model, nucleele din regiunile de mai sus au forma unui elipsoid de revoluție cu semiaxele

unde parametrul de deformare P caracterizează gradul de nonsfericitate al nucleului. Determină valorile momentelor cvadrupolare statice ale nucleelor, probabilitatea e-magn. E 2-tranziții între rotație nivelurile și valorile momentului de inerție al nucleului (vezi nuclee deformate). Conform datelor experimentale, valoarea lui b pentru majoritatea nucleelor ​​deformate este în intervalul 0,1-0,3 (deformare normală). Cu ajutorul reacțiilor nucleare cu ioni grei s-au descoperit rotații excitate. stare în unele nuclee (152 Dy) cu unghi mare. momente eu~40-60 (stări de spin înalt ale nucleelor), care se caracterizează printr-o deformare extrem de mare, când raportul semiaxelor nucleului A 1 : A 2 = 2:1 sau 3:2 (dungi super defor-peace). Unele se deformează. nucleii (izotopi Os, Pt) nu au simetrie axială. Nivelurile lor inferioare reprezintă rotația. stări ale unui vârf asimetric (modelul unui rotator non-axial Davydov-Filippov). Rotiți scala. energii (2 / 2J~= 100 keV) în deformare grea. nuclee este de așa natură încât momentul de inerție al nucleului în stări cu deformare normală J~10 -27 g. cm2. Este de 2-3 ori mai mic decât momentul de inerție al unui elipsoid solid de forma corespunzătoare. Aceasta înseamnă că nu toată masa nucleului este implicată în rotație. circulaţie. În superdeformator. benzi, momentul de inerție este apropiat de starea solidă.

Int. deforma structura. nucleele este descrisă de modelul de scoici cu deformator. potenţial V despre ( r) (modelul Nielsson). Un studiu al dependenței energiei orbitelor cu o singură particule ale nucleonilor de deformare în acest model arată că în unele regiuni sisteme de elemente, este avantajos energetic ca nucleele să nu fie sferice, ci deformate. Valoarea deformării prezisă de teorie este în general de acord cu experimentul. Pe baza excitațiilor vibraționale deformator. sâmburi (vezi Excitații vibraționale ale nucleelor) apar noi rotații. dungi (bandă B cu K= 0 și banda G cu K= 2) . Rearanjarea umplerii orbitelor cu o singură particule într-un deformator. potențialul generează rotație excitată. dungi. Ca rezultat, în spectrele unui număr de nuclee, este posibil să se distingă mijloace. numărul de rotații benzi (până la 9 în miezul de 235 U). Dep. benzile sunt trasate la unghiuri foarte înalte. moment eu ~ 25-30. Mijloace. deformare, precum și rotație. spectrele au niște nuclee relativ ușoare (de exemplu, 20 Ne, 4 Mg). Când parametrul de deformare a miezului b se modifică, structura cochiliilor se modifică. Pentru b mare ( A 1 :A 2 = 2:1 ) orbitele cu o singură particule sunt grupate în cochilii diferit decât în ​​cazul deformărilor normale, apar noi magie. numere. Nucleele apropiate de magie (de exemplu, 152 Dy) cu o astfel de deformare sunt relativ stabile și pot genera rotație. dungi. Au fost descoperite experimental sub formă de superdeformatoare. dungi.

Structura rotativă. spectrele nucleelor ​​reale se abate de la rotația ideală. lege ( 5 ) datorită efectelor centrifuge (o creștere a momentului de inerție al nucleului cu o creștere a cuplului), precum și datorită Forțele Coriolis si altele.non-adiabatic. amendamente. Comunicarea mișcării otd. nucleonii cu rotația nucleului în ansamblu afectează structura de rotație. stări de nuclee impare deja la valori mici ale lui b și LA, ceea ce duce la faptul că în loc de (5) energiile lor sunt descrise de f-loi

Aici d K,1/2 =0 la LA 1/2 și d LA, 1/2 =1 la K= 1/2, constantă A-selectat empiric „parametrul de decuplare” care caracterizează legătura ang. impulsul și rotația nucleonilor. momentul nucleului.

Model de bază superfluid. Corelațiile de perechi de tip supraconductor apar în nucleu datorită așa-numitului. interacțiunea reziduală între nucleoni, acea parte a interacțiunii reale nucleon-nucleon, care nu este inclusă în potențialul auto-consistent, cf. câmpuri V despre ( r). Observat empiric energetic. beneficiază doi nucleoni de pe orbită nlj formeaza o pereche cu compen-sir. spatele, adică cu moment plin I= 0. O astfel de pereche este similară cu o pereche Cooper de electroni cu momente opuse în supraconductor. Atracția dintre nucleoni în aceste stări de lângă suprafața Fermi provoacă superfluiditatea nucleelor ​​atomice.

Un model detaliat de superfluid al nucleului a fost dezvoltat independent de S. T. Belyaev și V. G. Solovyov folosind metode similare cu cele ale teoriei supraconductivității. Una dintre manifestările superfluidității materiei nucleare poate fi prezența energiei. golurile D dintre starea superfluid și normală a materiei nucleare. Este determinată de energia de distrugere a perechii Cooper și se ridică la ~ 1 MeV în nucleele grele. Diferența dintre momentele de inerție ale nucleelor ​​și valorile de stare solidă este, de asemenea, asociată cu superfluiditatea materiei nucleare. Modelul superfluid al nucleului descrie în mod satisfăcător momentele de inerție ale nucleelor, modificarea parametrului de deformare nucleară b pe măsură ce învelișul de valență este umplut cu nucleoni. Superfluiditatea materiei nucleare, care duce la murdarea suprafeței Fermi, are un efect semnificativ asupra e-mag. tranziții, probabilitățile de reacții ale unui singur nucleon (defalcare, preluare) și transfer de doi nucleoni (vezi. Reacții nucleare directe).

Modelul superfluid prezice distrugerea corelațiilor de perechi din nucleu la spinuri suficient de mari ( eu>>1). Acest fenomen este analog cu distrugerea supraconductivității de către magneți puternici. câmp, se manifestă printr-o creștere bruscă a momentului de inerție Jîn această rotaţie. trupa la un anumit rom critic. valoarea de spin eu cr ~60. Acest lucru nu a fost încă observat clar, totuși, atunci când se studiază stările de spin înalt ale nucleelor ​​( eu<=20-30), возбуждаемых в реакциях с тяжёлыми ионами, наблюдалось немонотонное изменение J cu creşterea eu(b și t n y zag și b). În intervalul de rotație eu B (~12-16) creșterea ang. moment eu nu duce la o creștere a viteza de rotație w, dar la scăderea acesteia datorită faptului că momentul de inerție al nucleului crește brusc J. Această schimbare se datorează faptului că aproape de punct eu B există o intersecție a rotației principale. benzi de bază ( K= 0 + ) cu o bandă excitată construită în interior. starea nucleului, în care una dintre perechile Cooper pe orbita neutronilor h 11/2 este distrus și spinurile acestor doi nucleoni nu se mai compensează reciproc, ci ambii se aliniază paralel cu rotația. moment. În acest caz, deformarea miezului se modifică, momentul de inerție crește, iar câmpul magnetic se modifică. caracteristici de bază.

Distrugerea unei perechi se datorează forțelor Coriolis, al căror efect este maxim pentru nucleonii din cochilii cu momente mari de nucleoni. j. S-a descoperit alinierea orbitală a protonilor h 11/2 și neutroni pe orbită i 13/2. Alinierea a două perechi de nucleoni duce la o a doua îndoire inversă etc. Problema naturii superfluidității materiei nucleare într-un superdeformator. state este în curs de anchetă.

Alte modele de nucleu. Împreună cu principalul modelele de nucleu sunt folosite mai specializate. modele. Modelul cluster interpretează structura unor nuclee ca un fel de moleculă constând din particule a, deuteroni (d), tritoni(t) etc. De exemplu, l2 C = 3a, 16 O = 4a, 6 Li = a+d, 7 Li = a + t etc. (cm. modelul de asociere a nucleonilor). Modelul statistic al nucleului descrie proprietățile și caracteristicile stărilor extrem de excitate ale nucleelor, cum ar fi densitatea nivelului, temperatura etc.

În modelul pentru interacțiunea bosonilor care interacționează, se presupune că în cele mai joase stări ale unui nucleu par, nucleonii sunt combinați în S- Și D-perechi (cu momentele 0 si 2), care pot fi tratate aproximativ ca fiind ideale s- Și d-bosonii. Numărul acestor bozoni este egal cu jumătate din numărul de nucleoni de valență. În acest model, spectrul celor mai joase stări colective ale nucleului se formează ca urmare a interacțiunii dintre bosoni. Versiunile mai rafinate ale acestui model includ s-, d-, g-,... bosoni și, de asemenea, compara diferiți bozoni cu perechile de protoni și neutroni. Modelul bosonilor care interacționează permite descrierii, împreună cu rotația. și fluctuează. spectrele sunt, de asemenea, spectre cu o structură mai complexă, caracteristice nucleelor ​​de tranziție de la nucleele sferice la cele deformate. Justificarea modelelor nucleare și calculele mai detaliate ale proprietăților nucleelor ​​sunt efectuate folosind așa-numitele. microscopic metode (metoda Hartrey-Foka, metoda fază aleatorie, teoria sistemelor Fermi finite etc.).

Lit.: Davydov A. S., Teoria nucleului atomic, M., 1958; Mukhin K. N., Fizica nucleară experimentală, ed. a 5-a, carte. 1-2, M., 1993; Migdal A. B., Teoria sistemelor Fermi finite și proprietățile nucleelor ​​atomice, ed. a II-a, M., 1983; Bohr O., Mottelson B., Structura nucleului atomic, trad. din engleză, vol. 1-2, M., 1971-77; Sitenko A. G., Tartakovsky V. K., Prelegeri despre teoria nucleului, Moscova, 1972; Shirokov Yu. M., Yudin N. P., Fizica nucleară, ed. a 2-a, M., 1980; Aizenberg I., Greiner V., Modele de nuclee, fenomene colective și monoparticule, trad. din engleză, M., 1975; ei, Teoria microscopică a nucleului, trad. din engleză, M., 1976; Rhine-water, J., How the Spherodal Nuclei Model Came to Be, trad. din engleză, UFN, 1976, v. 120, c. 4, p. 529; Bor O., Mișcarea de rotație în nuclee, trad. din engleză, ibid., p. 543; Mottelson B., Tipuri elementare de excitație în nuclee, trad. din engleză, ibid., p. 563; Solovyov VG, Teoria nucleului atomic. Modele nucleare, Moscova, 1981; Mihailov V. M., Kraft O. E., Fizica nucleară, L., 1988; Nemets O. F. și colab., Asociații de nucleon în nucleele atomice și reacții nucleare ale transferurilor multinucleon, K., 1988.

Iu. F. Smirnov.

Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni din jur. Nucleele atomice au dimensiuni de aproximativ 10 -14 ... 10 -15 m (dimensiunile liniare ale unui atom sunt de 10 -10 m).

Nucleul atomic este format din particule elementare protoni si neutroni. Modelul proton-neutron al nucleului a fost propus de fizicianul rus D. D. Ivanenko, iar ulterior dezvoltat de V. Heisenberg.

proton ( R) are o sarcină pozitivă egală cu cea a unui electron și o masă în repaus T p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, Unde m e este masa electronului. neutroni ( n)-particulă neutră cu masă în repaus m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Masa protonilor și neutronilor este adesea exprimată în alte unități - în unități de masă atomică (a.m.u., o unitate de masă egală cu 1/12 din masa unui atom de carbon
). Masele protonului și neutronului sunt aproximativ egale cu o unitate de masă atomică. Se numesc protoni și neutroni nucleonii(din lat. nucleu-nucleu). Numărul total de nucleoni dintr-un nucleu atomic se numește număr de masă A).

Razele nucleelor ​​cresc cu creșterea numărului de masă conform relației R= 1,4A 1/3 10 -13 cm.

Experimentele arată că nucleele nu au granițe ascuțite. Există o anumită densitate a materiei nucleare în centrul nucleului și scade treptat la zero odată cu creșterea distanței față de centru. Din cauza lipsei unei limite bine definite a nucleului, „raza” acestuia este definită ca distanța de la centrul la care densitatea materiei nucleare este înjumătățită. Distribuția medie a densității materiei pentru majoritatea nucleelor ​​se dovedește a fi nu doar sferică. Majoritatea nucleelor ​​sunt deformate. Adesea nucleii sunt sub formă de elipsoide alungite sau turtite.

Nucleul atomic este caracterizat încărcaZe, Unde Znumărul de taxare nucleu, egal cu numărul de protoni din nucleu și care coincide cu numărul de serie al elementului chimic din Sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev.

Nucleul este notat cu același simbol ca atomul neutru:
, Unde X- simbolul unui element chimic, Z numărul atomic (numărul de protoni din nucleu), A- numărul de masă (numărul de nucleoni din nucleu). Numar de masa A aproximativ egală cu masa nucleului în unități de masă atomică.

Deoarece atomul este neutru, sarcina nucleului Z determină numărul de electroni dintr-un atom. Numărul de electroni depinde de distribuția între stările atomului. Sarcina nucleară determină specificul unui element chimic dat, adică determină numărul de electroni dintr-un atom, configurația învelișurilor lor de electroni, mărimea și natura câmpului electric intraatomic.

Nuclee cu aceleași numere de încărcare Z, dar cu numere de masă diferite A(adică cu un număr diferit de neutroni N=A-Z) se numesc izotopi, iar nucleele cu aceiași A, dar diferit Z- izobare. De exemplu, hidrogenul ( Z= l) are trei izotopi: H - protium ( Z=l, N= 0), H - deuteriu ( Z=l, N= 1), H - tritiu ( Z=l, N\u003d 2), staniu - zece izotopi etc. În marea majoritate a cazurilor, izotopii aceluiași element chimic au aceleași proprietăți chimice și aproape aceleași fizice.

E, MeV

Atunci când un electron trece de la o stare de energie superioară la una mai scăzută, diferența de energie este emisă sub forma unui foton. Energia acestor fotoni este de ordinul mai multor electroni volți. Pentru nuclee, energiile de nivel se află în intervalul de la aproximativ 1 la 10 MeV. În timpul tranzițiilor între aceste niveluri, sunt emiși fotoni de energii foarte mari (γ-quanta). Pentru a ilustra astfel de tranziții în Fig. 6.1 prezintă primele cinci niveluri de energie ale nucleului
.Liniile verticale indică tranzițiile observate. De exemplu, un γ-cuantic cu o energie de 1,43 MeV este emis în timpul tranziției nucleului de la o stare cu o energie de 3,58 MeV la o stare cu o energie de 2,15 MeV.

nucleul atomic
Nucleul atomic

nucleul atomic - partea centrală și foarte compactă a atomului, în care se concentrează aproape toată masa lui și toată sarcina electrică pozitivă. Nucleul, ținut aproape de sine de Coulomb forțează electronii într-o cantitate care compensează sarcina sa pozitivă, formează un atom neutru. Majoritatea nucleelor ​​au o formă apropiată de sferică și un diametru de ≈ 10 -12 cm, care este cu patru ordine de mărime mai mic decât diametrul unui atom (10 -8 cm). Densitatea materiei din miez este de aproximativ 230 milioane tone/cm 3 .
Nucleul atomic a fost descoperit în 1911 ca urmare a unei serii de experimente privind împrăștierea particulelor alfa prin folii subțiri de aur și platină, efectuate la Cambridge (Anglia) sub conducerea lui E. Rutherford. În 1932, după descoperirea neutronului de către J. Chadwick, a devenit clar că nucleul este format din protoni și neutroni.
(V. Heisenberg, D.D. Ivanenko, E. Majorana).
Pentru a desemna nucleul atomic, se folosește simbolul elementului chimic al atomului, care include nucleul, iar indexul din stânga sus al acestui simbol arată numărul de nucleoni (numărul de masă) din acest nucleu, iar indicele din stânga jos arată numărul de protoni din el. De exemplu, este notat un nucleu de nichel care conține 58 de nucleoni, dintre care 28 sunt protoni. Același nucleu poate fi, de asemenea, desemnat 58 Ni sau nichel-58.

Nucleul este un sistem de protoni și neutroni dens împachetati care se mișcă cu o viteză de 10 9 -10 10 cm/sec și sunt ținute de forțe nucleare puternice și cu rază scurtă de atractie reciprocă (aria lor de acțiune este limitată de distanțe de ≈ 10 -13 cm). Protonii și neutronii au o dimensiune de aproximativ 10 -13 cm și sunt considerați ca două stări diferite ale unei singure particule numite nucleon. Raza nucleului poate fi estimată aproximativ prin formula R ≈ (1,0-1,1)·10 -13 A 1/3 cm, unde A este numărul de nucleoni (numărul total de protoni și neutroni) din nucleu. Pe fig. 1 arată cum se modifică densitatea materiei (în unități de 10 14 g/cm3) în interiorul nucleului de nichel, format din 28 de protoni și 30 de neutroni, în funcție de distanța r (în unități de 10 -13 cm) până la centrul nucleu.
Interacțiunea nucleară (interacțiunea dintre nucleonii din nucleu) are loc datorită faptului că nucleonii fac schimb de mezoni. Această interacțiune este o manifestare a interacțiunii puternice mai fundamentale dintre quarci care alcătuiesc nucleonii și mezonii (în mod similar, forțele de legătură chimică în molecule sunt o manifestare a forțelor electromagnetice mai fundamentale).
Lumea nucleelor ​​este foarte diversă. Sunt cunoscute aproximativ 3000 de nuclee, care diferă între ele fie prin numărul de protoni, fie prin numărul de neutroni, fie prin ambele. Cele mai multe dintre ele sunt obținute artificial.
Doar 264 de nuclee sunt stabile, adică. nu experimentați transformări spontane, numite dezintegrari, în timp. Restul experimentează diferite forme de dezintegrare - dezintegrare alfa (emisia unei particule alfa, adică nucleul unui atom de heliu); dezintegrarea beta (emisia simultană a unui electron și a unui antineutrin sau a unui pozitron și a unui neutrin, precum și absorbția unui electron atomic cu emisia unui neutrin); dezintegrarea gamma (emisia de fotoni) și altele.
Diferite tipuri de nuclee sunt adesea denumite nuclizi. Nuclizii cu același număr de protoni și numere diferite de neutroni se numesc izotopi. Nuclizii cu același număr de nucleoni dar cu rapoarte diferite de protoni și neutroni se numesc izobare. Nucleele ușoare conțin un număr aproximativ egal de protoni și neutroni. În nucleele grele, numărul de neutroni este de aproximativ 1,5 ori numărul de protoni. Cel mai ușor nucleu este nucleul atomului de hidrogen, care constă dintr-un proton. Cele mai grele nuclee cunoscute (sunt obținute artificial) au un număr de nucleoni de ≈290. Dintre aceștia, 116-118 sunt protoni.
Diferite combinații ale numărului de protoni Z și neutroni corespund diferitelor nuclee atomice. Nucleele atomice există (adică durata lor de viață t > 10 -23 s) într-un interval destul de restrâns de modificări ale numerelor Z și N. În acest caz, toate nucleele atomice sunt împărțite în două grupuri mari- stabil și radioactiv (instabil). Nuclei stabili se grupează în apropierea liniei de stabilitate, care este dată de ecuație

Pe fig. 2 prezintă o diagramă NZ a nucleelor ​​atomice. Punctele negre arată nuclee stabile. Zona în care se află nucleele stabile se numește de obicei valea stabilității. În partea stângă a nucleelor ​​stabile sunt nuclee supraîncărcate cu protoni (nuclee bogate în protoni), în dreapta - nuclee supraîncărcate cu neutroni (nuclee bogate în neutroni). Nucleele atomice descoperite în prezent sunt evidențiate în culoare. Sunt aproximativ 3,5 mii dintre ele. Se crede că ar trebui să fie 7 - 7,5 mii dintre ele în total. Nucleele bogate în protoni (culoarea purpurie) sunt radioactive și se transformă în altele stabile în principal ca urmare a descompunerilor β +, protonul care face parte din nucleu se transformă într-un neutron. Nucleele bogate în neutroni (culoare albastră) sunt, de asemenea, radioactive și devin stabile ca urmare a descompunerilor - -, odată cu transformarea unui nucleu neutron într-un proton.
Cei mai grei izotopi stabili sunt cei de plumb (Z = 82) și bismut (Z = 83). Nucleele grele, împreună cu procesele de dezintegrare β + și β -, sunt, de asemenea, supuse dezintegrarii α ( galben) și fisiunea spontană, care devin principalele lor canale de descompunere. Linie punctataîn fig. 2 conturează regiunea de posibilă existență a nucleelor ​​atomice. Linia B p = 0 (B p este energia de separare a protonilor) limitează regiunea de existență a nucleelor ​​atomice din stânga (linia de picurare a protonilor). Linia B n = 0 (B n este energia de separare a neutronilor) este în dreapta (linia de picurare a neutronilor). În afara acestor limite, nucleele atomice nu pot exista, deoarece se descompun într-un timp nuclear caracteristic (~10 -23 – 10 -22 s) odată cu emisia de nucleoni.
La conectarea (sinteza) a două nuclee ușoare și fisiunea unui nucleu greu în două fragmente mai ușoare, se eliberează multă energie. Aceste două metode de obținere a energiei sunt cele mai eficiente dintre toate cele cunoscute. Deci 1 gram de combustibil nuclear este echivalent cu 10 tone de combustibil chimic. Fuziunea nucleelor ​​(reacții termonucleare) este sursa de energie pentru stele. Fuziunea necontrolată (explozivă) are loc atunci când o bombă termonucleară (sau așa-numita „hidrogen”) este detonată. Sinteza controlată (lentă) stă la baza unei surse de energie promițătoare în curs de dezvoltare - un reactor termonuclear.
Fisiunea necontrolată (explozivă) are loc în timpul exploziei unei bombe atomice. Diviziunea controlată se efectuează în reactoare nucleare, care sunt surse de energie în centralele nucleare.
Pentru descrierea teoretică a nucleelor ​​atomice se utilizează mecanica cuantică și diverse modele.
Nucleul se poate comporta atât ca gaz (gaz cuantic), cât și ca lichid (lichid cuantic). Lichidul nuclear rece are proprietățile superfluidității. Într-un nucleu puternic încălzit, nucleonii se descompun în quarcii lor constitutivi. Acești quarci interacționează prin schimbul de gluoni. Ca urmare a unei astfel de dezintegrare, setul de nucleoni din interiorul nucleului se transformă într-o nouă stare a materiei - plasmă cuarc-gluon