Нуклон

Открытие атомного ядра
1887 г., Д. Томсон, изучая характеристики газового разряда, открыл электрон.
1904 г., Д. Томсон, атом - нейтральная система - из заряженного шара с зарядом +Ze, внутри Z отрицательно заряженных электронов. Размер атома ~10-8 см.
1911 г., Э. Резерфорд: положительно заряженное атомное ядро с радиусом < 10-12 см и электронная оболочка с радиусом ~10-8 см. 99.98% массы в ядре.
1919 г., Э. Резерфорд, первая ядерная реакция, открытие протона.
1932 г., Д. Чедвик, открытие нейтрона.
1932 г., Д. Иваненко и В. Гейзенберг: протон-нейтронная модель ядра.

Что уже понятно?
Атомы состоят из ядер и электронных оболочек.
Атомное ядро – связанная система протонов и нейтронов.
А – массовое число – суммарное число протонов и нейтронов в ядре,
Z – заряд ядра – число протонов в ядре,
число электронов = Z (положение в таблице Д.И. Менделеева),
обозначения: 48Ca, 257Fm, 272Rg, 277Cn; 294118.

Характеристики протона, нейтрона и электрона

Нейтрон нестабилен!
Атомные ядра существуют!

Периодическая таблица элементов
Д.И. Меделеева (2012)

Распространенность нуклидов во Вселенной
Распространенность Si принята равной 106.

Распространенность элементов
Элементное вещество Вселенной в основном состоит из водорода – 91% всех атомов.
Гелий составляет ≈ 9 % всех атомов.
Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору.
Сразу за этим минимумом следует резкий подъём повышенной распространённости углерода и кислорода.
За кислородным максимумом идёт скачкообразное падение вплоть до скандия (Z= 21, А= 40).
Наблюдается повышенная распространённость элементов в районе железа («железный пик»).
После А ≈ 60 уменьшение распространённости происходит более плавно, причём наблюдаются локальные максимумы в районе чисел протонов или нейтронов 50, 82, 126 (магическиe числа).
Как правило, распространённость чётно-чётных нуклидов (чётные Z и N) выше, чем соседних нуклидов с нечётным числом нуклонов.

Атомные ядра
Существуют ли ограничения на массу атомов (А) ?
Стабильные ядра - известно около 300;
Что такое стабильные ядра?
Радиоактивные ядра - известно около 3500;
Изотопы – ядра с одинаковым Z;
Изотоны – ядра с одинаковым N;
Изобары – ядра с одинаковым A;
Стабильные и долгоживущие ядра образуют узкую полосу, называемую линией или долиной стабильности;
Где границы Bn=0, Bp=0 ?

N-Z диаграмма атомных ядер
Каждое атомное ядро, имеющее Z протонов и N нейтронов, занимает определенное положение на N-Z диаграмме атомных ядер. Стабильные ядра, образующие узкую полосу, показаны тёмным цветом. Известно порядка 300 стабильных ядер. Красным цветом показаны β+ -радиоактивные ядра, синим — β− -радиоактивные ядра, желтым — α -радиоактивные ядра. Известно около 3500 радиоактивных ядер. Это только часть радиоактивных ядер. Всего их может быть порядка 7000.

Что уже понятно?
Ядра существуют → существуют ядерные силы;
Ядерные силы – силы притяжения и отталкивания.
Ядра очень маленькие → ядерные силы имеют маленький радиус действия <10-12см.
Электроны не падают в ядро → ядерные силы не действуют на электроны.

Удельная энергия связи ядра ε(A,Z)
ε = ΔW/A ≈ 8 МэВ → большая интенсивность в > 102 больше, чем кулоновское взаимодействие.
ΔW ~ A → насыщение ядерных сил.

Атомная единица массы
Атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома углерода 12С.
1 а.е.м. = 1,658210 г = 931,44 МэВ.

Дефект массы
Разность Δ между массой ядра в атомных единицах массы и его массовым числом называется дефектом массы:

Простейшее ядро - дейтрон
Дейтрон — связанная система, состоящая из одного протона и одного нейтрона.
Энергия связи дейтрона
Спин J, чётность P дейтрона
Магнитный момент дейтрона
Квадрупольный момент дейтрона

Спиновая зависимость
У дейтрона:

Магнитный момент дейтрона
μтеор= 0.88μ0 ≠ μэксп = 0.86μ0
Есть примесь L=1

Нецентральность (тензорный) характер ядерных сил
Квадрупольный момент дейтрона:
Примесь компоненты L=1 в основное состояние дейтрона и положительная величина квадрупольного момента означает, что дейтрон имеет форму отличную от сферически симметричной, и что ядерные силы между нуклонами зависят от того, как направлены спины нуклонов относительно вектора , направленного от одного нуклона к другому, т.е. ядерные силы – нецентральные (тензорные).
Спин-орбитальное взаимодействие проявляется в особенностях рассеяния частиц с ненулевым спином на неполяризованных и поляризованных мишенях и в рассеянии поляризованных частиц.

L = r × p

Эффект симметрии
Для лёгких ядер Z ≈ N ≈ A/2.
Для тяжёлых ядер N ≈ 1.5·Z.

Парные взаимодействия
Удельная энергия связи ε особенно велика у чётно – чётных ядер (Z – чётное, N – чётное). У ч-ч ядер больше всего изотопов, они более распространены во Вселенной.
«Магические» ядра.
Известно только 4 нечётно-нечетных β-стабильных изотопа: 2H, 6Li, 10B, 14N.

Зарядовая симметрия
Энергии связи зеркальных ядер
ΔW(3H(1p2n)) – ΔW(3He(2p1n))=e2/δ=0.75 МэВ.
Так же для
7Li(3p4n) – 7Be(4p3n);
13C(6p7n) – 13N(7p6n);
(p – p)яд = (n – n)

Изоспиновая инвариантность
10Be(4p+4n)+(n-n);
10B(4p+4n)+(n-p);
10C(4p+4n)+(p-p);
(p – p)яд = (n – n) = (n – p)

Обменный характер нуклон-нуклонного взаимодействия
проявляется при рассеянии нейтронов высоких энергий (несколько сот МэВ) на протонах.
Дифференциальное сечение рассеяния нейтронов имеет максимум при рассеянии назад в с.ц.м., что объясняется обменом заряда между протоном и нейтроном.

Свойства ядерных сил
Атомное ядро – связанная система протонов и нейтронов.
Ядерные силы - силы притяжения и отталкивания. Притяжение между нуклонами на больших расстояниях (r > 1 Фм) сменяется отталкиванием на малых (r < 0.5 Фм);
имеют малый радиус действия 10-12см;
большая интенсивность в > 102 больше, чем кулоновское взаимодействие;
ядерные силы не действуют на электроны;
ядерные силы насыщаются;
отношение протонов и нейтронов в ядре не может быть произвольным;
проявляются чётно – нечётные эффекты;
проявляются магические числа;
зависят от спина нуклонов;
зависят от спин – орбитального взаимодействия;
зарядовая независимость;
изоспиновая независимость;
имеют нецентральный (тензорный) характер;
…

Потенциал нуклон-нуклонного взаиммодействия
N – N потенциал зависит от:
расстояния между нуклонами,
взаимной ориентации спинов нуклонов,
нецентрального характера ядерных сил,
величины спин-орбитального взаимодействия.

Мезонная теория ядерных сил
(модель Юкавы)
За время ядерного взаимодействия Δt вблизи нуклона образуется виртуальный мезон с массой m.
Δt · ΔE ≥ ћ;
Масса виртуального мезона: m = ΔE / c2 = ћ / (Δt c2);
Время ядерного взаимодействия Δt = a/c=1.5·10-13/3·1010 = 0.5·10-23 c,
mc2 = ћ / Δt = 6.6·10-22/0.5·10-23 ~ 130 МэВ

Потенциал Юкавы:
где а = ћ/тс, а gN − ядерный заряд нуклона (аналог элементарного заряда e в электромагнитном взаимодействии).

Нуклон-нуклонные взаимодействия можно описать как обмен виртуальными мезонами.
Положительные, отрицательные и нейтральные пионы (π-, π+, π0) описывают взаимодействие между nn-, np-, pp-парами на характерных внутриядерных расстояниях 1.5-2.0 Фм.
Однопионное np-взаимодействие