Interacțiunea nucleară indică faptul că sunt speciale forțele nucleare nu se reduce la niciunul dintre tipurile de forțe cunoscute în fizica clasică (gravitațional și electromagnetic).

Forțele nucleare   sunt cu rază scurtă de acțiune  forțe. Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleonii din nucleul de ordinul 10-15 m. Lungimea (1,5-2,2) · 10-15 m se numește raza de acțiune a forțelor nucleare.

Forțele nucleare detectează încărcați independența : Atracția dintre doi nucleoni este aceeași indiferent de starea de încărcare a nucleonilor - proton sau neutron. Independența de încărcare a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor obligatorii nuclee de oglindă . Așa se numesc sâmburi,  în care numărul total de nucleoni este același,  dar numărul protonilor dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din cealaltă. De exemplu, nucleii de heliu și hidrogenul greu sunt tritiul. Energiile de legare ale acestor nuclei sunt 7,72 MeV și 8,49 MeV.

Diferența de energie de legare nucleară de 0,77 MeV corespunde energiei de repulsie Coulomb a doi protoni din nucleu. Presupunând că această valoare este egală, putem constata că distanța medie r  între protonii din nucleu este 1,9 · 10-15 m, ceea ce este în concordanță cu raza forțelor nucleare.

Forțele nucleare posedă proprietatea de saturație , care se manifestă în, că un nucleon din nucleu interacționează numai cu un număr limitat de nucleoni vecini mai aproape de acesta. De aceea se observă o dependență liniară a energiilor de legare ale nucleelor \u200b\u200bde numărul lor de masă. A. Saturația aproape completă a forțelor nucleare este obținută în particula α, care este o formațiune foarte stabilă.

Forțele nucleare depind orientare rotativă  interacționând nucleonii. Acest lucru este confirmat de natura diferită de împrăștiere de neutroni de către molecule orto- și parahidrogen. În molecula de ortohidrogen, rotirile ambilor protoni sunt paralele între ele, iar în molecula parahidrogenă sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor cu parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea prin ortohidrogen. Forțele nucleare nu sunt centrale.

Deci, enumerăm proprietățile generale ale forțelor nucleare :

· O rază mică de acțiune a forțelor nucleare ( R  ~ 1 fm);

· Potențial nuclear mare U  ~ 50 MeV;

· Dependența forțelor nucleare de rotațiile particulelor care interacționează;

· Caracterul tensor al interacțiunii cu nucleonii;

· Forțele nucleare depind de orientarea reciprocă a momentului spin și orbital al nucleonului (forțele spin-orbital);

· Interacțiunea nucleară are proprietatea de saturație;

· Independența forțelor nucleare;

· Schimbarea naturii interacțiunii nucleare;

Atracție între nucleoni la distanțe mari ( r  \u003e 1 fm), se înlocuiește cu repulsie la mic ( r < 0,5 Фм).

în interacțiunea dintre nucleoni apare din emisia și absorbția quanta unui câmp nuclear – π- mezoni . Acestea determină câmpul nuclear prin analogie cu câmpul electromagnetic, care apare ca urmare a schimbului de fotoni. Interacțiunea dintre nucleoni rezultată din schimbul de quanta de masă mduce la potențial U  eu ( r):

.

Pentru a vizualiza demonstrații, faceți clic pe hyperlinkul corespunzător:

Din faptul existenței nucleelor \u200b\u200brezultă că între nucleonii nucleului forțele nucleare specifice acționează ireductibil la forțele electromagnetice. Forțele nucleare au următoarele proprietăți.

1. Forțele nucleare pe distanțe scurte. Acestea scad exponențial odată cu distanța, raza de interacțiune nucleon este mai mică de vedea  și este asociat cu masa interacțiunii purtătorului de particule (pi-meson).

2. Forțele nucleare sunt forțe gravitaționale și la distanțe de 1 fermi  de ori forțele Coulomb de repulsie a protonilor din nucleu. Aceasta rezultă din valoarea pozitivă a energiei de legare a nucleului și a existenței deuteronului. Energia repulsiei Coulomb a doi protoni

Energia specifică de legare a nucleonului în miezul de heliu este de aproximativ 7 MeV.

3. Forțele nucleare sunt în afara centrului (tensor) în natură, adică. depind de poziția relativă a nucleonilor. Acest lucru rezultă din prezența unui moment quadrupol electric în deuteron.

4. Potențialul forțelor nucleare depinde de orientarea reciprocă a rotirilor particulelor care interacționează și a rotirilor acestora. Acest lucru este indicat prin experimente de împrăștiere a neutronilor lenti de hidrogen molecular.

5. Forțele nucleare au proprietatea de saturație. Fiecare nucleon interacționează numai cu un număr limitat de nucleoni mai apropiați de acesta. Acest lucru rezultă din faptul că energia de legare este proporțională cu numărul de nucleoni A. Dacă fiecare nucleon ar interacționa cu toți ceilalți, atunci ar fi E sv ~ A 2 .

6. Forțele nucleare au proprietatea încărcați independența  (invarianță izotopică). Interacțiunea a doi protoni, doi neutroni, un neutron cu un proton în aceeași stare spațială cuantică și spin este aceeași, dacă excludem interacțiunea Coulomb. Acest lucru este demonstrat prin experimente de împrăștiere ( n,p) și ( p, p), precum și reacții cu formarea a doi neutroni în stări finale. în nucleele oglinzii (la înlocuirea tuturor protonilor cu neutroni), toate proprietățile sunt aproape identice.

7. Forțele nucleare sunt schimbabile. Nucleonii care interacționează schimbă coordonatele, se rotesc. și taxe. Mesonul π este o cantitate de interacțiune nucleară la energii reduse.

8. Natura intensă și repulsivă a forțelor nucleare la distanțe foarte mici () rezultă din prezența particulelor masive (quark) în interiorul nucleonilor.

9. Dependența de spin-orbita a forțelor nucleare este observată experimental.

10. Se observă o dependență semnificativă a forțelor nucleare de amploarea spinului izotopic. T(1 sau 0) la energii nucleon mai mici de 1 GeVși independența față de izospină la energii peste 10 GeV.

11. General ( n, p) și ( p, p) - împrăștiere la energii mari de 100 mari MeV  duce la concluzia că există o repulsie foarte puternică a nucleonilor la distanțe mai mici de 0,5 10-13 vedea  , natura de schimb a forțelor nucleare și dependența de spin-orbita a forțelor nucleare (natura tensorilor din centru a forțelor nucleare rezultă din analiza fazelor ( p, p) - împrăștiere).

Interacțiunea nucleelor \u200b\u200bîntre ele indică faptul că în nuclee există forțe nucleare speciale care nu pot fi reduse la niciunul dintre tipurile de forțe cunoscute în fizica clasică (gravitațională și electromagnetică).

Forțele nucleare- acestea sunt forțele care țin nucleonii în nucleu și sunt o manifestare a interacțiunii puternice.

Proprietățile forțelor nucleare:

• 1) sunt pe distanțe scurte: la distanțe de ordinul ~ 1 (N 5 m, forțele nucleare ca forțe atractive dețin nucleonii, în ciuda repulsiei Coulomb între protoni; la distanțe mai mici, atracția nucleonilor este înlocuită de repulsie;
• 2) posedă independență de sarcină: atracția dintre oricare doi nucleoni este aceeași (p-p, p-p, p-p);
• 3) saturația este caracteristică forțelor nucleare: fiecare nucleon din nucleu interacționează numai cu un număr limitat de nucleoni mai apropiați de acesta;
• 4) forțele nucleare depind de orientarea reciprocă a rotirilor nucleonilor în interacțiune (de exemplu, un proton și un neutron formează un deuteron - nucleul unui izotop de deuteriu ] Hnumai dacă spatele lor este paralel între ele);
• 5) forțele nucleare nu sunt centrale, adică nu sunt direcționate de-a lungul liniei care leagă centrele nucleonilor care interacționează, așa cum este demonstrat de dependența lor de orientarea învârtirilor nucleonilor.

Experimentele privind împrăștierea nucleon-nucleon au arătat că forțele interacțiunii nucleare dintre nucleonii dintr-un nucleu sunt de natură de schimb și se datorează schimbului de quanta a câmpului de forțe nucleare numite l-mezoane (pioni, vezi sub-subiect 32.2). Ipoteza pionilor în cadrul teoriei cuantice detaliate a mecanismului de interacțiune nucleară a fost propusă de fizicianul japonez X. Yukawa (Premiul Nobel, 1949). Particula Yukawa - pionul - se caracterizează printr-o masă de aproximativ 300 de mase de electroni și ne permite să explicăm natura pe distanțe scurte și amploarea mare a forțelor nucleare.

Modele ale nucleului atomic.  teoriile nucleului atomic joacă un rol foarte important în modelele care descriu destul de bine un anumit set de proprietăți nucleare și permit o interpretare matematică relativ simplă. În prezent, datorită naturii complexe a forțelor nucleare și dificultății de a rezolva cu acuratețe ecuațiile de mișcare pentru toți nucleonii unui nucleu, nu există încă o teorie completă a nucleului care să explice toate proprietățile acestuia.

Luați în considerare următoarele două modele de bază - picurare și coajă.

Model de picurareprezentat de savantul german M. Born și omul de știință rus J. Frenkel în 1936. În acest model se presupune că miezul se comportă ca o picătură a unui fluid încărcat incompresibil, cu o densitate egală cu cea nucleară și respectând legile mecanicii cuantice. Astfel, nucleul este considerat ca mediu continuu și mișcarea nucleonilor individuali nu se distinge. Cu această analogie între comportamentul moleculelor într-o picătură de lichid și nucleonii dintr-un nucleu, se ia în considerare gama scurtă de interacțiuni nucleare, proprietatea de saturație a forțelor nucleare și aceeași densitate de materie nucleară în nuclee diferite. Modelul de cădere a explicat mecanismele reacțiilor nucleare, în special reacția de fisiune nucleară, a făcut posibilă obținerea unei formule semi-empirice pentru energia de legare a nucleonilor din nucleu și a descris și dependența razei nucleului de numărul de masă.

Model de coajăacesta a fost în sfârșit formulat de fizicianul american M. Göppert-Mayer și fizicianul german J.H. Jensen în 1949-1950 În acest model, se consideră că nucleonii se mișcă independent unul de celălalt într-un câmp simetric central simetric al nucleonilor rămași ai nucleului. În conformitate cu aceasta, există niveluri de energie discrete umplute cu nucleoni, ținând cont de principiul Pauli. Aceste niveluri sunt grupate în coajă  fiecare dintre ele putând conține un anumit număr de nucleoni. Interacțiunea spin-orbita a nucleonilor este luată în considerare. În nuclee, cu excepția celor mai ușoare, efectuate j-/ "- comunicare.

Nucleii cu scoici complet umplute sunt cele mai stabile. magic  numite nuclee atomice în care numărul de neutroni N  sau (și) numărul protonilor Z este egal cu unul dintre numerele magice:

2, 8, 20, 28, 50, 82 și TV \u003d 126. Nucleii magici diferă de alți nuclei, de exemplu, prin stabilitate crescută, prevalență mai mare în natură.

Cores în care atât Z cât și N,  se numesc de două ori magică.  Nucleele duble magice includ: heliu Nu, oxigen J\u003e 6 0, calciu joСа, tin jjfSn, plumb g ^ fPb. În special, stabilitatea specială a nucleului nu se manifestă prin faptul că este singura particulă numită a -particle,  emise de nuclee grele în timpul degradării radioactive.

Pe lângă predicția numerelor magice, acest model a făcut posibilă găsirea unor valori ale rotirilor pământului și ale stărilor excitate ale nucleelor, precum și a momentelor lor magnetice, în concordanță cu experimentul. Deosebit de bine, acest model este aplicabil pentru descrierea nucleelor \u200b\u200bușoare și medii, precum și pentru nucleele aflate în starea solului.

În fizică, termenul „forță” se referă la măsura interacțiunii formațiunilor materiale între ele, inclusiv interacțiunea părților unei substanțe (corpuri macroscopice, particule elementare) între ele și cu câmpurile fizice (electromagnetice, gravitaționale). În total, sunt cunoscute patru tipuri de interacțiune în natură: puternice, slabe, electromagnetice și gravitaționale și fiecare are propriul tip de forță. Prima dintre ele corespunde forțelor nucleare care operează în interiorul nucleelor \u200b\u200batomice.

Ce unește sâmburele?

Este cunoscut faptul că nucleul unui atom este mic, dimensiunea acestuia este de patru până la cinci ordine zecimale mai mică decât dimensiunea atomului în sine. În legătură cu aceasta, apare întrebarea evidentă: de ce este atât de mică? La urma urmei, atomii constând din particule minuscule sunt încă mult mai mari decât particulele pe care le conțin.

Dimpotrivă, nucleele nu au dimensiuni foarte diferite de nucleonii (protonii și neutronii) din care sunt făcuți. Există un motiv pentru acest lucru sau este un accident?

Între timp, se știe că este vorba de forțe electrice care dețin electroni încărcați negativ în apropierea nucleelor \u200b\u200batomice. Ce forță sau forțe țin particulele nucleului împreună? Această sarcină este îndeplinită de forțele nucleare, care sunt o măsură a interacțiunilor puternice.

Interacțiune nucleară puternică

Dacă în natură existau doar forțe gravitaționale și electrice, adică cele pe care le întâlnim în viața de zi cu zi, nuclee atomice, constând adesea din mulți protoni încărcați pozitiv, ar fi instabile: forțele electrice care împing protonii unul de la celălalt ar fi de multe milioane de ori mai puternice decât orice forță gravitațională care le atrage spre unui prieten. Forțele nucleare oferă o atracție chiar mai puternică decât repulsia electrică, deși numai umbra adevăratei lor mărimi apare în structura nucleului. Când studiem însăși structura protonilor și neutronilor, vedem adevăratele posibilități ale acelui fenomen, care este cunoscut sub numele de interacțiune nucleară puternică. Forțele nucleare sunt manifestarea sa.

Figura de mai sus arată că cele două forțe opuse din nucleu sunt repulsia electrică între protonii încărcați pozitiv și forța interacțiunii nucleare, care atrage protonii (și neutronii) împreună. Dacă numărul protonilor și neutronilor nu este prea diferit, atunci a doua forțe sunt superioare primei.

Sunt protoni analogi de atomi și nuclei analogi de molecule?

Ce particule sunt forțele nucleare? În primul rând, între nucleoni (protoni și neutroni) din nucleu. În final, acestea acționează între particule (quark, gluon, antiquarks) în interiorul unui proton sau neutron. Acest lucru nu este surprinzător atunci când recunoaștem că protonii și neutronii sunt complexi intern.

Într-un atom, nuclee minuscule și electroni chiar mai mici sunt relativ departe unul de celălalt ca mărime, iar forțele electrice care îi rețin în atom acționează destul de simplu. Dar în molecule, distanța dintre atomi este comparabilă cu dimensiunea atomilor, astfel încât complexitatea internă a acestora din urmă intră în joc. O situație diversă și complexă cauzată de compensarea parțială a forțelor electrice intra-atomice dă naștere unor procese în care electronii se pot transfera efectiv de la un atom la altul. Acest lucru face ca fizica moleculară să fie mult mai bogată și mai complexă decât atomii. În mod similar, distanța dintre protoni și neutroni dintr-un nucleu este comparabilă cu dimensiunea lor - și la fel ca în cazul moleculelor, proprietățile forțelor nucleare care dețin nucleii împreună sunt mult mai complicate decât simpla atracție a protonilor și neutronilor.

Nu există nucleu fără neutron, cu excepția hidrogenului

Este cunoscut faptul că nucleele unor elemente chimice sunt stabile, în timp ce în altele decădesc continuu, iar intervalul de viteză al acestei descompuneri este foarte larg. De ce atunci încetează să existe forțele care dețin nucleonii din nuclee? Să vedem ce putem învăța din considerente simple despre proprietățile forțelor nucleare.

Unul dintre ele este că toate nucleele, cu excepția izotopului cel mai comun al hidrogenului (care are un singur proton), conțin neutroni; adică nu există nucleu cu mai mulți protoni care nu conțin neutroni (vezi figura de mai jos). Deci este clar că neutronii joacă un rol important în a ajuta protonii să se lipească.

În fig. cele de mai sus arată nuclee stabile sau aproape stabile, împreună cu un neutron. Acestea din urmă, ca și tritiul, sunt indicate printr-o linie punctată care indică faptul că în cele din urmă se descompun. Alte combinații cu un număr mic de protoni și neutroni nu formează deloc nuclee sau formează nuclee extrem de instabile. În plus, numele alternative sunt adesea afișate cu caractere italice, adesea date la unele dintre aceste obiecte; De exemplu, nucleul de heliu-4 este adesea numit particula α, numele care i-a fost dat atunci când a fost descoperit inițial în primele studii despre radioactivitate din anii 1890.

Neutronii ca păstori de protoni

Dimpotrivă, nu există un nucleu format doar din neutroni fără protoni; majoritatea nucleelor \u200b\u200bușoare, precum oxigenul și siliconul, au aproximativ același număr de neutroni și protoni (figura 2). Nucleii mari cu mase mari, precum aurul și radioul, au ceva mai mulți neutroni decât protonii.

Aceasta spune două lucruri:

1. Nu numai neutronii sunt necesari pentru a ține protonii împreună, dar sunt necesari și protoni pentru a menține neutronii împreună.

2. Dacă numărul protonilor și neutronilor devine foarte mare, atunci repulsia electrică a protonilor ar trebui compensată prin adăugarea mai multor neutroni suplimentari.

Ultima afirmație este ilustrată în figura de mai jos.

Figura de mai sus arată nuclee atomice stabile și aproape stabile, în funcție de P (număr de protoni) și N (număr de neutroni). Linia indicată de puncte negre indică nuclee stabile. Orice deplasare de la linia neagră în sus sau în jos înseamnă o scădere a vieții nucleelor \u200b\u200b- în apropierea ei, durata nucleelor \u200b\u200beste de milioane de ani sau mai mult, pe măsură ce regiunile albastre, maro sau galbene se deplasează spre interior (culorile diferite corespund unor mecanisme diferite de descompunere nucleară), viața lor devine mai scurtă, până la o secundă divizată.

Rețineți că nucleele stabile au P și N, aproximativ egale pentru P și N mici, dar N devine treptat mai mult decât P de mai multe ori și jumătate. De asemenea, remarcăm faptul că grupul de nuclei stabili și cu o durată lungă de viață rămâne într-o bandă destul de restrânsă pentru toate valorile P până la 82. Cu un număr mai mare dintre acestea, nucleii cunoscuți sunt, în principiu, instabili (deși pot exista milioane de ani). Aparent, mecanismul de stabilizare a protonilor din nucleele menționate mai sus datorită adăugării de neutroni la aceștia în această regiune nu este eficace 100%.

Modul în care mărimea unui atom depinde de masa electronilor săi

Cum afectează forțele în cauză structura nucleului atomic? Forțele nucleare afectează în primul rând dimensiunea sa. De ce sunt nucleele atât de mici în comparație cu atomii? Pentru a afla, să începem cu cel mai simplu nucleu, care are atât un proton, cât și un neutron: acesta este al doilea izotop cel mai comun de hidrogen, al cărui atom conține un electron (ca toți izotopii de hidrogen) și un nucleu de un proton și un neutron. Acest izotop este adesea numit „deuteriu”, iar miezul său (vezi figura 2) este uneori numit „deuteron”. Cum putem explica ce ține un deuteron împreună? Ei bine, ne putem imagina că nu este atât de diferit de atomul de hidrogen obișnuit, care conține și două particule (proton și electron).

În fig. s-a arătat mai sus că într-un atom de hidrogen nucleul și electronul sunt foarte depărtate, în sensul că atomul este mult mai mare decât nucleul (iar electronul este chiar mai mic.) Dar în deuteron, distanța dintre proton și neutron este comparabilă cu dimensiunea lor. Acest lucru explică parțial de ce forțele nucleare sunt mult mai complexe decât forțele dintr-un atom.

Se știe că electronii au o masă mică comparativ cu protonii și neutronii. Rezultă că

• masa unui atom este în esență apropiată de masa nucleului său,
• dimensiunea unui atom (în esență, dimensiunea unui nor de electroni) este invers proporțională cu masa electronilor și invers proporțională cu forța electromagnetică totală; principiul incertitudinii mecanicii cuantice joacă un rol decisiv.

Și dacă forțele nucleare sunt similare cu cele electromagnetice

Dar deuteronul? Acesta, ca un atom, este alcătuit din două obiecte, dar sunt aproape aceeași masă (masele neutronului și protonului diferă doar în aproximativ o parte a 1500), astfel încât ambele particule sunt la fel de importante în determinarea masei deuteronului și a mărimii acestuia . Să presupunem acum că o forță nucleară trage un proton către un neutron la fel ca forțele electromagnetice (acest lucru nu este în întregime adevărat, dar imaginați-vă pentru o clipă); și apoi, prin analogie cu hidrogenul, ne așteptăm ca dimensiunea deuteronului să fie invers proporțională cu masa protonului sau neutronului și invers proporțională cu amploarea forței nucleare. Dacă valoarea sa era aceeași (la o anumită distanță) cu cea a forței electromagnetice, atunci aceasta ar însemna că, deoarece un proton este de aproximativ 1850 de ori mai greu decât un electron, atunci deuteronul (și într-adevăr orice nucleu) ar trebui să fie de cel puțin o mie de ori mai mic decât hidrogenul.

Ceea ce face contabilizarea diferenței semnificative dintre forțele nucleare și cele electromagnetice

Dar am intuit deja că forța nucleară este mult mai mare decât forța electromagnetică (la aceeași distanță), pentru că, dacă nu ar fi, nu ar fi în măsură să împiedice repulsia electromagnetică între protoni până la descompunerea nucleului. Deci, protonul și neutronul sub acțiunea sa se reunesc și mai strâns. Și, prin urmare, nu este surprinzător faptul că deuteronul și alte nuclee nu sunt doar o mie, ci o sută de mii de ori mai mici decât atomii! Din nou, acest lucru este doar pentru că

• protonii și neutronii sunt de aproape 2000 de ori mai grei decât electronii,
• la aceste distanțe, forța nucleară mare între protoni și neutroni din nucleu este de multe ori mai mare decât forțele electromagnetice corespunzătoare (inclusiv repulsia electromagnetică între protonii din nucleu.)

Această bănuială naivă dă un răspuns aproximativ corect! Dar acest lucru nu reflectă pe deplin complexitatea interacțiunii dintre proton și neutron. Una dintre problemele evidente este că o forță similară cu cea electromagnetică, dar cu o capacitate atractivă sau respingătoare mai mare, ar trebui să se manifeste, evident, în viața de zi cu zi, dar nu observăm nimic asemănător. Deci, ceva în această forță ar trebui să fie diferit de forțele electrice.

Energie nucleară de scurtă durată

Ceea ce le distinge este faptul că forțele nucleare care păstrează nucleul atomic de la descompunere sunt foarte importante și mari pentru protoni și neutroni situați la o distanță foarte scurtă unul de celălalt, dar la o anumită distanță (așa-numitul „interval” de forță), acestea cad foarte rapid, mult mai rapid decât cele electromagnetice. Domeniul, se dovedește, poate fi, de asemenea, dimensiunea unui nucleu moderat mare, doar de câteva ori mai mare decât protonul. Dacă așezați un proton și un neutron la o distanță comparabilă cu acest interval, ei vor fi atrași unul de celălalt și vor forma un deuteron; dacă sunt transportate la o distanță mai mare, este puțin probabil să simtă vreo atracție. De fapt, dacă sunt așezați prea aproape unul de celălalt, astfel încât să înceapă să se suprapună, ei vor fi respinși unul de la celălalt. Aceasta este complexitatea unui astfel de lucru ca forțele nucleare. Fizica continuă să se dezvolte continuu în direcția explicării mecanismului acțiunii lor.

Mecanismul fizic al interacțiunii nucleare

Fiecare proces material, inclusiv interacțiunea dintre nucleoni, trebuie să aibă purtători de materiale. Ele sunt quanta câmpului nuclear - pi-mesonii (pioni), datorită schimbului dintre care există o atracție între nucleoni.

Conform principiilor mecanicii cuantice, pi-mesonii, care apar și dispar în mod constant, formează ceva precum un nor numit o haină de blană de meson în jurul unui nucleon „gol” (gândiți-vă la norii de electroni din atomi). Când doi nucleoni înconjurați de astfel de straturi se află la o distanță de ordinul de 10-15 m, schimbul de pioni are loc similar schimbului de electroni de valență în atomi în timpul formării moleculelor și are loc atracția între nucleoni.

Dacă distanțele dintre nucleoni devin mai mici de 0,7 ± 10 -15 m, atunci încep să facă schimb de particule noi - așa-numitele. ω și ρ-mesonii, ca urmare a cărora apare repulsia între nucleoni și nu atracție.

Forțele nucleare: structura nucleului de la simplu la mai mare

Rezumând toate cele de mai sus, putem nota:

• interacțiunea nucleară puternică este mult, mult mai slabă decât electromagnetismul la distanțe mult mai mare decât dimensiunea unui nucleu tipic, așa că nu îl întâlnim în viața de zi cu zi; dar
• la distanțe scurte comparabile cu nucleul, devine mult mai puternic - forța de atracție (cu condiția ca distanța să nu fie prea scurtă), poate depăși repulsia electrică dintre protoni.

Deci, această forță contează doar la distanțe comparabile cu dimensiunea miezului. Figura de mai jos prezintă o vedere a dependenței sale de distanța dintre nucleoni.

Nucleele mari sunt ținute împreună cu ajutorul mai mult sau mai puțin aceeași forță care ține deuteronul împreună, dar detaliile procesului sunt complicate, deci nu sunt ușor de descris. De asemenea, nu sunt pe deplin înțeleși. Deși trăsăturile de bază ale fizicii nucleare au fost bine studiate de zeci de ani, multe detalii importante sunt încă explorate în mod activ.

Nucleul atomic, format dintr-un anumit număr de protoni și neutroni, este un întreg întreg datorită forțelor specifice care acționează între nucleonii nucleului și sunt numiți nucleare.  S-a dovedit experimental că forțele nucleare au valori foarte mari, depășind cu mult forțele de repulsie electrostatică între protoni. Aceasta se manifestă prin faptul că energia specifică de legare a nucleonilor din nucleu este mult mai mare decât activitatea forțelor de repulsie Coulomb. Luați în considerare principalele caracteristici ale forțelor nucleare.

1. Forțele nucleare sunt forțe gravitaționale pe distanțe scurte . Ele apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni în ordinea nucleului de 10-15 m. Lungimea (1,5-2,2) · 10-15 m se numește gama nucleară  ele scad rapid odata cu cresterea distantei dintre nucleoni. La o distanță de (2-3) m, interacțiunea nucleară este practic absentă.

2. Forțele nucleare au proprietatea saturație, și anume fiecare nucleon interacționează numai cu un anumit număr de vecini apropiați. Această natură a forțelor nucleare se manifestă în constanța aproximativă a energiei specifice de legare a nucleonilor la un număr de încărcare A\u003e 40. Într-adevăr, dacă nu există saturație, energia de legare specifică ar crește cu o creștere a numărului de nucleoni din nucleu.

3. O caracteristică a forțelor nucleare este și ea încărcați independența , adică ele sunt independente de sarcina nucleonilor, prin urmare, interacțiunile nucleare dintre protoni și neutroni sunt aceleași. Independența de sarcină a forțelor nucleare este văzută dintr-o comparație a energiilor de legătură nuclee de oglindă.Așa se numesc sâmburi, în care numărul total de nucleoni este același, numărul protonilor dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din cealaltă. De exemplu, energiile de legare ale nucleelor \u200b\u200bde heliu și ale hidrogenului tritic greu sunt respectiv 7,72 MeV  și 8.49 MeVDiferența în energiile de legare a acestor nuclei, egală cu 0,77 MeV, corespunde energiei de repulsie Coulomb a doi protoni din nucleu. Presupunând că această valoare este egală, putem constata că distanța medie rîntre protonii protonilor din nucleu este 1,9 · 10-15 m, ceea ce este în concordanță cu raza de acțiune a forțelor nucleare.

4. Forțele nucleare nu sunt centrale și depind de orientarea reciprocă a rotirilor nucleonilor care interacționează. Acest lucru este confirmat de natura diferită a împrăștierii neutronilor de către molecule de orto-și-parahidrogen. În molecula de ortohidrogen, rotirile ambilor protoni sunt paralele între ele, iar în molecula parahidrogenă sunt antiparalele. Experimentele au arătat că împrăștierea neutronilor cu parahidrogen este de 30 de ori mai mare decât împrăștierea prin ortohidrogen.

Natura complexă a forțelor nucleare nu permite dezvoltarea unei singure teorii coerente a interacțiunii nucleare, deși au fost propuse multe abordări diferite. Conform ipotezei fizicianului japonez H. Yukawa (1907-1981), pe care a propus-o în 1935, forțele nucleare se datorează schimbului - mezoane, adică. particule elementare a căror masă este de aproximativ 7 ori mai mică decât masa nucleonilor. Conform acestui model timpul nucleonsea m- masa mezonului) emite un meson, care, mișcându-se cu o viteză apropiată de viteza luminii, parcurge o distanță, după care este absorbit de al doilea nucleon. La rândul său, cel de-al doilea nucleon emite și un meson, care este absorbit de primul. Astfel, în modelul lui H. Yukawa, distanța la care interacționează nucleonii este determinată de calea liberă medie a mezoanelor, ceea ce corespunde unei distanțe de aproximativ m  iar în ordinea mărimii coincide cu raza de acțiune a forțelor nucleare.

Întrebarea 26. Reacții de fisiune. În 1938, oamenii de știință germani O. Hahn (1879-1968) și F. Strassman (1902-1980) au descoperit că atunci când neutronii sunt bombardați cu uraniu, uneori nucleii apar aproximativ la jumătate ca și nucleul original de uraniu. Acest fenomen a fost numit fisiunea nucleară.

Reprezintă prima reacție observată experimental de transformările nucleare. Un exemplu este una dintre reacțiile de fisiune posibile ale nucleului de uraniu-235:

Procesul fisiunii nucleare se desfășoară foarte repede (pe o perioadă de ~ 10-12 secunde). Energia eliberată în reacția de tip (7.14) este de aproximativ 200 MeV per un act de fisiune al nucleului uraniu-235.

În caz general, reacția de fisiune a nucleului de uraniu - 235 poate fi scrisă ca:

Neutroni (7.15)

Mecanismul de reacție de fisiune poate fi explicat în cadrul modelului hidrodinamic al nucleului. Conform acestui model, când un neutron este absorbit de un nucleu de uraniu, acesta intră într-o stare excitată (Fig. 7.2).

Excesul de energie pe care îl primește nucleul ca urmare a absorbției de neutroni determină o mișcare mai intensă a nucleonilor. Ca urmare, miezul este deformat, ceea ce duce la o slăbire a interacțiunii nucleare pe distanțe scurte. Dacă energia de excitație a nucleului este mai mare decât o anumită energie numită energie de activare apoi, sub influența repulsiei electrostatice a protonilor, nucleul se împarte în două părți, cu emisie fisiunea neutronilor . Dacă energia de excitație în timpul absorbției neutronilor este mai mică decât energia de activare, atunci nucleul nu ajunge

stadiul critic al diviziunii și, după ce a emis un cuantum, revine la principal

de stat.

O caracteristică importantă a reacției de fisiune nucleară este capacitatea de a realiza pe baza sa o reacție autoenținută în lanț nuclear . Acest lucru se datorează faptului că în fiecare eveniment de fisiune, în medie, sunt eliberați mai mult de un neutron. Masa, sarcina și energia cinetică a fragmentelor X  și Y,  formate în timpul reacției de fisiune de tipul (7.15) sunt diferite. Aceste fragmente sunt rapid inhibate de mediu, provocând ionizarea, încălzirea și perturbarea structurii sale. Utilizarea energiei cinetice a fragmentelor de fisiune datorită încălzirii mediului este baza conversiei energiei nucleare în energie termică. Fragmentele de fisiune ale nucleului sunt în stare excitată după reacție și trec în starea solului prin emisie β - particule și - quanta.

Reacție nucleară controlată  efectuat în reactor nuclear   și este însoțit de eliberarea de energie. Primul reactor nuclear a fost construit în 1942 în SUA (Chicago) sub îndrumarea fizicianului E. Fermi (1901 - 1954). În URSS, primul reactor nuclear a fost creat în 1946 sub conducerea lui I.V. Kurchatov. Apoi, după ce au acumulat experiență în gestionarea reacțiilor nucleare, au început să construiască centrale nucleare.

Întrebarea 27. Reacția de sinteză. Fuziunea nucleară   numită reacție de fuziune a protonilor și neutronilor sau a nucleelor \u200b\u200bușoare individuale, ca urmare a formării unui nucleu mai greu. Cele mai simple reacții de fuziune nucleară sunt:

, ΔQ \u003d 17,59 MeV; (7.17)

Calculele arată că energia eliberată în procesul reacțiilor de fuziune nucleară per masă unitară depășește semnificativ energia eliberată în reacțiile de fisiune nucleară. În timpul reacției de fisiune a uraniului - 235 nucleu, se eliberează aproximativ 200 MeV, adică. 200: 235 \u003d 0,85 MeV per nucleon și în timpul reacției de sinteză (7,17) se eliberează o energie de aproximativ 17,5 MeV, adică 3,5 MeV pe nucleon (17,5: 5 \u003d 3,5 MeV). În acest fel procesul de sinteză este de aproximativ 4 ori mai eficient decât procesul de fisiune a uraniului   (per nucleon al unui nucleu care participă la reacția de fisiune).

Rata mare a acestor reacții și eliberarea de energie relativ ridicată fac ca un amestec uniform de deuteriu și tritiu să fie cel mai promițător pentru rezolvarea problemei fuziune termonucleară controlată. Fuziunea termonucleară gestionată este asociată cu speranțele omenirii de a-și rezolva problemele energetice. Situația este că rezervele de uraniu, ca materii prime pentru centralele nucleare, sunt limitate pe Pământ. Dar deuteriu conținut în apa oceanelor este o sursă aproape inepuizabilă de combustibil nuclear ieftin. Situația cu tritiu este ceva mai complicată. Tritiul este radioactiv (timpul de înjumătățire este de 12,5 ani, reacția de descompunere are forma :), nu apare în natură. Prin urmare, pentru a asigura munca reactor de fuziunefolosind tritiul ca combustibil nuclear, ar trebui să se ofere posibilitatea reproducerii acestuia.

În acest scop, zona de lucru a reactorului trebuie înconjurată de un strat de izotop litiu ușor în care va avea loc reacția.

Ca urmare a acestei reacții, se formează izotopul de hidrogen de tritiu ().

În viitor, este luată în considerare posibilitatea creării unui reactor de fuziune cu radioactivitate scăzută bazat pe un amestec de deuteriu și izotop de heliu, reacția de sinteză are forma:

MeV.(7.20)

Ca urmare a acestei reacții, datorită absenței de neutroni în produsele de sinteză, pericolul biologic al reactorului poate fi redus cu patru până la cinci ordine de magnitudine atât în \u200b\u200bcomparație cu reactoarele de fisiune nucleară, cât și cu reactoarele termonucleare alimentate cu combustibil din deuteriu și tritiu, nu este necesară prelucrarea industrială materialele radioactive și transportul acestora, eliminarea deșeurilor radioactive este simplificată calitativ. Cu toate acestea, perspectivele creării în viitor a unui reactor de fuziune ecologic folosind un amestec de deuteriu () și un izotop de heliu () sunt complicate de problema materiilor prime: rezervele naturale de izotop de heliu pe Pământ sunt nesemnificative. Hlia om deuteriu în viitor fuzionarea ecologică

Pe calea implementării reacțiilor de fuziune în condiții terestre, problema repulsiei electrostatice a nucleelor \u200b\u200bușoare apare atunci când acestea se apropie reciproc la distanțe la care forțele nucleare atractive încep să acționeze, adică. aproximativ 10-15 m, după care se produce procesul de fuziune a acestora din cauza efect tunel. Pentru a depăși bariera potențială în calea coliziunii nucleelor, energia ≈10 keV,care corespunde temperaturii T ≈10 8 K și sus. Prin urmare, reacțiile de fuziune în condiții naturale apar numai în intestinele stelelor. Implementarea lor în condiții terestre necesită o încălzire puternică a substanței, fie printr-o explozie nucleară, fie printr-o descărcare puternică de gaz, fie printr-un impuls uriaș de radiații laser sau prin bombardare de un fascicul intens de particule. Reacțiile termonucleare au fost efectuate până în prezent numai în explozii de testare a bombelor termonucleare (hidrogen).

Cerințele de bază pe care trebuie să le îndeplinească un reactor termonuclear ca dispozitiv pentru realizarea fuziunii termonucleare controlate sunt următoarele.

În primul rând, reținerea fiabilă a plasmei calde (≈108 K)  în zona de reacție. Ideea fundamentală care a determinat soluția acestei probleme timp de mai mulți ani a fost exprimată la mijlocul secolului XX în URSS, SUA și Marea Britanie aproape simultan. Această idee este să folosind câmpuri magnetice  pentru retenție și izolare termică a plasmei la temperatură ridicată.

În al doilea rând, atunci când funcționați cu combustibil care conține tritiu (care este un izotop cu hidrogen cu radioactivitate ridicată), se vor produce distrugeri ale radiațiilor pe pereții camerei reactorului de fuziune. Potrivit experților, este puțin probabil ca rezistența mecanică a primului perete de cameră să depășească 5-6 ani. Aceasta înseamnă necesitatea de demontare periodică completă a instalației și noua asamblare ulterioară a acesteia folosind roboți de funcționare de la distanță, datorită radioactivității reziduale extrem de ridicate.

În al treilea rând, principala cerință pe care fuziunea trebuie să o satisfacă este ca energia eliberată ca urmare a reacțiilor termonucleare să depășească mai mult cheltuielile de energie din surse externe pentru a menține reacția în sine. De mare interes sunt reacțiile termonucleare „pure”,

fără neutroni (vezi (7.20) și reacția de mai jos:

Întrebarea 28. Cariune radioactivă α−, β−, γ− radiații.

dedesubt radioactivitate   înțelegeți capacitatea unor nuclee atomice instabile de a se transforma spontan în alte nuclee atomice cu emisia de radiații radioactive.

Radioactivitatea naturalănumită radioactivitate observată în izotopi instabili existenți în natură.

Radioactivitate artificialăse numește radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare efectuate în acceleratoare și reactoare nucleare.

Transformările radioactive au loc cu o modificare a structurii, compoziției și a stării energetice a nucleelor \u200b\u200batomice și sunt însoțite de emisia sau captarea particulelor încărcate sau neutre și de eliberarea radiațiilor în undă scurtă de natură electromagnetică (quanta cu raze gamma). Aceste particule emise și quanta sunt numite colectiv radioactiv (sau ionizantă ) emisiile și elementele ale căror nuclee pot dintr-un motiv sau altul (naturale sau artificiale) să producă descompunere spontană sunt denumite radioactive sau radionuclizi . Cauzele degradării radioactive sunt dezechilibre între forțele atrăgătoare nucleare (cu rază scurtă de acțiune) și forțele repulsive electromagnetice (cu rază lungă de acțiune) ale protonilor încărcați pozitiv.

Radiații ionizante– fluxul de particule încărcate sau neutre și quanta radiației electromagnetice, a cărei trecere printr-o substanță duce la ionizarea și excitarea atomilor sau moleculelor mediului. Prin natura sa, este împărțit în fotoni (radiații gamma, bremsstrahlung, radiații cu raze X) și corpuscular (radiație alfa, electron, proton, neutron, meson).

Dintre 2500 de nuclide cunoscute în prezent, doar 271 sunt stabile. Restul (90%!) Sunt instabile, adică. radioactive; prin una sau mai multe decăderi succesive, însoțite de emisia de particule sau γ-quanta, acestea se transformă în nuclide stabile.

Un studiu al compoziției radiațiilor radioactive a făcut posibilă divizarea acesteia în trei componente diferite: radiație α   reprezintă un flux de particule încărcate pozitiv - nuclee de heliu (), radiația β   - fluxul de electroni sau pozitroni, radiații gamma –Curentul de radiații electromagnetice cu unde scurte.

De obicei, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de raze gamma - radiații electromagnetice cu undă scurtă. Razele gamma sunt principala formă de reducere a energiei produselor excitate ale transformărilor radioactive. Se numește un nucleu care suferă de descompunere radioactivă mama; are loc filială nucleul, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția sa la starea la sol este însoțită de emisia unei cuante.

Legile conservării.În timpul descompunerii radioactive, sunt stocați următorii parametri:

1. taxa . O sarcină electrică nu poate fi creată sau dispărută. Încărcarea totală înainte și după reacție trebuie menținută, deși poate fi distribuită diferit între diferiți nuclei și particule.

2. Numărul de masă   sau numărul de nucleoni după reacție trebuie să fie egal cu numărul de nucleoni înainte de reacție.

3. Energie totală . Energia Coulomb și energia maselor echivalente trebuie să fie conservate în toate reacțiile și degradările.

4.Momentul și impulsul unghiular . Conservarea momentului liniar este responsabilă pentru distribuția energiei Coulomb între nuclee, particule și / sau radiații electromagnetice. Momentul unghiular se referă la partea din spate a particulelor.

α - degradare  numită emisie de nucleu atomic α− particule. la α− decăderea, ca întotdeauna, legea conservării energiei trebuie să fie satisfăcută. În același timp, orice schimbare în energia sistemului corespunde modificărilor proporționale în masa sa. Prin urmare, în timpul degradării radioactive, masa nucleului mamă trebuie să depășească masa produselor de descompunere cu o cantitate corespunzătoare energiei cinetice a sistemului după descompunere (dacă nucleul mamă a fost în repaus înainte de descompunere). Astfel, în caz α− condiția de degradare trebuie îndeplinită

unde este masa nucleului mamă cu un număr de masă A  și numărul de serie Z,   - masa nucleului fiic și - masa α− particule. Fiecare dintre aceste mase, la rândul său, poate fi reprezentată ca suma numărului de masă și a defectului de masă:

Substituind aceste expresii pentru masele în inegalitate (8.2), obținem următoarea condiție pentru α− descompunere:, (8,3)

și anume diferența de defecte de masă ale nucleelor \u200b\u200bpărinte și fiică ar trebui să fie mai mare decât defectul de masă α− particule. Astfel, când α− descompunerea numărului de masă al nucleelor \u200b\u200bmamei și fiicei trebuie să difere între patru cu patru. Dacă diferența de număr de masă este de patru, atunci cu defectele de masă ale izotopilor naturali, acestea scad întotdeauna odată cu creșterea A. Astfel, inegalitatea (8.3) nu se menține, deoarece defectul de masă al nucleului mai greu, care ar trebui să fie mama, este mai mic decât defectul de masă al nucleului mai ușor. Prin urmare, pentru α− degradarea nucleară nu are loc. Același lucru este valabil și pentru majoritatea izotopilor artificiali. O excepție sunt mai mulți izotopi artificiali ușori pentru care săriturile în energia de legare și, prin urmare, în defectele de masă, sunt deosebit de mari în comparație cu izotopii vecini (de exemplu, izotopul beriliei se descompune în două α− particule).

Energia α− particulele care decurg din degradarea nucleelor \u200b\u200bse află într-un interval relativ restrâns de la 2 la 11 MeV. Există tendința de a scădea timpul de înjumătățire prin creșterea energiei α− particule. Această tendință este deosebit de evidentă în timpul transformărilor radioactive succesive din cadrul aceleiași familii radioactive (legea Geiger-Nattol). De exemplu, energia α− particule în timpul degradării uraniului (T \u003d 7.1. 10 8) ani) este 4.58 MeVîn timpul degradării protactiniului (T \u003d 3.4. 10 4 ani) - 5,04 Mevi în timpul descompunerii poloniului (T \u003d 1,83. 10-3 cu)- 7,36MeV.

În general, se pot emite nuclee ale aceluiași izotop α− particule cu mai multe valori energetice strict definite (în exemplul precedent, este indicată cea mai mare energie). Cu alte cuvinte, α− particulele au un spectru de energie discret. Acest lucru este explicat după cum urmează. Nucleul fiic în descompunere, conform legilor mecanicii cuantice, poate fi în mai multe stări diferite, în fiecare dintre ele având o anumită energie. Starea cu cea mai mică energie posibilă este stabilă și se numește principalul . Celelalte state sunt numite excitat . În ele, miezul poate fi localizat pentru o perioadă foarte scurtă de timp (10 -8 - 10 -12 sec), apoi trece într-o stare cu energie mai mică (nu neapărat imediat la rețeaua principală) cu emisie γ− cuantice.

În proces α− degradarea distinge două etape: formarea α− particule din nucleul nucleului și emisiile α− miez de particule.

Beta degradare (radiații).Conceptul de descompunere combină trei tipuri de transformări intranucleare spontane: electron - descompunere, positron - decadere și captarea electronilor ( E  - captura).

Beta - izotopii radioactivi sunt mult mai mult decât alfa-activi. Sunt disponibile în întregul câmp al modificărilor numărului de masă al nucleelor \u200b\u200b(de la nuclee ușoare la cele mai grele).

Cariile beta ale nucleelor \u200b\u200batomice se datorează interacțiune slabă particulele elementare și la fel ca -decay, se supun anumitor legi. În timpul degradării, unul dintre neutronii din nucleu se transformă într-un proton, emitând un electron și un antineutrino electron. Acest proces are loc conform schemei:. (8.8)

În timpul - descompunere, unul dintre protonii nucleului se transformă într-un neutron cu emisia unui pozitron și a unui neutrin de electroni:

Un neutron liber care nu face parte din nucleu se deteriorează spontan în funcție de reacția (8.8) cu un timp de înjumătățire de aproximativ 12 minute, ceea ce este posibil deoarece masa neutronului este a.u. mai multă masă de protoni prin cantitatea de amu, care depășește masa de repaus a electronului (masa de rest a neutrinului este zero). Decăderea unui proton liber este interzisă de legea conservării energiei, deoarece suma maselor de odihnă ale particulelor rezultate - neutronul ipositron - este mai mare decât masa protonică. Decăderea (8,9) a protonului este posibilă numai în nucleu dacă masa nucleului fiic este mai mică decât masa nucleului mamă cu o cantitate care depășește masa de repaus a pozitronului (masele de rest ale pozitronului și electronului sunt egale). Pe de altă parte, o condiție similară trebuie să fie satisfăcută în cazul descompunerii unui neutron, care face parte din nucleu.

În plus față de procesul care se întâmplă în funcție de reacția (8.9), conversia unui proton într-un neutron poate avea loc și prin captarea unui electron de către un proton în timp ce emite simultan un neutrin de electroni

La fel ca procesul (8.9), procesul (8.10) nu are loc cu un proton liber. Cu toate acestea, dacă protonul se află în interiorul nucleului, atunci poate capta unul dintre electronii orbitali ai atomului său, cu condiția ca suma maselor nucleului mamă și a electronului să fie mai mare decât masa nucleului fiic. Posibilitatea însăși a protonilor din interiorul nucleului care se întâlnește cu electronii orbitali ai unui atom se datorează faptului că, potrivit mecanicii cuantice, mișcarea electronilor într-un atom nu se produce pe orbite strict definite, așa cum este acceptat în teoria lui Bohr, dar există o șansă de întâlnire a unui electron în orice regiune a spațiului. în interiorul unui atom, în special, și în regiunea ocupată de nucleu.

Transformarea unui nucleu cauzată de captarea unui electron orbital se numește E- captura. Cel mai adesea, este capturat un electron aparținând cochiliei K cel mai aproape de nucleu (K-capture). Capturarea unui electron care face parte din următoarea cochilă L (captura L) are loc de aproximativ 100 de ori mai rar.

Radiație gamă.   Radiația gamma este radiația electromagnetică cu unde scurte având o lungime de undă extrem de scurtă și, ca urmare, proprietăți corpusculare pronunțate, adică. reprezintă un flux de cantece cu energie ( ν −   frecvența radiației), impuls și rotire J(în unități ħ ).

Radiația gamă însoțește degradarea nucleelor, apare în timpul anihilării particulelor și antiparticulelor, în timpul decelerării particulelor încărcate rapid într-un mediu, în timpul degradării mesonilor, este prezentă în radiațiile cosmice, în reacțiile nucleare etc. S-a stabilit experimental că un nucleu excitat format ca urmare a degradării poate trece printr-o serie stări intermediare, mai puțin excitate. Prin urmare, radiația aceluiași izotop radioactiv poate conține mai multe tipuri de cante care diferă unele de altele în ceea ce privește valorile energetice. Durata de viață a stărilor excitante ale nucleelor \u200b\u200bcrește de obicei brusc, odată cu o scădere a energiei lor și cu o creștere a diferenței dintre rotirile nucleului în stările inițiale și finale.

Emisia cuantică are loc și în timpul tranziției radiative a unui nucleu atomic dintr-o stare excitată cu energie E ila sol sau stare mai puțin excitată cu energie E k (E i\u003e E k). Conform legii conservării energiei (exactă pentru energia de recul a nucleului), energia cuantică este determinată de expresia:. (8.11)

În timpul radiațiilor, sunt respectate și legile conservării momentului și a momentului unghiular.

Datorită discretitudinii nivelurilor de energie ale nucleului, radiațiile au un spectru liniar de energie și frecvențe. De fapt, spectrul energetic al nucleului este împărțit în regiuni discrete și continue. În regiunea spectrului discret, distanțele dintre nivelurile de energie ale nucleului sunt semnificativ mai mari decât lățimea de energie D  nivel determinat de viața nucleului în această stare:

Timpul determină rata de descompunere a unui nucleu excitat:

unde numărul de nuclee din momentul inițial al timpului (); numărul de nuclee nedefinite la un moment dat t.

Întrebarea 29. Legile prejudecății.  Prin emiterea unei particule, nucleul pierde doi protoni și doi neutroni. Prin urmare, în nucleul rezultat (fiică), în comparație cu nucleul original (părinte), numărul de masă este cu patru mai puțin și numărul de serie doi.

Astfel, în timpul degradării, se obține un element care în tabelul periodic are loc două celule la stânga originalului: (8.14)

În timpul degradării, unul dintre neutronii din nucleu se transformă într-un proton cu emisia unui electron și a unui antineutrino (-decay). Ca urmare a degradării, numărul de nucleoni din nucleu rămâne neschimbat. Prin urmare, numărul de masă nu se schimbă, cu alte cuvinte, un izobar este transformat în altul. Cu toate acestea, sarcina nucleului fiic și numărul său de serie se modifică. În descompunere, când un neutron se transformă într-un proton, numărul secvenței crește cu unu, adică. în acest caz, apare un element care este deplasat spre dreapta în tabelul periodic în comparație cu cel inițial:

În timpul degradării, când protonul se transformă într-un neutron, numărul secvenței scade cu unul, iar elementul nou format este deplasat cu o celulă spre stânga în tabelul periodic:

În expresiile (8.14) - (8.16) X- un simbol al miezului mamei, Y- simbolul nucleului fiic; - nucleul de heliu și - denumirile simbolice ale electronului, pentru care A\u003d 0 și Z\u003d –1 și un pozitron pentru care A\u003d 0 și Z=+1.

Se formează nuclee radioactive în mod natural trei familii radioactive denumit familia de uraniu (), familia de toriu () și familie de macinia   (). Și-au primit numele de izotopi de lungă durată, cu cea mai lungă jumătate de viață. Toate familiile după un lanț de degradări α și β - se termină pe nucleele stabile de izotopi de plumb - și. Familia neptuniului, pornind de la elementul transuranic al neptuniului, se obține artificial și se termină pe izotopul bismutului.