Атомное ядро - Atomic nucleus

Ядерная физика
Ядро  · Нуклоны  (п, п ) · Ядерное дело  · Ядерная сила  · Ядерная структура  · Ядерная реакция
Модели ядра Жидкая капля  · Модель ядерной оболочки  · Модель взаимодействующих бозонов  · Ab initio
Нуклиды классификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z      Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра  – Z ↔ N Стабильный  · Магия  · Даже странно  · Гало  (Борромео )
Ядерная стабильность Связующая энергия  · соотношение p – n  · Капельная линия  · Остров стабильности  · Долина стабильности
Радиоактивный распад Альфа α  · Бета β  (2β, β+ ) · К / л захват  · Изомерный  (Гамма γ  · Внутреннее преобразование ) · Самопроизвольное деление  · Распад кластера  · Эмиссия нейтронов  · Испускание протонов Энергия распада  · Цепочка распада  · Продукт распада  · Радиогенный нуклид
Ядерное деление Спонтанный  · Продукты  (разрыв пары ) · Фотоделение
Процессы захвата электрон (2× ) · нейтрон  (s  · р ) · протон  (п  · rp )
Высокоэнергетические процессы Скалывание (космическим лучом ) · Фотодезинтеграция
Нуклеосинтез и ядерная астрофизика Термоядерная реакция Процессы: Звездный  · Большой взрыв  · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный  · Космогенный  · Искусственный
Ядерная физика высоких энергий Кварк-глюонная плазма  · RHIC  · LHC
Ученые Альварес  · Беккерель  · Быть  · А. Бор  · Н. Бор  · Чедвик  · Кокрофт  · Ir. Кюри  · Пт. Кюри  · Пи. Кюри  · Склодовская-Кюри  · Дэвиссон  · Ферми  · Хан  · Дженсен  · Лоуренс  · Mayer  · Meitner  · Олифант  · Оппенгеймер  · Proca  · Перселл  · Раби  · Резерфорд  · Soddy  · Strassmann  · Witecki  · Сцилард  · Кассир  · Томсон  · Уолтон  · Вигнер

Модель атомного ядра, показывающая его как компактный пучок двух типов нуклоны: протоны (красный) и нейтроны (синий). На этой диаграмме протоны и нейтроны выглядят как склеенные вместе маленькие шарики, но на самом деле это ядро ​​(в понимании современного ядерная физика ) нельзя так объяснить, а только с помощью квантовая механика. В ядре, которое занимает определенную уровень энергии (например, основное состояние ), можно сказать, что каждый нуклон занимает несколько мест.

В атомное ядро это небольшая плотная область, состоящая из протоны и нейтроны в центре атом, открытый в 1911 г. Эрнест Резерфорд на основе 1909 г. Эксперимент с золотой фольгой Гейгера – Марсдена. После открытия нейтрона в 1932 году модели ядра, состоящего из протонов и нейтронов, были быстро разработаны. Дмитрий Иваненко^[1] и Вернер Гейзенберг.^{[2][3][4][5][6]} Атом состоит из положительно заряженного ядра и облака отрицательно заряженных. электроны окружающие его, связанные вместе электростатическая сила. Почти все масса атома находится в ядре, с очень малым вкладом электронное облако. Протоны и нейтроны связаны вместе, чтобы образовать ядро. ядерная сила.

Диаметр ядра находится в диапазоне 1.7566 FM (1.7566×10⁻¹⁵ м) за водород (диаметр одиночного протона) примерно до 11.7142 FM за уран.^[7] Эти размеры намного меньше диаметра самого атома (ядро + электронное облако) примерно в 26 634 раза (радиус атома урана составляет примерно 156 вечера (156×10⁻¹² м))^[8] примерно до 60 250 (атомный радиус водорода около 52.92 вечера).^[а]

Раздел физики, связанный с изучением и пониманием атомного ядра, включая его состав и силы, связывающие его вместе, называется ядерная физика.

Вступление

История

Ядро было открыто в 1911 году в результате Эрнест Резерфорд усилия по тестированию Томсона "сливовый пудинг модель "атома.^[9] Электрон был уже открыт J.J. Томсон сам. Зная, что атомы электрически нейтральны, Дж. Дж. Томсон предположил, что также должен быть положительный заряд. В своей модели сливового пудинга Томсон предположил, что атом состоит из отрицательных электронов, случайно разбросанных внутри сферы с положительным зарядом. Эрнест Резерфорд позже разработал эксперимент со своим партнером по исследованиям. Ганс Гейгер и с помощью Эрнест Марсден, что связано с отклонением альфа-частицы (ядра гелия), направленные на тонкий лист металлической фольги. Он рассудил, что, если бы модель Дж. Дж. Томсона была верной, положительно заряженные альфа-частицы могли бы легко проходить через фольгу с очень небольшим отклонением их траектории, поскольку фольга должна действовать как электрически нейтральная, если отрицательный и положительный заряды так тесно смешаны, чтобы создавать он кажется нейтральным. К его удивлению, многие частицы отклонились на очень большие углы. Поскольку масса альфа-частицы примерно в 8000 раз больше массы электрона, стало очевидно, что должна присутствовать очень сильная сила, если она может отклонять массивные и быстро движущиеся альфа-частицы. Он понял, что модель сливового пудинга не может быть точной и что отклонения альфа-частиц можно объяснить только в том случае, если положительный и отрицательный заряды будут отделены друг от друга и что масса атома представляет собой концентрированную точку положительного заряда. Это оправдало идею ядерного атома с плотным центром положительного заряда и массы.

Этимология

Период, термин ядро происходит от латинского слова ядро, уменьшительное от нукс («орех»), означающий ядро ​​(т.е. «маленький орех») внутри водянистого фрукта (например, персика). В 1844 г. Майкл Фарадей использовал этот термин для обозначения «центральной точки атома». Современный атомный смысл был предложен Эрнестом Резерфордом в 1912 году.^[10] Однако принятие термина «ядро» в атомную теорию произошло не сразу. В 1916 году, например, Гилберт Н. Льюис заявил в своей знаменитой статье Атом и молекула, что «атом состоит из ядро и внешний атом или ракушка"^[11]

Ядерный макияж

Образное изображение гелий -4 атом с электронным облаком в оттенках серого. В ядре два протона и два нейтрона изображены красным и синим цветом. Это изображение показывает частицы как отдельные, тогда как в реальном атоме гелия протоны накладываются друг на друга в пространстве и, скорее всего, находятся в самом центре ядра, и то же самое верно для двух нейтронов. Таким образом, все четыре частицы, скорее всего, находятся в одном и том же пространстве, в центральной точке. Классические изображения отдельных частиц не могут моделировать известные распределения заряда в очень маленьких ядрах. Более точное изображение - пространственное распределение нуклонов в ядре гелия гораздо ближе к гелиевому. электронное облако показано здесь, хотя и в гораздо меньшем масштабе, чем на вымышленном изображении ядра.

Ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые, в свою очередь, являются проявлением более элементарных частиц, называемых кварки, которые проводятся совместно ядерная мощная сила в определенных устойчивых сочетаниях адроны, называется барионы. Сильная ядерная сила распространяется достаточно далеко от каждого бариона, чтобы связывать нейтроны и протоны вместе против отталкивающей электрической силы между положительно заряженными протонами. Ядерное сильное взаимодействие имеет очень короткий радиус действия и практически падает до нуля сразу за краем ядра. Коллективное действие положительно заряженного ядра заключается в удержании электрически отрицательно заряженных электронов на их орбитах вокруг ядра. Набор отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра, демонстрирует сродство к определенным конфигурациям и количеству электронов, которые делают их орбиты стабильными. Который химический элемент представляет собой атом определяется количеством протоны в ядре; нейтральный атом будет иметь такое же количество электронов, вращающихся вокруг этого ядра. Отдельные химические элементы могут создавать более стабильные электронные конфигурации, объединяясь для обмена своими электронами. Это совместное использование электронов для создания стабильных электронных орбит вокруг ядра, которое представляется нам химическим составом нашего макромира.

Протоны определяют весь заряд ядра и, следовательно, его химическая идентичность. Нейтроны электрически нейтральны, но вносят вклад в массу ядра почти в той же степени, что и протоны. Нейтроны могут объяснить явление изотопы (один и тот же атомный номер с разной атомной массой). Основная роль нейтронов - уменьшить электростатическое отталкивание внутри ядра.

Состав и форма

Протоны и нейтроны фермионы, с разными значениями сильный изоспин квантовое число, поэтому два протона и два нейтрона могут находиться в одном пространстве волновая функция поскольку они не являются идентичными квантовыми объектами. Иногда их рассматривают как два разных квантовых состояния одной и той же частицы. нуклон.^[12][13] Два фермиона, такие как два протона или два нейтрона, или протон + нейтрон (дейтрон) могут проявлять бозонный поведение, когда они становятся слабо связанными парами, имеющими целочисленный спин.

В редком случае гиперядро, треть барион называется гиперон, содержащий один или несколько странные кварки и / или другой необычный кварк (ы), также могут иметь общую волновую функцию. Однако ядро ​​этого типа крайне нестабильно и не встречается на Земле, за исключением экспериментов по физике высоких энергий.

Нейтрон имеет положительно заряженное ядро ​​радиусом ≈ 0,3 фм, окруженное компенсирующим отрицательным зарядом с радиусом от 0,3 до 2 фм. Протон имеет примерно экспоненциально затухающее распределение положительного заряда со среднеквадратичным радиусом около 0,8 фм.^[14]

Ядра могут быть сферическими, шарообразными (вытянутая деформация), дискообразными (сплющенная деформация), трехосными (комбинация сплюснутой и вытянутой деформации) или грушевидными.^[15][16]

Силы

Ядра связаны остаточной сильной силой (ядерная сила ). Остаточная сильная сила - это незначительный остаток сильное взаимодействие который связывает кварки вместе с образованием протонов и нейтронов. Эта сила намного слабее между нейтронов и протонов, потому что они в основном нейтрализуются в них, так же, как электромагнитные силы между нейтральные атомы (например, силы Ван дер Ваальса которые действуют между двумя атомами инертного газа) намного слабее, чем электромагнитные силы, которые удерживают части атомов вместе внутри (например, силы, удерживающие электроны в атоме инертного газа, связанном с его ядром).

Ядерная сила очень притягивает на расстоянии типичного разделения нуклонов, и это подавляет отталкивание между протонами из-за электромагнитной силы, позволяя ядрам существовать. Однако остаточная сильная сила имеет ограниченный диапазон, потому что она быстро спадает с расстоянием (см. Потенциал Юкавы ); таким образом, только ядра, меньшие определенного размера, могут быть полностью стабильными. Самое крупное из известных полностью стабильных ядер (т.е.устойчивых к альфа-, бета- и гамма-распадам) является свинец-208 который содержит в общей сложности 208 нуклонов (126 нейтронов и 82 протона). Ядра, размер которых превышает этот максимум, нестабильны и имеют тенденцию быть все более короткоживущими с большим числом нуклонов. Однако, висмут-209 также устойчив к бета-распаду и имеет самый длинный период полураспада до альфа-распада из всех известных изотопов, который, по оценкам, в миллиард раз превышает возраст Вселенной.

Остаточная сильная сила эффективна на очень коротком расстоянии (обычно только несколько фемтометры (FM); примерно один или два диаметра нуклона) и вызывает притяжение между любой парой нуклонов. Например, между протоны и нейтроны сформировать [НП] дейтрон, а также между протонами и протонами, и нейтронами и нейтронами.

Ядра гало и пределы диапазона ядерных сил

Эффективный абсолютный предел диапазона ядерная сила (также известный как остаточный сильная сила ) представлен ядра гало Такие как литий-11 или бор-14, в котором динейтроны, или другие скопления нейтронов, орбита на расстояниях около 10 фм (примерно похоже на 8 фм радиус ядра урана-238). Эти ядра не являются максимально плотными. Ядра гало образуются на крайних краях диаграммы нуклидов - нейтронной и протонной - и все они нестабильны с короткими периодами полураспада, измеряемыми в миллисекунды; например, литий-11 имеет период полураспада 8,8 мс.

По сути, гало представляют собой возбужденное состояние с нуклонами на внешней квантовой оболочке, имеющей незаполненные энергетические уровни «ниже» (как по радиусу, так и по энергии). Гало может состоять из нейтронов [NN, NNN] или протонов [PP, PPP]. Ядра с одним нейтронным гало включают: ¹¹Быть и ¹⁹C. Двухнейтронное гало демонстрирует ⁶Он, ¹¹Ли, ¹⁷B, ¹⁹Группа ²²C. Двухнейтронные ядра гало распадаются на три фрагмента, а не на два, и называются Борромео ядра из-за такого поведения (имеется в виду система из трех взаимосвязанных колец, в которой разрыв любого кольца освобождает оба других). ⁸Он и ¹⁴Оба они демонстрируют четырехнейтронный гало. Ядра с протонным гало включают: ⁸Группа ²⁶P. Двухпротонное гало демонстрирует ¹⁷Ne и ²⁷S. Ожидается, что гало протонов будет более редким и нестабильным, чем примеры нейтронов, из-за отталкивающих электромагнитных сил избыточного протона (ов).

Ядерные модели

Хотя стандартная модель физики, как широко считается, полностью описывают состав и поведение ядра, делать предсказания на основе теории гораздо труднее, чем для большинства других областей физика элементарных частиц. Это связано с двумя причинами:

• В принципе, физика ядра может быть полностью выведена из квантовая хромодинамика (QCD). Однако на практике современные вычислительные и математические подходы к решению КХД в низкоэнергетических системах, таких как ядра, чрезвычайно ограничены. Это связано с фаза перехода что происходит между высокоэнергетическими кварк материя и низкоэнергетические адронный материя, которая оказывает пертурбативные техники непригодным для использования, что затрудняет построение точной модели силы между нуклонами. Современные подходы ограничиваются либо феноменологическими моделями, такими как потенциал Аргонна v18, либо киральная эффективная теория поля.^[17]
• Даже если ядерное взаимодействие хорошо ограничено, для точного вычисления свойств ядер требуется значительная вычислительная мощность. ab initio. События в теория многих тел сделали это возможным для многих маломассивных и относительно стабильных ядер, но необходимы дальнейшие улучшения как в вычислительной мощности, так и в математических подходах, прежде чем можно будет заняться тяжелыми ядрами или очень нестабильными ядрами.

Исторически эксперименты сравнивали с относительно грубыми моделями, которые неизбежно несовершенны. Ни одна из этих моделей не может полностью объяснить экспериментальные данные о структуре ядра.^[18]

В ядерный радиус (р) считается одной из основных величин, которую должна предсказывать любая модель. Для стабильных ядер (не ядер гало или других нестабильных искаженных ядер) ядерный радиус примерно пропорционален кубическому корню из массовое число (А) ядра, особенно в ядрах, содержащих много нуклонов, поскольку они располагаются в более сферических конфигурациях:

Стабильное ядро ​​имеет приблизительно постоянную плотность, и поэтому радиус ядра R можно аппроксимировать следующей формулой:

${displaystyle R = r_ {0} A ^ {1/3},}$

куда А = Атомный массовое число (количество протонов Z, плюс количество нейтронов N) и р₀ = 1,25 Фм = 1,25 × 10⁻¹⁵ м. В этом уравнении «константа» р₀ изменяется на 0,2 фм в зависимости от рассматриваемого ядра, но это изменение менее чем на 20% от постоянной.^[19]

Другими словами, упаковка протонов и нейтронов в ядре дает примерно тот же общий размер получается при упаковке твердых сфер постоянного размера (например, шариков) в плотный сферический или почти сферический мешок (некоторые стабильные ядра не совсем сферические, но, как известно, вытянутый ).^[20]

Модели ядерная структура включают :

Модель жидкой капли

Ранние модели ядра рассматривали ядро ​​как вращающуюся жидкую каплю. В этой модели компромисс дальнодействующих электромагнитных сил и относительно короткодействующих ядерных сил вместе приводит к поведению, напоминающему силы поверхностного натяжения в жидких каплях разных размеров. Эта формула успешно объясняет многие важные явления ядер, такие как изменение количества энергия связи по мере изменения их размера и состава (см. полуэмпирическая формула массы ), но он не объясняет особой стабильности, которая возникает, когда ядра имеют особые «магические числа» протонов или нейтронов.

Члены полуэмпирической формулы массы, которые можно использовать для аппроксимации энергии связи многих ядер, рассматриваются как сумма пяти типов энергий (см. Ниже). Тогда картина ядра как капли несжимаемой жидкости примерно объясняет наблюдаемое изменение энергии связи ядра:

Объемная энергия. Когда совокупность нуклонов одинакового размера упаковывается в наименьший объем, каждый внутренний нуклон имеет определенное количество других нуклонов, контактирующих с ним. Итак, эта ядерная энергия пропорциональна объему.

Поверхностная энергия. Нуклон на поверхности ядра взаимодействует с меньшим количеством других нуклонов, чем нуклон внутри ядра, и, следовательно, его энергия связи меньше. Этот член поверхностной энергии учитывает это, поэтому он отрицателен и пропорционален площади поверхности.

Кулон Энергия. Электрическое отталкивание между каждой парой протонов в ядре способствует уменьшению его энергии связи.

Асимметрия энергии (также называемый Паули Энергия). Энергия, связанная с Принцип исключения Паули. Если бы не кулоновская энергия, наиболее стабильная форма ядерной материи имела бы такое же количество нейтронов, что и протоны, поскольку неравное количество нейтронов и протонов подразумевает заполнение более высоких уровней энергии для одного типа частиц, в то время как более низкие уровни энергии остаются вакантными для другой тип.

Парная энергия. Энергия, которая представляет собой поправочный член, возникающий из-за тенденции появления пар протонов и пар нейтронов. Четное число частиц более стабильно, чем нечетное.

Модели оболочек и другие квантовые модели

Также был предложен ряд моделей ядра, в которых нуклоны занимают орбитали, как и атомные орбитали в атомная физика теория. Эти волновые модели представляют нуклоны либо безразмерными точечными частицами в потенциальных ямах, либо волнами вероятности, как в «оптической модели», вращающимися без трения с высокой скоростью в потенциальных ямах.

В приведенных выше моделях нуклоны могут занимать орбитали парами, так как они являются фермионами, что позволяет объяснить даже странно Z и N последствия хорошо известно из экспериментов. Точная природа и емкость ядерных оболочек отличаются от таковых электронов на атомных орбиталях, прежде всего потому, что потенциальная яма, в которой движутся нуклоны (особенно в более крупных ядрах), сильно отличается от центральной электромагнитной потенциальной ямы, которая связывает электроны в атомах. Некоторое сходство с моделями атомной орбиты можно увидеть в небольшом атомном ядре, таком как ядро гелий-4, в котором два протона и два нейтрона по отдельности занимают 1s-орбитали, аналогичные 1s-орбитали для двух электронов в атоме гелия, и достигают необычной стабильности по той же причине. Ядра с пятью нуклонами крайне нестабильны и недолговечны, однако, гелий-3 с 3 нуклонами очень устойчива даже при отсутствии замкнутой орбитальной оболочки 1s. Еще одно ядро ​​с тремя нуклонами, тритон водород-3 нестабилен и при изоляции распадается на гелий-3. Слабая ядерная стабильность с двумя нуклонами {NP} на 1s-орбитали обнаружена в дейтроне. водород-2, с одним нуклоном в каждой из протонных и нейтронных потенциальных ям. В то время как каждый нуклон является фермионом, дейтрон {NP} является бозоном и, следовательно, не следует исключению Паули для плотной упаковки внутри оболочки. Литий-6 с 6 нуклонами очень стабильна без замкнутой второй орбитали оболочки 1p. Для легких ядер с полным числом нуклонов от 1 до 6 только ядра с числом 5 не демонстрируют каких-либо признаков стабильности. Наблюдения бета-стабильности легких ядер вне закрытых оболочек показывают, что ядерная стабильность намного сложнее, чем простое замыкание оболочечных орбиталей с помощью магические числа протонов и нейтронов.

Для более крупных ядер оболочки, занятые нуклонами, начинают значительно отличаться от электронных оболочек, но, тем не менее, современная ядерная теория предсказывает магические числа заполненных ядерных оболочек как для протонов, так и для нейтронов. Закрытие стабильных оболочек предсказывает необычно стабильные конфигурации, аналогичные благородной группе почти инертных газов в химии. Примером может служить устойчивость замкнутой оболочки из 50 протонов, что позволяет банка иметь 10 стабильных изотопов, больше, чем любой другой элемент. Точно так же расстояние от закрытия оболочки объясняет необычную нестабильность изотопов, которые имеют далеко не стабильное количество этих частиц, таких как радиоактивные элементы 43 (технеций ) и 61 (прометий ), каждому из которых предшествует и следует 17 или более стабильных элементов.

Однако существуют проблемы с моделью оболочек, когда делается попытка учесть ядерные свойства вдали от закрытых оболочек. Это привело к сложному постфактум искажения формы потенциальной ямы, чтобы соответствовать экспериментальным данным, но остается вопрос, действительно ли эти математические манипуляции соответствуют пространственным деформациям в реальных ядрах. Проблемы с оболочечной моделью привели к тому, что некоторые предложили реалистичные двух- и трехчастичные ядерные силовые эффекты с участием кластеров нуклонов, а затем на этой основе построили ядро. Три таких кластерных модели - это модель 1936 г. Резонирующая структура группы модель Джона Уиллера Модель плотноупакованного сферона Линуса Полинга и 2D модель Изинга МакГрегора.^[18]

Согласованность между моделями

Как и в случае с сверхтекучий жидкий гелий, атомные ядра являются примером состояния, в котором применяются (1) «обычные» физические правила частиц для объема и (2) неинтуитивные квантово-механические правила для волновой природы. В сверхтекучем гелии атомы гелия имеют объем и по существу «касаются» друг друга, но в то же время проявляют странные объемные свойства, согласующиеся с Конденсация Бозе – Эйнштейна. Нуклоны в атомных ядрах также имеют волнообразную природу и не имеют стандартных свойств жидкости, таких как трение. Для ядер из адроны которые фермионы, Бозе-эйнштейновской конденсации не происходит, тем не менее, многие ядерные свойства могут быть объяснены аналогичным образом только комбинацией свойств частиц с объемом, в дополнение к движению без трения, характерному для волнообразного поведения объектов, захваченных в ловушку. Эрвин Шредингер с квантовые орбитали.

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

• Ядро - глава из онлайн-учебника
• ЖИВАЯ карта нуклидов - МАГАТЭ в Ява или HTML
• Статья о «модели ядерной оболочки» с описанием наполнения ядерной оболочки для различных элементов.. По состоянию на 16 сентября 2009 г.
• Хронология: Субатомные концепции, Ядерная наука и технологии.