В реальном физическом мире связи между явлениями и предметами настолько разнообразны, что охватить их все невозможно не только в практическом, но и в теоретическом принципиальном понимании. Теоретическое понимание обусловлено неисчерпаемостью свойств материи.
Поэтому при построении моделей принимают во внимание только существенные для определенного круга явлений свойства и связи. Изъятие всего несущественного для определенного явления является важнейшим элементом физического исследования.
Учет только существенных факторов сводится к абстрагированию от реальной ситуации и построения модели в пределах принятых абстракций. Модели, использующие, являются приближенными. их справедливость может быть обеспечена только в пределах годности используемых абстракций. За этими пределами модель может быть непригодной и даже бессмысленной. Поэтому на каждом этапе физического исследования важно понимать, почему применяется именно та модель, а не другая. Следует отметить, что один и тот же физический объект в различных ситуациях можно описывать разными моделями.
Способность к насыщению ядерных сил и связанная с ней малая сжимаемость ядерного вещества стали основой для введения в 30-х годах К. Вейцзекером капельной модели ядра атома, по которой масса атомных ядер исчислялась как масса электрически заряженной капли.
Появление модели жидкой капли Вейцзекер относится к периоду, когда уже были известны значения масс для достаточно большого количества атомных ядер, что позволило проверить ее пригодность для достаточно широкого диапазона масс. Одним из удачных применений этой модели было объяснение на ее основе процесса разделения атомных ядер Н. Бором и Дж. Уилер и независимо от них Я. И. Френкелем. Процесс разделения атомных ядер они рассматривали как разрыв электрически заряженной капли на две капли меньшего размера.
Значительный шаг вперед в выяснении строения ядер было сделано вследствие вычисления энергии связи ядер, то есть энергии, необходимой для полного их расщепление на составляющие частицы. Важный вывод из этих вычислений заключается в том, что энергия связи, приходящаяся на одну внутриядерных частицу, почти одинакова для всех ядер. Для не очень легких и не очень тяжелых ядер она составляет около 8 МэВ на один нуклон. Радиус действия ядерных сил очень мал, поэтому каждый нуклон взаимодействует практически только со своими ближайшими соседями. Эти и другие факты позволили приравнять ядро атома до капли жидкости, в которой частицы также взаимодействуют только с ближайшими соседями. Толкование атомных ядер как капель ней-тронной-протонной жидкости оправдано прежде всего тем, что плотность «ядерного вещества» примерно одинакова для всех элементов. Для любой жидкости характерно, что энергия межмолекулярного связи, рассчитанная на одну частицу, почти не зависит от размеров капли, если только капля не слишком мала. Это также свойственно и ядрам: энергия внутриядерных связи на один нуклон для всех не очень легких ядер мало отличается. Для всех обычных жидкостей радиус действия межмолекулярных сил по порядку величины близок к среднего расстояния между частицами.
Радиус действия внутриядерных сил близок к расстоянию между нуклонами: внутриядерные силы проявляют свое действие только на расстояниях, меньших 10 ~ 15 м. Наконец, для частиц обычных жидкостей свойственна большая подвижность, несмотря на их компактное размещение.
Так же и в атомных ядрах, несмотря на их большую плотность, нуклоны полной мере сохраняют свою подвижность. Приравнивая атомные ядра до капель нейтронно-протонной жидкости, процесс выбрасывания из ядра частиц при ядерных превращениях можно рассматривать как явление, аналогичное испарению молекул из капли жидкости. Однако, несмотря на эти аналогии, следует помнить, что ядерные и молекулярные явления принципиально разные. Так, силы молекулярного взаимодействия по своей физической природе силами электромагнитного взаимодействия, тогда как ядерные силы - специфические силы, которые нельзя отнести к электромагнитным. В отличие от обычной жидкости «ядерная жидкость * является смесью двух" жидкостей ": протонной и нейтронной. При этом движение молекул в жидкости можно описать в рамках классических представлений, а движение нуклонов в ядре имеет квантовый характер. Несмотря на это принципиальное различие молекулярных и ядерных явлений, некоторые ядерные процессы и свойства объяснено аналогично динамике жидкой капли. Полученные результаты во многих случаях хорошо согласуются с опытом.
В 1939 p. Н. Бор, опираясь на капельную модель, создал теорию деления ядер под действием нейтронов. Нейтрон не имеет заряда и поэтому, беспрепятственно входя в ядро, отдает ему свою энергию. Такую передачу энергии можно рассматривать как интенсивный нагрев капли. При этом ядро переходит в возбужденное состояние. По мнению Н. Бора, первая стадия столкновения частицы с ядром заключается в возникновении промежуточного ядра, образованного начальным ядром и частицей, которая с ним столкнулась. Это промежуточное ядро, как правило, является неустойчивым, напивста-стабильно. Под воздействием энергии нейтрона промежуточное ядро - капля электрически заряженной ядерной жидкости - начинает пульсировать и разрывается на две примерно равные части.
Излучение а-частиц при естественной радиоактивности можно рассматривать как отделение капельки нейтронно-протонной жидкости от более крупной капли, а-части, вылетающие не содержатся как обособленные частицы в ядре, они формируются при радиоактивном превращении. Это формирование а-частицы, ее «испарение» или отрыв от поверхности ядра приводят к уменьшению его энергии. Однако отрыва а-частицы от ядра препятствует энергетический барьер, создаваемый повышенными значениями энергии промежуточных состояний, предшествующих отделению а-частицы от ядра. Высотой этого барьера и небольшой вероятностью проникновения а-частицы через него объясняется огромный полупериод а-распада для урана (4,5 109 лет).
Итак, капельная модель ядра позволила объяснить многие установленных явлений.
Дальнейшие эксперименты в области изучения свойств ядер привели к открытиям, которые нельзя объяснить капельной модели. Существуют факты, которые даже противоречат ей. Одним из таких фактов является обнаруженная периодичность в свойствах атомных ядер, выраженная, правда, не столь четко, как в атомах, однако может рассматриваться как доказательство существования ядерных оболочек и определенной периодичности в застройке их.
Отдельные догадки о существовании в ядрах оболочек протонов и электронов высказанные в 1924-1928 pp., Еще до открытия нейтронов. Правда, аналогия нуклонных оболочек в ядре и электронных оболочек в атоме сугубо внешней. Действительно, электроны в атоме движутся в электрическом поле ядра и соседних электронов, которое можно рассматривать как центральное кулоновское поле. Нуклоны же в ядре движутся в ядерном поле, которое имеет нецентральных характер.
Оболочечная модель ядра некоторой степени противоположная капельной. По капельной модели, нуклоны в ядре движутся хаотически, испытывают частых столкновений и не могут длительное время находиться в определенных энергетических состояниях. По оболочечной же модели, нуклоны движутся почти независимо. При этом они находятся в определенных энергетических состояниях.
Идея о ядерных оболочки основывается на том, что нуклон свойственны механический и магнитный моменты. К тому же атомные ядра могут находиться в возбужденных состояниях и при переходе в основное состояние излучают у-кванты. Это дает основание говорить об энергетических состояния нуклонов в атомных ядрах и ввести для характеристики этих состояний квантовые числа - главное пя и орбитальное Ия. Итак, подобно электронов в атоме, нуклоны в ядрах образуют оболочки и под-оболочки. При этом модель предполагает наличие в ядре двух систем нуклонных состояний: одна - для протонов, вторая - для нейтронов, которые заполняются независимо друг от друга. Следует ожидать, что ядра с заполненными нуклонных оболочками, подобно атомов с заполненными электронными оболочками, характеризоваться повышенной устойчивостью. Это предсказание в модели ядерных оболочек согласуется с установленными на опыте фактами. Так, анализ свойств известных ядер показал, что наиболее устойчивыми являются ядра, в которых числа протонов или нейтронов равны 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и 152 (цифры 126 и 152 принадлежат к нейтронов). Эти числа назвали магическими.
Была предпринята попытка получить магические числа, исходя из представлений о оболочечную модель ядра. При этом сначала исходили из полной аналогии между электронами в атоме и нуклонами в ядре. Тогда состояние нуклона в ядре характеризоваться четверкой квантовых чисел ля, Ия 9 77ия, вя (главное, орбитальное, магнитное, спиновое, индекс «я» означает ядро), а число нуклонов в заполненной оболочке рассчитываться по формуле 2пя. Зная числа нуклонов в заполненных оболочках, соответствующие разным значениям главного квантового числа пя, нетрудно определить и суммарные числа нуклонов в таких ядрах. Такие вычисления были проведены. При этом получили значение, не всегда совпадающие с магическими числами. Позже расчеты, проведенные М. Гепперт-Майер на основе оболочечной модели ядра с учетом спинорбитального связи (зависимости ядерного взаимодействия от взаимной ориентации спина и орбитального момента движения нуклона), привели к результатам, которые подтверждаются опытом.
Атомные ядра, в которых число протонов или число нейтронов совпадает с одним из магических чисел, называют магическими ядрами. Наиболее устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых и числа нейтронов, и числа протонов соответствуют магическому числу. Есть ядра, для которых магические числа нейтронов и протонов совпадают: 2 Не (2 нейтроны и 2 протоны), lgO (8 протонов и 8 нейтронов), 2 $ Са (20 протонов и 20 нейтронов).
В отличие от капельной модели, которая преимущественно применяется для возбужденных состояний атомных ядер, оболочечная модель справедлива для основного или мало возбужденных состояний ядер. Физической основой оболочечной модели является принцип Паули, ведь в основном состоянии все низкие уровни заняты, поэтому ни один нуклон не может отдать энергию (так никуда переходить), но способен достать ее и перейти на любой высокий энергетический уровень.
Кроме капельной и оболочечной существует еще несколько моделей атомных ядер, с помощью которых можно описать различные свойства ядер. Однако оболочечная модель позволяет описать как можно больше экспериментальных данных с единой точки зрения. Ее авторам М. Гепперт-Майер (США) и X. Иенсена (ФРГ) присуждена Нобелевская премия по физике за 1963 Строгое теоретическое обоснование оболочечной модели ядра и ее дальнейшее развитие принадлежит советскому ученому А. Б. Мигдал.
Загрузка...