Forze nucleari: proprietà. Tra quali particelle operano le forze nucleari?

26/03/2019

In fisica, il termine "forza" si riferisce alla misura dell'interazione delle formazioni materiali tra loro, compresa l'interazione di parti di una sostanza (corpi macroscopici, particelle elementari) tra loro e con campi fisici (elettromagnetici, gravitazionali). In totale, ci sono quattro tipi di interazioni in natura: forti, deboli, elettromagnetici e gravitazionali, e ognuno ha il suo tipo di forze. Il primo di questi corrisponde a forze nucleari che operano all'interno di nuclei atomici.

Cosa unisce i core?

È noto che il nucleo di un atomo è piccolo, le sue dimensioni sono dell'ordine di 4-5 decimali più piccole delle dimensioni dell'atomo stesso. A questo proposito, sorge la domanda ovvia: perché è così piccolo? Dopo tutto, gli atomi composti da minuscole particelle sono ancora molto più grandi delle particelle che contengono.

Al contrario, i nuclei non hanno dimensioni molto diverse dai nucleoni (protoni e neutroni) da cui sono fatti. C'è una ragione per questo o è un incidente? forze nucleari del nucleo atomico

Nel frattempo, è noto che sono le forze elettriche che mantengono gli elettroni carichi negativamente vicino ai nuclei atomici. Quale tipo di forza o forza tiene insieme le particelle del nucleo? Questo compito è svolto dalle forze nucleari, che sono una misura di forti interazioni.

Forte interazione nucleare

Se nella natura c'erano solo forze gravitazionali ed elettriche, cioè quelli che incontriamo nella vita di tutti i giorni, i nuclei atomici, spesso costituiti da molti protoni carichi positivamente, sarebbero instabili: le forze elettriche che spingono i protoni a parte sarebbero molte milioni di volte più forti di tutte le forze gravitazionali che li attraggono ad un amico Le forze nucleari forniscono un'attrazione persino più forte della repulsione elettrica, sebbene solo l'ombra della loro vera grandezza si manifesti nella struttura del nucleo. Quando studiamo la struttura dei protoni e dei neutroni stessi, vediamo le vere possibilità del fenomeno noto come forte interazione nucleare. Le forze nucleari sono la sua manifestazione.

forze nucleari

La figura sopra mostra che le due forze opposte nel nucleo sono la repulsione elettrica tra i protoni caricati positivamente e la forza dell'interazione nucleare, che attrae insieme i protoni (ei neutroni). Se il numero di protoni e neutroni non è troppo diverso, allora le seconde forze sono superiori alla prima.

I protoni sono analoghi di atomi ei nuclei sono analoghi di molecole?

Tra quali particelle operano le forze nucleari? Prima di tutto, tra i nucleoni (protoni e neutroni) nel nucleo. Alla fine, agiscono anche tra particelle (quark, gluoni, antiquark) all'interno di un protone o neutrone. Ciò non sorprende quando riconosciamo che protoni e neutroni sono internamente complessi.

Nell'atomo, i nuclei minuscoli e gli elettroni ancora più piccoli sono relativamente distanti l'uno dall'altro rispetto alle loro dimensioni e le forze elettriche che li mantengono nell'atomo sono abbastanza semplici. Ma nelle molecole, la distanza tra gli atomi è paragonabile alla dimensione degli atomi, così che entra in gioco la complessità interna di questi ultimi. La diversa e complessa situazione causata dalla compensazione parziale delle forze elettriche intra-atomiche genera processi in cui gli elettroni possono effettivamente passare da un atomo all'altro. Questo rende la fisica delle molecole molto più ricca e complessa di quella degli atomi. Allo stesso modo, la distanza tra protoni e neutroni in un nucleo è paragonabile alla loro dimensione - e anche, come con le molecole, le proprietà delle forze nucleari che tengono insieme i nuclei sono molto più complicate della semplice attrazione di protoni e neutroni.

Nessun nucleo senza un neutrone, ad eccezione dell'idrogeno

È noto che i nuclei di alcuni elementi chimici sono stabili, mentre per altri decadono continuamente e il range di velocità di questo decadimento è molto ampio. Perché, allora, le forze che tengono i nucleoni nei nuclei fermano la loro azione? Vediamo cosa possiamo imparare da semplici considerazioni sulle proprietà delle forze nucleari.

Uno di questi è che tutti i nuclei, ad eccezione dell'isotopo di idrogeno più comune (che ha un solo protone), contengono neutroni; cioè, non c'è un nucleo con diversi protoni che non contengano neutroni (vedi la figura sotto). Quindi è chiaro che i neutroni svolgono un ruolo importante nell'aiutare i protoni a restare uniti. forze nucleari della struttura nucleare

Nella fig. Quanto sopra mostra nuclei leggeri stabili o quasi stabili insieme a un neutrone. Quest'ultimo, come il trizio, è mostrato da una linea tratteggiata, a indicare che alla fine si disgregano. Altre combinazioni con un piccolo numero di protoni e neutroni non formano affatto nuclei o formano nuclei estremamente instabili. Anche in corsivo sono indicati nomi alternativi spesso dati ad alcuni di questi oggetti; Ad esempio, il nucleo di elio-4 viene spesso chiamato la particella α, il nome che gli viene dato quando fu scoperto per la prima volta nei primi studi sulla radioattività del 1890.

Neutroni come pastori di protoni

Al contrario, non esiste un nucleo fatto solo di neutroni senza protoni; la maggior parte dei nuclei leggeri, come l'ossigeno e il silicio, hanno circa lo stesso numero di neutroni e protoni (Figura 2). I grandi nuclei con grandi masse, come l'oro e il radio, hanno un numero leggermente maggiore di neutroni rispetto ai protoni.

Dice due cose:

1. Non solo i neutroni sono necessari per far aderire i protoni, ma anche i protoni sono necessari per tenere insieme i neutroni.

2. Se il numero di protoni e neutroni diventa molto grande, allora la repulsione elettrica dei protoni dovrebbe essere compensata dall'aggiunta di molti altri neutroni.

L'ultima affermazione è illustrata nella figura seguente. forze nucleari del nucleo atomico

La figura sopra mostra nuclei atomici stabili e quasi stabili in funzione di P (numero di protoni) e N (numero di neutroni). La linea mostrata da punti neri indica nuclei stabili. Qualsiasi spostamento dalla linea nera verso l'alto o verso il basso significa una diminuzione della vita dei nuclei - vicino ad esso, la vita dei nuclei è di milioni di anni o più, mentre le regioni blu, marrone o gialla si spostano verso l'interno (i colori diversi corrispondono a diversi meccanismi di decadimento nucleare) la loro durata si accorcia, fino a una frazione di secondo.

Si noti che i nuclei stabili hanno P e N, che sono approssimativamente uguali per le piccole P e N, ma N diventa gradualmente più di P più di una volta e mezzo. Si noti inoltre che il gruppo di nuclei instabili stabili e longevi rimane in una banda abbastanza ristretta per tutti i valori di P fino a 82. Con un numero maggiore di essi, i nuclei conosciuti sono in principio instabili (sebbene possano esistere milioni di anni). Apparentemente, il meccanismo sopra menzionato per la stabilizzazione dei protoni nei nuclei mediante l'aggiunta di neutroni a questi in questa regione non ha un'efficienza del cento per cento.

Come la dimensione di un atomo dipende dalla massa dei suoi elettroni.

Come influiscono le forze in questione la struttura del nucleo atomico? Le forze nucleari influenzano principalmente le sue dimensioni. Perché il nucleo è così piccolo rispetto agli atomi? Per scoprirlo, iniziamo dal nucleo più semplice, che ha sia un protone che un neutrone: è il secondo isotopo più comune dell'idrogeno, il cui atomo contiene un elettrone (come tutti gli isotopi dell'idrogeno) e un nucleo di un protone e un neutrone. Questo isotopo è spesso chiamato "deuterio", e il suo nucleo (vedi Figura 2) è talvolta chiamato "deuterone". Come possiamo spiegare cosa tiene insieme il deuterone? Bene, puoi immaginare che non è così diverso dall'atomo dell'idrogeno ordinario, che contiene anche due particelle (protone ed elettrone). struttura nucleare delle forze nucleari

Nella fig. sopra si mostra che nell'atomo di idrogeno il nucleo e l'elettrone sono molto distanti l'uno dall'altro, nel senso che l'atomo è molto più grande del nucleo (e l'elettrone è ancora più piccolo). Ma nel deuterone la distanza tra il protone e il neutrone è paragonabile alla loro dimensione. Questo spiega in parte perché le forze nucleari sono molto più complesse delle forze in un atomo.

È noto che gli elettroni hanno una piccola massa rispetto ai protoni e ai neutroni. Ne consegue

  • la massa di un atomo è essenzialmente vicina alla massa del suo nucleo,
  • la dimensione dell'atomo (essenzialmente la dimensione della nuvola di elettroni) è inversamente proporzionale alla massa degli elettroni e inversamente proporzionale alla forza elettromagnetica totale; Il principio di indeterminazione della meccanica quantistica gioca un ruolo cruciale.

E se le forze nucleari sono simili all'elettromagnetismo

E il deuteron? Come l'atomo, è fatto di due oggetti, ma sono quasi la stessa cosa. masse (masse i neutroni e i protoni differiscono solo in parti di circa una parte del 1500), così che entrambe le particelle sono ugualmente importanti nel determinare la massa del deuterone e le sue dimensioni. Supponiamo ora che una forza nucleare estrae un protone verso un neutrone proprio come le forze elettromagnetiche (non è proprio il caso, ma immagina per un momento); e quindi, per analogia con l'idrogeno, ci aspettiamo che la dimensione del deuterone sia inversamente proporzionale alla massa del protone o del neutrone, ed inversamente proporzionale all'entità della forza nucleare. Se la sua grandezza fosse la stessa (ad una certa distanza) di quella di una forza elettromagnetica, allora questo significherebbe che dal momento che il protone è circa 1850 volte più pesante di un elettrone, allora il deuterone (e in effetti qualsiasi nucleo) deve essere almeno mille volte più piccolo rispetto all'idrogeno.

Che cosa spiega la differenza significativa tra forze nucleari ed elettromagnetiche

Ma abbiamo già intuito che la forza nucleare è molto più elettromagnetica (alla stessa distanza), perché se non fosse così, non sarebbe in grado di impedire la repulsione elettromagnetica tra i protoni fino al decadimento del nucleo. Quindi il protone e il neutrone sotto la sua azione si avvicinano ancora di più. E quindi non sorprende che il deuterone e altri nuclei non siano solo un migliaio, ma centomila volte più piccoli degli atomi! Di nuovo, questo è solo perché

  • protoni e neutroni sono quasi 2000 volte più pesanti degli elettroni,
  • a queste distanze, una grande forza nucleare tra protoni e neutroni nel nucleo è molte volte maggiore delle corrispondenti forze elettromagnetiche (compresa la repulsione elettromagnetica tra i protoni nel nucleo).

Questo ingenuo indovina fornisce la risposta corretta! Ma questo non riflette pienamente la complessità dell'interazione tra protone e neutrone. Uno dei problemi ovvi è che una forza simile a quella elettromagnetica, ma con una maggiore capacità di attrazione o repulsione, dovrebbe evidentemente manifestarsi nella vita di tutti i giorni, ma non osserviamo nulla di simile. Quindi, qualcosa in questo potere deve essere diverso dalle forze elettriche.

Energia nucleare a corto raggio

Ciò che li distingue è che le forze nucleari che mantengono il decadimento del nucleo atomico sono molto importanti e grandi per protoni e neutroni che si trovano a una distanza molto breve tra loro, ma a una certa distanza (il cosiddetto "raggio" di forza), cadono molto veloce, molto più veloce di quello elettromagnetico. La gamma, si scopre, può anche avere le dimensioni di un nucleo moderatamente grande, solo molte volte più grande di un protone. Se posizioni un protone e un neutrone a una distanza paragonabile a questo intervallo, si attrarranno l'un l'altro e formeranno un deton; se sono ridotti a una distanza maggiore, difficilmente sentiranno alcuna attrazione. Infatti, se sono posizionati troppo vicini l'uno all'altro, in modo che inizino a sovrapporsi, allora si respingono l'un l'altro. È qui che si manifesta la complessità di una cosa come le forze nucleari. La fisica continua ad evolversi nella direzione di spiegare il meccanismo della loro azione.

Meccanismo fisico dell'interazione nucleare

Qualsiasi processo materiale, compresa l'interazione tra nucleoni, dovrebbe avere gli stessi supporti materiali. Sono quanta-pioni del campo nucleare (pioni), a causa dello scambio di cui esiste un'attrazione tra i nucleoni.

Secondo i principi della meccanica quantistica, i mesoni pi, che di tanto in tanto appaiono e scompaiono immediatamente, formano attorno a un nucleone "nudo" qualcosa come una nuvola, chiamato un cappotto mesonico (si pensi alle nuvole di elettroni negli atomi). Quando due nucleoni, circondati da tali strati, si trovano a una distanza di circa 10-15 m, i pioni vengono scambiati come elettroni di valenza negli atomi quando si formano le molecole e si verifica un'attrazione tra i nucleoni.

Se le distanze tra i nucleoni diventano inferiori a 0,7 ∙ 10 -15 m, allora iniziano a scambiare nuove particelle - le cosiddette. ω e ρ-mesoni, in conseguenza della quale non avviene la repulsione tra i nucleoni, ma l'attrazione. forze nucleari di interazione nucleare

Forze nucleari: la struttura del nucleo dal più semplice al più grande

Riassumendo tutto quanto sopra, possiamo notare:

  • l'interazione nucleare forte è molto, molto più debole dell'elettromagnetismo a distanze molto più grandi delle dimensioni di un nucleo tipico, così da non incontrarlo nella vita di tutti i giorni; ma
  • a brevi distanze, paragonabile al nucleo, diventa molto più forte - la forza di attrazione (purché la distanza non sia troppo corta) è in grado di superare la repulsione elettrica tra i protoni.

Quindi, questa forza è importante solo a distanze paragonabili alle dimensioni del nucleo. La figura seguente mostra una sua dipendenza dalla distanza tra i nucleoni. fisica delle forze nucleari

I grandi nuclei sono tenuti insieme con l'aiuto di più o meno la stessa forza che tiene insieme il deuterone, ma i dettagli del processo sono complicati, quindi non è facile descriverli. Inoltre non sono completamente compresi. Sebbene le linee fondamentali della fisica nucleare siano state ben studiate per decenni, molti dettagli importanti sono ancora oggetto di indagini approfondite.