Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
75
то, в соответствии со сказанный выше, точки расположатся вдоль широкой полосы (рис. 35А). Чем дальше ядро отстоит от центральной области этой полосы, тем более оно нестабильно.
36. Эксперименты показали, что ядро в первом приближении можно считать сферой, радиус которой
гжгаА113, где г0«1,2-Ю~13 см» 1,2 ферми (36а)
(единица 10~13 см часто используется в ядерной физике в качестве единицы длины; она названа ферхми в честь Энрико Ферми). Объем ядра пропорционален г3, а следовательно [см. формулу (36а)], пропол i л j лллзл массовому числу А. Отсюда мы делаем заключение. что п юшость ядерного вещества приблизительно постоянна.
Многочисленные экспериментальные методы позволили определить размеры ядра. Наиболее прямой из них заключается в измерении эффективной поверхности поперечного сечения, которую образует ядро для пучка частиц высокой энергии в опытах по рассеянию.
37. Попытаемся дать характеристику тех главных свойств ядерных сил, которые удерживают протоны и нейтроны в пределах ядра. Эксперименты показали следующее.
1)'Ядерные силы невозможно свести к силам электромагнитной природы. Они гораздо больше электромагнитных сил.
2) Радиус действия ядерных сил мал. Он не превышает 10-12 см. Поэтому их называют короткодействующими силами.
3) Ядерные силы между двумя протонами и двумя нейтронами равны. Кроме того, ядерные силы, действующие между двумя протонами, имеют ту же природу, что и силы, действующие между протоном и нейтроном. Можно было "бы сказать, что они просто равны, но эго утверждение требует пояснений.
Экспериментальные доказательства трех перечисленных утверждений следуют из опытов по рассеянию нуклонов, а также из систематического изучения энергетических уровней стабильных и радиоактивных ядер. Так, короткодействующий характер ядерных сил можно подтвердить следующим образом. Направим на ядра полученный на ускорителе пучок протонов большой энергии и убудем изучать их рассеяние. Когда протоны находятся далеко от ядра (на расстоянии 10-11—10~12 см), единственной силой, действующей на них, является кулоновское отталкивание. Это отталкивание не дает протонам приблизиться к зоне действия ядерных сил, если только энергия протонов не очень велика. Поэтому, если утверждение о малом радиусе действия ядерных сил справедливо, то протоны (или другие заряженные частицы, например а-частицы в опыте Резерфорда) не слишком большой энергии будут рассеиваться так, как 'если бы "кулоновское отталкивание было единственной, испытываемой ими силой. Таким образом, второе утверждение можно проверить с помощью опытов по рассеянию. Эти опыты подтверждают короткодействующий характер ядерных сил.
76
Поскольку протоны заряжены, то на них могут действовать также электромагнитные силы, а два протона в ядре, несомненно, испытывают кулоновское отталкивание. На расстояниях, много больших 10“12 см, остаются практически одни лишь электромагнитные силы, а на малых расстояниях преобладают ядерные силы. Электромагнитные силы играют некоторую роль в строении ядра, но роль эта второстепенная.
К сказанному необходимо добавить, что электроны совершенно не испытывают действия ядерных сил. На них действуют лишь электромагнитные силы.
38. Рассмотрим некоторые следствия из короткодействующего характера ядерных сил. Согласно современным представлениям о характере этих сил, эффективный потенциал взаимодействия между двумя нуклонами для расстояний г, больших 10“13 см, можно представить функцией *)
f/(r)«c?ex р(—?¦). (38а)
Константа b задает порядок радиуса действия сил; ее значение Ь — 1,4-Ю-13 см. Константа С определяет значение силы. Природа сил на расстояниях, меньших 10-13 см, оказывается более сложной. Ее нельзя выразить потенциалом (38а).
Следует иметь в виду, что функция U (г) не дает точного описания взаимодействия между двумя нуклонами. Она передает, однако, наиболее существенное свойство этого взаимодействия, а именно экспоненциальное падение потенциала с расстоянием.
Посмотрим, что означает такое падение. На расстоянии г=Ь мы имеем U (Ь)—С/е. (Эта величина порядка 10 МэВ.) Когда расстояние увеличивается до г=\0Ь = \ ,4 ¦ 10-12 см, потенциал принимает значение U(10Ь)=0,1Сехр (—10)л<5-10~® С, а на расстоянии г=1006=1,4-10-11 см потенциал равен
?/ (1006; = 0,01 Сехр(—100)«10-,3С.
Этот численный пример показывает, что ядерными силами можно практически полностью пренебречь, если расстояние между нуклонами превосходит 10-11 см. Читателю следует тщательно обдумать выражение (38а). На первый взгляд этот потенциал напоминает кулоновский, однако, как видно из нашего примера, экспоненциальный множитель коренным образом-меняет ситуацию.
Благодаря такому свойству ядерных сил они не играют практически никакой роли в молекулах и твердых телах. Здесь все явления почти полностью определяются электромагнитными силами. На малых расстояниях (г ~ 10-1э см) ядерные силы значительно превосходят электромагнитные и роль последних становится второстепенной. Справедливость этого утверждения непосредственно следует из самого факта существования ядер. Электростатические силы отталкивания стремятся растолкать протоны
