Transcript Nuklearna sila

O nuklearnim silama
OTKRIĆE NUKLEARNE SILE



Hideki YUKAWA, japanski fizičar
Najznačajniji je njegov rad o nuklearnim silama
(1935)
Nobelova nagrada za fiziku 1949 god.
VRSTE SILA




Gravitaciona sila
Elektromagnetna sila
Slaba nuklearna sila
Jaka nuklearna sila
GRAVITACIONA SILA





Najslabija sila u prirodi.
Djeluje između svih čestica.
Uvijek je privlačna.
Dejstvo se primjećuje svuda oko nas.
Za faktor 1035 je manja od elektrostatičke pa se
zanemaruje u proračunima u nuklearnoj fizici.
ŠEMATSKI PRIKAZ GRAVITACIONE SILE
ELEKTROMAGNETNA SILA




Druga sila po jačini.
Dejstvo ove sile zapažamo gotovo svuda u
svakodnevnom životu.
Dejstva ove sile najvidljivija u životu na Zemlji.
100 puta je slabija od Jake nuklearne sile.
ŠEMATSKI PRIKAZ ELEKTROMAGNETNE SILE
SLABA NUKLEARNA SILA



Njena jačina je 10 milijardi puta manja od jačine
elektromagnetne sile.
Radijus njenog dejstva je hiljadu puta manji od
dejstva radijusa jake nuklearne sile.
Odgovorna je za pojavu tzv. beta raspada
nastanak beta-čestica iz atomskih jezgara.
JAKA NUKLEARNA SILA








Najjača sila u prirodi.
Djeluje među česticama u atomskim jezgrima.
Ne primećujemo je u svakodnevnom životu.
Osnovne karakteristike nuklearnih sila su:
1) vladaju između nukleona bez obzira da li su to pp, nn ili pn
2) ne zavise od naboja
3) imaju osobinu ZASIĆENJA
Njihovo privlačno djelovanja počinje tek na rastojanju od 2-3fm,
KARAKTERISTIKE SILA
Međudjelovanje
Jako
Trenutna
teorija
Prenosnici
Relativna
jačina
Zavisnost o
udaljenosti
Kvantna
kromodinamik
a (QCD)
gluoni
1038
1
fotoni
1036
1/r2
Quantum
W i Z bozoni
flavourdynami
cs (GWS)
1025
e-mw,zr/r
Opća teorija
relativnosti
(GR, nije kvantna
teorija.)
1
1/r2
Elektromagnet Kvantna
sko
elektrodinami
ka (QED)
Slabo
Gravitaciono
gravitoni
ZAKLJUČAK




Nuklearne sile nisu centralne.
Nuklearne sile imaju svojstvo zasićenosti.
Nuklearne sile su kratkog dometa.
Nuklearne sile su nezavisne od naelektrisanja.
NUKLEARNE SILE IMAJU SVOJSTVO ZASIĆENOSTI
Nuklearne sile


Ugaona raspodjela neutrona koji se klasično rasijava na
protonima.
Neutron + proton (np) i proton + proton (pp) elastično.
Nuklearni potencijal
Nuklearne sile


Stabilnost elemenata u prirodi govori da mora postojati sila mnogo
većeg intenziteta od elektrostatičke sile među protonima u jezgru.
Elektrostatička potencijalna energija samo dva protona koji su na
rastojanju r=10-15 m iznosi:

Ep= e2/4¶ε0r = +1,44 MeV

Osnovne karakteristike nuklearnih sila su:
1) vladaju između nukleona bez obzira da li su to pp, nn ili pn
2) ne zavise od naboja
3) imaju osobinu ZASIĆENJA
Njihovo privlačno djelovanja počinje tek na rastojanju od 2-3fm,




Nuklearne sile







Internuklearni potencijal ima “tvrdu koru” koja sprječava nukleone da
priđu jedan drugom na rastojanje manje od oko 0.4 fm.
Proton ima radijus naboja do 1 fm.
Dva nukleona na rastojanju oko 2 fm “osjećaju” privlačnu silu.
Nuklearna sila (kratkog dometa):
Pada na nulu naglo sa povećanjem međučestičnog rastojanja.
Unutrašnji nukleoni su potpuno opkoljeni drugim nukleonima sa
kojima intereaguju.
Jedina razlika između np i pp potencijala je Kulonov potencijal koji
postoji za r ≥ 3 fm za pp silu.
Nuklearne sile





Poznato je da je nuklearna sila zavisna od spina.
Spinovi neutrona i protona su paralelni za vezana stanja
deuterona, ali nema vezanog stanja ako su spinovi antiparalelni.
nn sistem je mnogo teže istraživati jer slobodni neutroni nisu
stabilni.
Nuklearni potencijal između dva nukleona je nezavistan od
njihovog naboja .
Termin nukleon se odnosi bilo na protone ili neutrone jer se
neutroni i protoni mogu smatrati različita stanja po naboju iste
čestice.
Nuklearna stabilnost




U periodnom sistemu elemenata ima
nešto više od 100 različitih
elemenata.
Nuklearna fizika poznaje nešto više
od 260 stabilnih jezgara, dakle na
svaki element u prosjeku otpada po
2,5 izotopa. Naravno, ta raspodjela
nije ravnomjerna.
Uočena je tendencija nukleona da se
uparuju: od 264 stabilna nuklida čak
njih 158 ima paran broj protona Z i
paran broj neutrona N, 49 ima
neparan Z i paran N a samo četiri
elementa imaju neparno i Z i N
U prirodi ne postoje teža jezgra od
jezgra. Ako su ikada i postojali mora
da su se raspala tako brzo da od njih
nisu preostali mjerljivi iznosi.
Nuklearna stabilnost


Linija koja predstavlja stabilne nuklide zove se linija stabilnosti.
Utvrđeno je da za A ≤ 40, priroda voli da je broj protona i
neutrona približno isti Z ≈ N.
Međutim, za A ≥ 40, postoji jasna nadmoć za neutrone N > Z
pošto je nuklearna sila nezavisna od toga da li su čestice nn, np,
ili pp.

Kako broj protona raste, Kulonova sila između svih protona
postaje jača sve dok konačno ne počne da bitno utiče na vezu.

Rad potreban da se naboj unese u sferu iz beskonačnosti je:
Nuklearna stabilnost

Za pojedinačni proton je,

Ukupna Kulonova energija odbijanja u jezgru je



Za teški nukleus važno je da ima manje protona od neutrona radi
jake odbojne Kulonove energije.
Većina stabilnih nuklida ima parne i Z i N (takozvani parni-parni
nuklidi).
Samo četiri stabilna nuklida imaju neparni Z i neparni N (nepar-nepar
nuklidi).
Energija veze po nukleonu


Ovaj dijagram se koristi da
se uporedi relativna stabilnost
raznih nukleona. On ima
maksimum blizu A = 56.
Krivulja naglo raste
demonstrirajući efekat ekraniranja
nuklearne sile.
Na njoj imamo oštre pikove za
čvrsto vezane par-par nuklide
4He, 12C, i 16O
Nuklearni modeli

Dijagrami energetskih nivoa za 12C i 16O.

Oba su stabilna jer su par-par nukleusi.
Slučaj1: Ako dodamo 1 proton
jezgru 12C da bi napravili
Slučaj 2: ako dodamo jedan neutron
jezgru 12C da napravimo 13C:
nestabilan
stable
Nuklearni modeli

Čak i kad dodamo drugi neutron da bismo napravili 14C, otkrijemo
da je on tek malo nestabilan

U ovom regionu mase, priroda više voli da je
broj neutrona i protona N > Z, ali ne voli N < Z.
Ovo objašnjava zašto je 13C
stabilan, a 13N to nije.

¸Zato su neutronski energetski nivoi manje energije nego
odgovarajući protonski.
Otkriće neutrona



1)
1)
Rutherford (Radeford) je predložio atomsku strukturu koja ima
masivno jezgro još 1911. g.
Naučnici su znali od kojih čestica se sastoji nukleus još 1932.
Razlozi zašto elektron ne može postojati unutar nukleusa:
Veličina nukleusa
Princip neodređenosti stavlja niže ograničenjena njegovu kinetičku
energiju koja je mnogo veća nego bilo koja kinetička energija koja
se mogla registrovati kod elektrona koji je emitovan iz nukleusa.
Nuklearni spin
Ako se deuteron sastoji od protona i elektrona, onda deuteron
mora da sadrži 2 protona i 1 elektron. Nukleaon koji se sastoji od
tri fermijona morao bi imati spin polovice cijelog broja. Ali mjerenja
su pokazala da je on 1.
Otkriće neutrona
3)
Nuklearni magnetni moment:
Magnetni moment elektrona je preko 1000 puta veći od
magnetnog nuklearnog momenta protona.
Mjereni nuklearni magnetni momenti su istog reda veličine kao
protonovi, stoga elektron nije dio nukleusa.

1930. godine njemački fizičari
Bothe i Becker su koristili
radioaktivni polonijum koji
emituje α čestice.
Kada se ovim česticama
bombardovao berilijum,
zračenje je prodiralo
kroz nekoliko centimetara olova.