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 Trenutna teorija

Prenosnici Relativna jačina

Zavisnost o udaljenosti

Jako Kvantna kromodinamika (QCD)

gluoni 1038 1

Elektromagnetsko

Kvantna elektrodinamika (QED)

fotoni 1036 1/r2

Slabo Quantum flavourdynamics (GWS)

W i Z bozoni 1025 e-mw,z

r/r

Gravitaciono Opća teorija relativnosti

(GR, nije kvantna teorija.)

gravitoni 1 1/r2

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 nestabilan

Slučaj 2: ako dodamo jedan neutron jezgru 12C da napravimo 13C:

stable

Nuklearni modeli Čak i kad dodamo drugi neutron da bismo napravili 14C, otkrijemo

da je on tek malo nestabilan

¸Zato su neutronski energetski nivoi manje energije nego odgovarajući protonski.

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.

Otkriće neutrona

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:

1) 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 spinAko 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 neutrona3) 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.