Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Wykład 38

38.            Fizyka jądrowa

38.1          Wstęp

Każde jądro atomowe składa się z protonów i neutronów wiązanych siłami jądrowymi, niezależnymi od ładunku.

Ponieważ neutron i proton mają prawie taką samą masę i bardzo zbliżone inne własności, więc obydwa określa się wspólną nazwą nukleon.

Nazwa nuklid jest używana zamiennie z terminem jądro.

Nuklidy o tej samej liczbie protonów, różniące się liczbą neutronów nazywamy izotopami.

Łączną liczbę protonów i neutronów w jądrze nazywamy liczbą masową jądra i oznaczamy literą A. Liczba neutronów jest dana równaniem A - Z, gdzie Z jest liczbą protonów zwaną liczbą atomową.

Wartość liczby A dla jądra atomowego jest bardzo bliska masie odpowiadającego mu atomu.

38.2          Rozmiary jąder

Wiązka wysokoenergetycznych protonów lub neutronów może zostać rozproszona wskutek dyfrakcji na jądrze o promieniu R. Analizując powstały obraz dyfrakcyjny (położenie maksimów) można wyznaczyć ten promień.

Wyniki pomiarów (również innymi technikami) pokazują, że średni promień dla wszystkich jąder oprócz najmniejszych jest dany wzorem:

R » (1.2·10-15 m) A1/3

W fizyce jądrowej i cząstek elementarnych wielkość 10-15 pojawia się często i dlatego wprowadzono dla niej osobną nazwę fermi. 1 fermi = 1 fm = 10-15 m.

Przykład 1

Jaka jest gęstość masy i gęstość cząsteczek w materii jądrowej ?

Dla jądra o promieniu R i liczbie masowej A liczba cząstek na jednostkę objętości wynosi

skąd

N = 1.38·1044  nukleonów/m3

Gęstość masy to iloczyn tej liczby N i masy nukleonu

r = N Mp = (1.38·1044) (1.67·10-27) kg/m3 = 2.3·1017 kg/m3

Odpowiada to masie około 230 milionów ton dla 1 cm3.

Gęstość materii jądrowej nie zależy od rozmiarów jądra, ponieważ jego objętość jest proporcjonalna do liczby masowej A.

38.3          Oddziaływanie nukleon-nukleon

              Dotychczas poznane oddziaływania (grawitacyjne, elektromagnetyczne) nie pozwalają na wyjaśnienie struktury jądra atomowego. Aby wyjaśnić co tak silnie wiąże nukleony w jądrach atomowych trzeba wprowadzić nowe oddziaływanie. Ta siła wiążąca musi być większa niż siła odpychania elektrostatycznego występująca pomiędzy protonami. Określamy ją mianem siły jądrowej lub oddziaływania silnego.

Potencjał opisujący to oddziaływanie jest o rząd wielkości większy niż energia potencjalna elektrostatycznego odpychania proton - proton. Sytuacja ta jest pokazana na rysunku poniżej.

Oddziaływanie proton - proton, proton - neutron i neutron - neutron jest identyczne (jeżeli zaniedbamy relatywnie małe efekty odpychania elektrostatycznego) i nazywamy go oddziaływaniem nukleon - nukleon.

Masy atomowe i energie wiązań można wyznaczyć doświadczalnie w oparciu o spektroskopię masową lub bilans energii w reakcjach jądrowych.

W tabeli na następnej stronie zestawione są masy atomowe i energie wiązań jąder DE dla atomów wybranych pierwiastków.

Masa jest podana w jednostkach masy atomowej (u). Za wzorzec przyjmuje się 1/12 masy atomowej węgla .