Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров

Спин ядра и его магнитный момент

Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров

Использование приборов высокой разрешающей способности и специальных источников возбуждения спектра позволило обнаружить сверхтонкую структуру спектральных линий. Бе существование В. Паули объяснил (1924) наличием у атомных ядер собственного момента импульса (спина) и магнитного момента.

Собственный момент импульса ядра — спин ядра — складывается из спинов нуклонов и из орбитальных моментов импульса нуклонов (моментов импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра). Обе эти величины являются векторами,

поэтому спин ядра представляет их векторную сумму. Спин ядра квантуется по закону

где I — спиновое ядерное квантовое «пело (его часто называют просто спином ядра), которое принимает целые или полуцелые значения 0, ½, 1, 3/2 … . Ядра с четными А имеют целые I, с нечетными — полуцелые I.

Атомное ядро кроме спина обладает магнитным моментом pmя. Магнитный момент ядра связан со спином ядра (см. аналогичное выражение (131.5) для электрона): pmя = gяLя, где gя— коэффициент пропорциональности, называемый ядерным гиромагнитным отношением.

Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон

(253.1)

где тр — масса протона (ср. эту формулу с магнетоном Бора (§ 131)). Ядерный магнетон в mp/ me раз меньше магнетона Бора, поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.

В случае эффекта Зеемана (см. § 223) при помещении атома в магнитное поле наблюдается расщепление энергетических уровней и спектральных линий (тонкая структура), обусловленное сшш-орбитальным взаимодействием электронов.

Во внешнем магнитном поле также наблюдается расщепление уровней энергии атома на близко расположенные подуровни (сверхтонкая структура), обусловленное взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем электронов в атоме.

Магнитные моменты ядер могут, таким образом, определяться спектроскопическим методом по сверхтонкой структуре спектральных линий. Однако магнитные моменты ядер примерно на три порядка меньше магнитных моментов электронов (см. (253.

1) и (§ 131)), поэтому расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, значительно меньше расщепления за счет взаимодействия между спиновым и орбитальным моментами электрона (тонкая структура). Таким образом, из-за малости эффекта, даже при использовании спектральных приборов очень большой разрешающей способности, точность этого метода невелика.

Поэтому были разработаны более точные (не оптические) методы определения магнитных моментов ядер, одним из которых является метод ядерного магнитного резонанса.

Явление ядерного магнитного резонанса заключается в следующем: если на вещест во, находящееся в сильном постоянном магнитном поле, действовать слабым перемен ным радиочастотным магнитным полем, то при частотах, соответствующих частотам переходов между ядерными подуровнями, возникает резкий (резонансный) максимум поглощения.

Ядерный магнитный резонанс обусловлен происходящими под влиянием переменного магнитного поля квантовыми переходами между ядерными подуровнями. Точность метода задается точностью измерения напряженности постоянного магнитного поля и резонансной частоты, так как по их значениям вычисляются магнитные моменты ядер.

Так как для измерения этих величин применяются прецизионные методы, то pmяможно определять с высокой точностью (до шести знаков).

Метод ядерного магнитного резонанса позволяет наблюдать ядерный резонанс на ядрах, обладающих магнитным моментом порядка 0,1mя. Количество вещества, необходимое для измерений, должно составлять 10- 3 —10 г (в зависимости от значения pmя,).

Измерение значений магнитных моментов ядер часто сводится к сравнению резонансных частот исследуемых ядер с резонансной частотой протонов, что позволяет освободиться от точной калибровки магнитного поля, которая является довольно трудоемкой.

Ядерные силы. Модели ядра

Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются ядервымн силами.

С помощью экспериментальных данных по рассеянию нуклонов на ядрах, ядерным превращениям и т. д. доказано, что ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.

Перечислим основные свойства ядерных сил:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные силы являются короткодействующими — их действие проявляется только на расстояниях примерно 10- 15 м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии;

3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

4) ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа 21H) только при условии параллельной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движе ния всех нуклонов ядра (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел) не позволили до настоящего времени разработать единую последовательную теорию атомного ядра.

Поэтому на данной стадии прибегают к рассмотрению приближенных ядерных моделей, в которых ядро заменяется некоторой модельной системой, довольно хорошо описывающей только определенные свойства ядра и допускающей более или менее простую математическую трактовку.

Из большого числа моделей, каждая из которых обязательно использует подобранные произвольные параметры, согласующиеся с экспериментом, рассмотрим две: капельную и оболочечную.

1. Капельная модель ядра (1936; Н. Бор и Я. И. Френкель). Капельная модель ядра является первой моделью. Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости.

Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами — молекулами в жидкости и нуклонами в ядре, — являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Для капли жидкости при данных внешних условиях характерна постоянная плотность ее вещества.

Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией связи и постоянной плотностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре. Наконец, объем капли, так же как и объем ядра (см. (251.1)), пропорционален числу частиц.

Существенное отличие ядра от капли жидкости в этой модели заключается в том, что она трактует ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной), подчиняющуюся законам квантовой механики.

Капельная модель ядра позволила получить полуэмпирическую формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядер. Однако эта модель не смогла, например, объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

2. Оболочечван модель ядра (1949—1950; американский физик М. Гепперт-Майер (1906—1975) и немецкий физик X. Иенсен (1907—1973)).

Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципу Паули, и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней.

Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо устойчивые (магические) ядра действительно существуют (см. § 252).

Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания легких и средних ядер, а также для ядер, находящихся в основном (невозбужденном) состоянии.

По мере дальнейшего накопления экспериментальных данных о свойствах атомных ядер появлялись все новые факты, не укладывающиеся в рамки описанных моделей. Так возникли обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и другие модели.



Источник: https://infopedia.su/3x35e5.html

Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров

Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров

Спин ядра ( I ) складывается ᴎɜ спинов нуклонов и их орбитальных моментов. (Определяя спин, называют одно число, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ указывает максимальную проекцию спина на произвольную ось Z ).

Спин нуклона — I_p=I_n=frac{1}{2} , следовательно, величина спина ядра может иметь целое или полуцелое значение, что зависит от четного или нечетного количества нуклонов в ядре. Так, спин ядра атома водорода равен I_p=frac{1}{2} .

Если ядро стабильно, и оно находится в основном состоянии, то Ile frac{9}{2} . Моменты импульса основнои̌ нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, имея антипараллельную ориентацию
Важно сказать, что для всœех ядер, имеющих четное количество протонов и нейтронов в основном состоянии I=0.

Существование собственного момента импульса ядра было предположено Паули в виде постулата. В соответствии с даннои̌ гипотезой ядро имеет собственный момент импульса overrightarrow{I} .

Спиновый момент ядра квантуется. Максимальное значение проекции overrightarrow{I} на избранное направление и обозначают через I и называют спином ядра.

Его нельзя путать с длинои̌ вектора момента импульса left|overrightarrow{I}
ight| .

Полная длина вектора overrightarrow{I} определена правилом квантования момента импульса:

где квантовое число I принимает значения: I=L+S;;L+S-1;dots ,left|l-S
ight|.

Так, спин протона равен frac{1}{2} , при ϶том длина вектора спина протона в единицах hbar :

Разница между спином ( I ) и left|I
ight| связана с поперечнои̌ компонентой у вектора overrightarrow{I} по отношению к избранному направлению. Ее направление не определено, но длина имеет определенную величину. При ϶том исключение составляет случай, когда overrightarrow{I} =0.

Магнитный момент нуклонов и ядра

Орбитальное перемещение протонов в ядре атома ведет к тому, что магнитный момент ядер атомов отличен от нуля. Помимо , нуклоны обладают собственным магнитным моментом, который связан со спином как:

где g_N — g — фактор нуклона, {mu }_{NB}=frac{q_ehbar }{2m_p}=5,05cdot {10}{-27}frac{Дж}{Тл}- ядерный магнетон Бора ( m_p — масса протона или масса ядра)
Важно сказать, что для протона g_papprox 5,6 , нейтрона g_napprox -3,8. То, что нейтрон, не имея заряда, имеет магнитный момент неравный нулю, говорит о том, что он обла пространственнои̌ структурой.

Так как проекция спинов нуклонов на некоторую ось Z равна frac{1}{2} , то проекцией магнитных моментов на ось Z величина:

Ядерный магнетон Бора естественнои̌ единицей магнитного момента ядра. Его формула совпа с формулой магнетона Бора ( {mu }_B ), где масса электрона заменена на массу протона. В результате:

Дополнительный материал 1

Итак, магнитный момент ядер вызван спиновыми магнитными моментами нуклонов и магнитными моментами, которые возникают благодаря орбитальным движениям протонов. При ϶том вектор магнитного момента не совпа с вектором момента количества движения.

В результате магнитного взаимодействия, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ присутствует между орбитальным и спиновым моментами, суммарный магнитный момент совершает прецессию относительно результирующᴇᴦο момента количества движения.

Средний по времени суммарный магнитный момент — составляющая магнитного момента направлен по моменту количества движения ядра.

Сверхтонкая структура атомных спектров

Взаимодействие магнитных моментов электронов в атоме с ядром ведет к дополнительному расщеплению энергоуровней. Как результат: линии тонкой структуры дополнительно расщепляются, возникает сверхтонкая структура линий спектра. Данное расщепление весьма мало (около тысячных нм). Его наблюдают при помощи спектральных приборов, которые имеют высокую разрешающую методность.

Сверхтонкая структура была открыта Майкельсоном в 1891 г. при помощи интерферометра Фабри и Перо. Позднее, было выявлено, что некоторые линии спектра имеют более 10 близко расположенные компоненты. К 1910 г. был получен большой объем экспериментальных данных, вместе с ᴛᴇᴍ ᴇᴦο объяснение стало возможным только после создания квантовой теории.

Первые измерения спинов и магнитных моментов ядер были изначально получены при исследовании сверхтонкой структуры линий спектра. Данный метод не был точен и утратил свое значение на сегодняшний момент. Все сведения о спинах и магнитных моментах в дальнейшем получали методом ядерного магнитного резонанса.

Гипотеза Паули предполагала, что сверхтонкая структура линий спектра по вследствие взаимодействия магнитного момента атомного ядра с магнитным полем, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ создано электроннои̌ оболочкой (орбитальным и спиновым моментами электронов).

Помимо ядро может обладать электрическим квадрупольным моментом, электрическими и магнитными мультиполями, которые взаимодействуют с электроннои̌ оболочкой. Данная гипотеза полностью подтверждена
Стоит отметить, основную роль играет магнитный дипольный момент ядра. Он взаимодействует с магнитным полем электроннои̌ оболочки, которая окружает ядро.

Эᴛο взаимодействие ведет к расщеплению энергетических уровней. С этим связана (в основном) сверхтонкая структура энергоуровней и линий спектра.

Дополнительный материал 2

Отметим, что в спектральном приборе наблюдают сверхтонкая структура не энергетических уровней, а спектральных линий.
Нужно отметить, что каждая линия спектра сверхтонкой структурой по как результат перехода атома с одного подуровня на другой. Допустимые переходы определены правилами отбора.

Интенсивности линий спектра сильно зависят от кратности вырождения энергетических уровней, между которыми идут квантовые переходы.

Пример 1

Задание: Ядро составлено ᴎɜ двух нуклонов. Полные моменты нуклонов равны: j_1=frac{5}{2} и j_2=frac{3}{2} , какие значения может принимать момент количества движения ядра ( I ), ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ составлено ᴎɜ вышеупомянутых нуклонов?

Решение:

Если составить ядро ᴎɜ 2 нуклонов с полными моментами j_1=frac{5}{2} и j_2=frac{3}{2} , то момент количества движения ядра может быть равен одному ᴎɜ целых чисел, равного длине стороны треугольника, две остальные стороны которого равны j_1 и j_2 , то есть запишем:

[j_1+j_2le Ile left|j_1-j_2
ight|left(1.1
ight).]

Так как выполняется неравенство (1.1), то:

[frac{5}{2}+frac{3}{2}le Ile left|frac{5}{2}-frac{3}{2}
ight| o 4le Ile 1left(1.2
ight).]

Так как длина стороны треугольника не может быть больше суммы (4) или меньше разности (1), то механический момент ядра в нашем случае может иметь значения:

[I=1,2,3,4.]

Ответ: I=1,2,3,4.

Пример 2

Задание: Какое явление получило название азотнои̌ катастрофы?

Решение:

До того, как были открыты нейтроны, считали, что ядро составлено ᴎɜ протонов и электронов. Рассмотрим ядро атома азота: N{14}_7. Если ядро содержит протоны и электроны, то в нем содержится: 14 протонов и 7 электронов:

[14p+7e-=21 (ца) left(2.1
ight).]

Спины протона и электрона равны frac{1}{2}hbar . Получается, что спин ядра азота должен быть полуцелым. Эмпирически получалось, что величина спина ядра азота равна 1 . Данный факт и получил наименование: ʼʼазотная катастрофаʼʼ.

Так, измерение значений спинов ядер подтолкнуло к выводу о том, что электроны не входят в состав ядер атомов.

На самом деле, ядро атома азота содержит 7 протонов и 7 нейтронов:

[7p+7n=14 left(ц
ight).]

Получается, что спин ядра атома азота будет целым.

Источник: http://referatwork.ru/info-lections-55/tech/view/2059_spin_i_magnitnyy_moment_nuklonov_i_yadra_sverhtonkaya_struktura_atomnyh_spektrov

Квантовый мир

Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров

Основными существующими в данное время понятиями ядра атома являются его масса и заряд. Заряд ядра представляет определенное количество положительных элементарных зарядов.

Заряд атома является нейтральным, его величиной определяется числом электронов в атоме. Заряд определяет химический элемент.

Величина заряда ядра равна произведению элементарного заряда на зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента.

Масса ядра практически равна массе атома. За единицу массы атома принимается 1/16 массы атома кислорода или 1/12 массы изотопа углерода. С большой точностью определенны массы атомов.

При этом было обнаружено разновидность атомов конкретного химического элемента, т.е. изотопов, обладающих одинаковым зарядом, но различающимися массой. Атомные веса изотопов называются атомными массами.

Каждый химический элемент имеет определенное процентное содержание изотопов.

На основании этого следует, что каждому химическому элементу соответствует определенный атомный вес, представляющий средний значение масс. Изотопные массы выражаются целыми числами. Целое число, ближайшее к атомному весу, выраженное в атомных единицах массы, называется массовым числом – А. Ядра, обладающие одинаковой массой, но разными зарядами, называются изобарами.

Спин и магнитный момент ядра

С повышением разрешающей способности спектральных приборов было обнаружено явление сверхтонкой структуры. В. Паули выдвинул предположение, что, явление связано со спином ядра атома.

Спин ядра складывается из спинов составляющих его частиц и представлен моментами количества движения ядерных частиц в ядре. Спин ядра, состоящего из четного числа частиц, является целым числом, выраженный в единицах h. И, наоборот, из нечетного числа, спин ядра является полуцелым.

Атомные ядра имеют магнитные моменты. Магнитный момент ядра состоит из магнитных моментов ядерных частиц. Избирательное поглощение электромагнитного излучения веществом обуславливается с переходами его ядер между разными энергетическими подуровнями.

По аналогии с расщеплением энергетических уровней электронов существует расщепление энергетических уровней ядра на ряд подуровней.

Воздействием переменного магнитного поля с соответствующими частотами переходов между подуровнями приводит к избирательному поглощению излучения.

Для измерения магнитного момента нейтрона был проведен видоизмененный вариант метода магнитного резонанса. Результатом этого опыта было определение, что нейтрон имеет отрицательный магнитный момент.

Магнитный момент протона был определен методом отклонения молекулярного пучка. Этот опыт аналогичен методу Штерна и Герлаха.

Положительный знак магнитного момента протона определяет совпадения направления магнитного момента протона и его спина. У нейтрона направления магнитного момента противоположно его спину.

Состав ядра

При измерениях масс – спектроскопических характеристик ядра было обнаружено, что массы изотопов атомов больше по величине зарядов этих атомов. При увеличении зарядового числа эта разница увеличивается. Также было установлено, что массы ядер в а.е.м. имеют целочисленные числа, т.е. ядро состоит из частиц одинаковой массы.

Д.Д. Иваненко было сформулирована гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой теории заряд ядра – Z определяет количество протонов, а разность АZ дает количество нейтронов. Элементарные частицы ядра-протона принято называть нуклонами. Частица нуклон имеет заряд +е в протонном состоянии и заряд – 0 в нейтронном состоянии.

Энергия связи ядра

Ядро атома представляет собой очень устойчивое образование. Эта устойчивость основана на особом взаимодействии между нуклонами.

На основании этого введены понятия энергия связи нуклона, как физической величины равной работе, которую нужно совершить для удаления данного нуклона из ядра без придания ему кинетической энергии и энергии связи ядра, как работу, которую нужно совершить для расщепления ядра на нуклоны без придания им кинетической энергии.

Таким образом, разность между суммарной энергии свободных нуклонов, составляющих данное ядро и энергий в ядре, выражает энергию связи атомного ядра.

В главе 6 дается общее описание процесса возникновения вещества с химическими свойствами. В этом природном процессе образовываются массы всех ядер таблицы Менделеева. При образовании определенного химического элемента в состав ядра входят протоны и нейтроны.

Соотношения этих частиц в ядре не постоянно. В одном случае число нейтронов может быть больше, в другом – меньше, но количество протонов не может превышать количество нейтронов.

В данной теории предлагается, что при образовании атомов протону был придан крутящий момент, нейтрон не получил этой энергии. Отсюда вытекает разнообразие атомов одного химического элемента, т.е. изотопов.

Таким образом, при выбросе струй нейтронного вещества квазаром, большинство нейтронов не получают спина, т.е. протоны составляют меньше половины массы вещества с химическими свойствами.

Элементарная частиц нуклон в форме протона атома водорода имеет наибольшую скорость спина. Следующий по таблице Менделеева идет атом гелия, имеющий два протона и два нейтрона.

Каждый протон гелия затрачивает свою энергию на придание скорости одному нейтрону. Общее количество движения ядра атома гелия не меняется. Эта энергия лишь распределяется между протонами и нейтронами.

Скорость протона уменьшается в два паза, с половины скорости света до одной четвертой:

Vср. = c / 4.

Половина энергии протона ушла к нейтрону, тем самым снизилась давление среды матричного вакуума на атом гелия в два раза. Величина момента импульса электрона также изменилась.

Таким образом, заряд атома гелия не меняется, т.е. взаимодействие общего крутящего момента его ядра со средой матричного вакуума не меняется.

Если нуклон будет образован из нейтронов, то соответственно не будет крутящего момента у системы, т.е. заряд будет равен нулю.

Нейтрон мог бы существовать во времени продолжительно долго, но в изолированной среде. Но среда вакуума пронизана большим диапазоном электромагнитного излучения.

И нейтрон постоянно испытывает это действие и, в конце концов, распадается на элементарные кванты действия.

Среди тяжелых ядер встречается образования, где при одинаковой массе, количество протонов меняется. А, следовательно, меняется крутящий момент ядра, т.е. его заряд.

В ядерной физике принято, что специфику химического элемента определяет заряд ядра. В триаде химических элементов Zr, Mo, Ru массовое число имеет одинаковую величину, а заряд, т.е. крутящий момент этих ядер различный.

Это различие заключается в том, что в состав этих ядер входит разное количество протонов. Спины циркония, молибдена, рутения определяют количество электронов на внешней оболочке.

В этом выражается химическая индивидуальность этих элементов.

В главе «Квантовая механика «было дано понятие тонкой структуры спектральных линий на 6 А. Причиной этому являлось постоянная плотность фотонов в среде матричного вакуума.

Обнаруженное расщепление сверхтонкой структуры спектральных линий также обосновывается понятием постоянной плотности фотонов в среде матричного вакуума. Этот спектр фотонов включает в себя от ультрафиолетовых лучей до гамма-излучения.

Но движения этих лучей хаотическое и распространяется на весь объем пространства, где находится вещество среды матричного и входит во взаимодействие с наружными электронами атомов вещества. В опыте А.Н. Теренина и Л.Н. Добрецова линия равная 5890 А укрупняется на фотон 0, 021 А и линия 5896 А – на 0,023 А.

 Это минимальное укрупнение обнаружено благодаря увеличению разрешающей способности приборов.

Аналогично электрону ядро атома также вращается вокруг своей оси по принципу перемещения материального тела в среде вакуума. Спин ядра эта вращение самого ядра и прижатой к нему средой вакуума волны де Бройля. При движении этой волны, она раздвигает матричный вакуум на свой объем.

И ее кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию среды вакуума, т.е. частицы среды сжимаются. Затем среда вакуума обратно передает свою энергию ядру атома. Процесс раздвижения среды, т.е. движение вакуума, есть магнитный момент ядра. Эта волна выглядит как диск.

Скорость вращения у разных химических элементов различная, но она не превышает линейной скорости ядра атома водорода.

В опыте по измерению магнитного резонанса. Нейтроны проходили через два ферромагнетика. При прохождении через магниты, ему была придана изначальная скорость.

Движение нейтрона определяется принципом перемещения материального тела в среде матричного вакуума. Ней трон раздвигает окружающие его частицы среды вакуума, они получают движение.

Любое движение частиц среды вакуума представляет магнитное поле.

В атомном ядре нейтроны т протоны относительно друг друга находятся в состоянии покоя. Прочная связь ядра осуществляется средой вакуума. Она постоянно давит на площадь сферы ядерного вещества. Рассчитаем объем этого вещества в атоме водорода:

Vяд = Vв · Nяд = 1,86·10–41 м3,

где Nяд – количество лишних частиц среды вакуума в протоне.

Радиус ядерного вещества протона равен:

Rяд = 1,6·10–14 м

Определим давление на поверхности ядра атома водорода:

Ряд = Нвод / 4πR2яд = 4,6·107 кг/м2

Площадь ядерного вещества в протоне, на которую давит вакуум, равна:

Sяд = 4πR2яд = 3,4·10–27 м2.

Сила вакуума на эту площадь определяется:

Fяд = Sяд · Ряд = 2,5·10–19 кг.

Вычислим, какое давление будет в ядре протона на площади вакуума при половине радиуса протона:

R = 1/2 Rяд .

Количество лишних частиц уменьшается в восемь раз:

n = 3,15·105.

Объем этих частиц составит:

V = Vм.в. = 2,3·10–42 м3,

тогда

R = 0,81·10–14 м.

Напряженность на поверхности протона равна Н = 2,5·10–19 кг, тогда давление на радиусе равным Rяд/2 будет:

Р = Н / 4πR2 = 3,0·108 кг/м2.

Как видно давление в протоне при уменьшении его радиуса увеличивается. Это явление представляет ядерные силы.

Рассчитаем давление на поверхности ядра атома гелия.

Напряженность, создаваемая спином ядра в среде вакуума, равна:

Нгел = 2 Нвод = 5,0·10–19 кг.

Количество лишних частиц в ядре:

Nгел = 4 Nяд = 1,0·107

Объем ядерного вещества в ядре гелия:

Vгел. = Vм.в. · Nгел = 7,5·10–41 м3,

тогда:

R = 2,6·10–14 м

Давление на поверхности ядра:

Р = Нгел / 4πR2 = 5,9·107 кг/м2

Давление в атоме гелия возросло в 3,5 раза.

Величина давления на поверхности ядер химических элементов различна. В начале периодической системы Менделеева это давление составляет от 1,8·107 кг/м2 до 9,5·107 кг/м2.

В средней части таблицы Менделеева давление составляет от 1,1·108 – 1,57·108 кг/м2.

По мере дальнейшего увеличения числа нуклонов в ядре давление также увеличивается.

Как указывалось, при возрастании масса химического элемента заряд не уменьшается, а окружная скорость ядра уменьшается. Отсюда можно выразить.

Средняя скорость i – химического элемента:

Vср · i = с / 2n ,

где n = А / z; А – массовое число; i – химического элемента; z – зарядовое число.

В явлении естественной радиоактивности характерно превращение одних атомных ядер в другие. Имеются и легкие естественно – радиоактивные ядра: изотопы K, C, Rb и др.

Как указывает практика, изотопная масса увеличивается почти целыми числами, т.е. за счет увеличения числа нейтронов.

То есть при этом увеличивается давление среды вакуума на поверхности ядра изотопа и уменьшается окружная скорость ядра химического элемента.

У тяжелых химических элементов окружная скорость ядер уменьшается более чем в два с половиной раза. У ядра трития эта скорость снижается до 60 км/с.

Среда вакуума вокруг любого ядра имеет среднюю плотность фотонов. При снижении окружной скорости ядра фотона от инфракрасного до гамма-излучения имеют большую возможность достигнуть поверхности ядра.

Это проникновение фотонов к ядру происходит с поверхности полюсов атома. Нуклон ядра, получив энергию фотона, увеличивает свою скорость и покидает атом.

В целом в этом механизме заключается явление радиации.

Таким образом, прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, осуществляется ответной реакцией среды вакуума на напряженность ядра в вакууме. Среда вакуума постоянно давит на площадь сферы ядра и придает им одинаковую геометрическую форму.

Основная энергия, которая содержится в ядре атома водород, заключена в его спине. На ядро постоянно действуют внешние силы. И ядро безостановочно имеет перемещения по всем трем координатам. Соответственно и волна де Бройля, также вращается в пространстве.

Вследствие этого возникает явление прецессии электрона.

При вращении ядра его волна де Бройля практически находится в каждой точке сферы атома. Площадь точки является площадью электрона, который находится на орбите атома. То есть радиуса действия волна де Бройля показывает максимальное ее действие от ядра.

Величина работы, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, должны быть не меньше энергии самого спина ядра. Понятие расщепление ядра эквивалентно его остановке. Волна де Бройля, т.е. сам спин постоянно меняет свое местоположение на сфере атома и целенаправленно воздействовать на него затруднительно.

Для этого необходима энергия, которая по величине была бы не меньше энергии спина ядра в каждой точке сфера атома. Если воздействие на ядро будет составлять хотя бы половину необходимой величины, то ядро, т.е. атом, будет двигаться в направлении противоположном воздействию этой силы.

Ядро как бы будет отскакивать от этой силы, подобно волчку при соприкосновении его с предметом.

Для расчета работы по расщеплению ядра необходимо величину его спина умножить на количество площадей электрона:

Wрас. = N · Lпр.,

где Lпр. – отталкивающий момент протона.

• 15. Понятие энтропии

• Оглавление

Источник: http://n-t.ru/ri/mr/km14.htm

Спин ядра

Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров

    Спин J ядра наряду с его массой M является механической характеристикой системы нуклонов. Спин ядра J складывается из спиновых s1 sA и орбитальных l1 lA моментов отдельных нуклонов:

= 1 + 2 +… + А  + 1 + 2 + … + А = 1 + 2 + … + А.

    Атомное ядро в каждом состоянии характеризуется полным моментом количества движения J, который в системе покоя ядра называется спином ядра.
    Для спинов атомных ядер экспериментально установлены следующие закономерности:

  • если A – чётное, то J = n (n = 0, 1, 2, 3,…), т.е. спин ядра имеет целочисленное значение;
  • если A – нечётное, то J = n + 1/2, т.е. спин ядра имеет полуцелое значение;
  • чётно-чётные ядра в основном состоянии имеют значение спина J= 0, что указывает на взаимную компенсацию моментов нуклонов в основном состоянии ядра – особое свойство межнуклонного взаимодействия.

4.2.1. Сверхтонкая структура оптических спектров

    Отличное от нуля значение спина ядра J является причиной возникновения сверхтонкой структуры оптических спектров.
    Как известно, электрон обладает полным механическим моментом количества движения , который складывается из его собственного механического момента = и орбитального момента

= + = + .

Механический момент атома , обусловленный электронной оболочкой атома, складывается из механических моментов количества движения его электронов

= 1 + 2 + … + n,

где n – число электронов в атоме.
    Электроны внутренних заполненных оболочек атома имеют суммарный момент внутр= 0. Поэтому механический момент электронной оболочки атома определяется электронами внешних оболочек. Механическому моменту атома , который называют спином электронной оболочки атома, соответствует магнитный момент

атома = g.

    Величина g называется гиромагнитным отношением. Вектора атома и коллинеарны.

Среднее магнитное поле e, создаваемое внешними электронами в центре атома, там, где расположено атомное ядро, зависит от спин электронной оболочки :

Магнитный момент ядра ядра также можно выразить через значение его спина :

= 1 + 2 + … + n =  1 + 1 + 2 + 2 =… + n + n,

где i  – собственный механический момент нуклона, i – орбитальный механический момент нуклона, i  – полный механический момент нуклона.
    Магнитный момент ядра связан с его механическим моментом следующим соотношением:

    Энергия взаимодействия E магнитного момента ядра ядра с магнитным полем внешних электронов атома e определяется соотношением

и зависит от взаимной ориентации спинов ядра и внешней электронной оболочки .
    При учёте спина атомного ядра I полный механический момент количества движения атома (спин атома) складывается из механического момента (спина) электронной оболочки и полного механического момента (спина) ядра :

= + .

    Согласно законам квантовой механики квадрат момента любой изолированной системы может принимать только целые или полуцелые значения:

2 = ћ2I(I+1),
2 = ћ2J(J+1),
2 = ћ2F(F+1).

    Энергия взаимодействия E магнитного момента ядра ядра с магнитным полем e электронной оболочки будет принимать дискретные значения, определяемые суммарным моментом :

(I+J), (I+J−1), … |I−J|.

    Каждому возможному значению будет соответствовать отдельный уровень.
    Если величина спина ядра меньше величины спина электронной оболочки атома , то величина спина ядра может быть определена по числу линий сверхтонкого расщепления оптического спектра атома.

Для возбуждения уровней сверхтонкой структуры атомных спектров используется лазерное излучение.
    На Рис. 3 приведён спектр сверхтонкого расщепления уровней I = 9/2 и 11/2 атома 59Co.

Из того, что число линий сверхтонкого расщепления N = 8 следует, что спин ядра J(59Co) = 7/2.

Рис. 3. Сверхтонкое расщепление уровней (изображены без соблюдения масштаба). Слева — нерасщепленные уровни, справа – расщепленные уровни атома 59Co.

4.2.2. Правило интервалов

    В том случае, когда спин ядра J > I, используется правило интервалов – расстояния между соседними уровнями относятся как

(I+J):(I+J-1):…:|i-J|.

Зная спин электронной оболочки I, можно рассчитать величину спина ядра.

4.2.3. Ядерный магнитный резонанс

    В случае сильного внешнего магнитного поля H (H 104 эрстед) разрывается связь между ядерными магнитными моментами ядра ядра и электронной оболочки атома атома. В этом случае атомное ядро и электронная оболочка ведут себя в магнитном поле H независимо:

>> e
атома>>ядраe .

     При взаимодействии с сильным магнитным полем момент ядра приобретает энергию

.

Величина принимает дискретные значения. Энергия перехода между соседними возбуждёнными состояниями:

    Расщепление уровней, обусловленное сверхтонкой структурой оптических спектров, меньше тонкого расщепления спектральных линий на величину, сравнимую с отношением ядерного магнетона и магнетона Бора, т.е. примерно в 2000 раз.

4.2.4. Угловые корреляции продуктов распада

    Спин атомного ядра может быть определён из экспериментов по измерению угловой корреляции между частицами и γ-квантами, образующимися при распаде ядерных состояний. Это возможно, т.к. функция, описывающая угловые корреляции, может быть рассчитана теоретически и зависит от спина ядра.

Источник: http://nuclphys.sinp.msu.ru/an/an102.htm

Booksm
Добавить комментарий