9. ATOMO BRANDUOLIO FIZIKOS ELEMENTAI
Protonas yra vandenilio, kurio masės skaičius A = 1,
branduolys. Tai stabili subatominė dalelė. Ji turi elementarųjį teigiamą
elektros krūvį e=1,60(10-19 C. Protono rimties masė mp ( 1,673(10-27 kg.
Neutronas yra elektriškai neutrali subatominė dalelė. Jo rimties masė
mn(1,675(10-27 kg.
Dėl to, kad laisvojo neutrono rimties masė yra didesnė už protono
masę, neutronas yra nestabilus. Veikiant silpnajai sąveikai, laisvasis
neutronas spontaniškai virsta protonu, išspinduliuodamas elektroną ir
elektroninį antineutriną.
Atomų branduoliai esti stabilūs ir nestabilūs (radioaktyvieji). Visų
branduolių svarbiausios charakteristikos yra elektros krūvis, masė, ryšio
energija, branduolio spindulys, energijos spektras. Nestabilūs branduoliai
dar apibūdinami gyvavimo trukme, ar skilimo pusamžiu, radioaktyvaus virsmo
tipu ir t.t.
Protonų bei neutronų, t.y. nukleonų, skaičius branduolyje žymimas A
ir vadinamas masės skaičiumi. Tuomet branduolio neutronų skaičius N = A –
Z. Branduolius žymėsime šitaip: [pic]; čia X reiškia elemento cheminį
simbolį. To paties elemento atomų branduoliai gali turėti įvairų neutronų
skaičių – turime cheminio elemento izotopus (nuklidus). Cheminiai elementai
yra kelių ar net keliolikos izotopų mišinys.
Gamtoje egzistuoja įvairialypė kūnų sąveika. Tačiau makroskopinių
kūnų tarpusavio sąveika suvedama į juos sudarančių dalelių sąveiką. Iki
šiol fizikoje buvo skiriamos keturios fundamentalios elementariosios
sąveikos: gravitacinė, silpnoji, elektromagnetinė ir stiprioji. Viena
sąveika nuo kitos skiriasi sąveikos stiprumu, veikimo siekiu r0, sąveikos
trukme (.
Gravitacinio veikimo siekis yra begalinis. Ši sąveika yra universali.
Ji pasireiškia visoms dalelėms, tačiau kadangi yra silpna, tai neturi
apčiuopiamos įtakos mikropasaulio reiškiniams. Žymiai stipresnė už
gravitacinę yra silpnoji sąveika. Joje dalyvauja daugelis subatominių
dalelių. Silpnosios sąveikos veikimo siekis yra labai mažas (r0 ~ 10-18 m).
Ji lemia vienų nestabilių dalelių savaiminį virsmą kitomis, branduolių
radioaktyvųjį skilimą ir kai kuriuos kitus virsmus. Už abi šias sąveikas
gerokai stipresnė yra didelio siekio (r0 ( () elektromagnetinė sąveika. Ji
būdinga visoms elektringoms dalelėms. Tačiau visų stipriausia yra stiprioji
sąveika. Jos veikimo siekis yra labai mažas (r0 ~ 10-15 m). Ji jungia
nukleonus atomo branduolyje. Jai veikiant gali atsirasti naujos dalelės.
Atomų branduolių masę labai tiksliai galima nustatyti masių
spektrometrais. Tikslūs eksperimentai parodė, kad atomo branduolio masė mb
yra mažesnė už jį sudarančių laisvųjų nukleonų rimties masių sumą
Z mp + N mn, t.y.
Z mp + (A – Z) mn – mb = (m. (9.1)
Skirtumas (m vadinamas branduolio masės defektu. Jis nusako branduolį
sudarančių protonų ir neutronų ryšio stiprumą.
Taigi branduolys yra sąveikaujančių nukleonų skaičiaus A sistema. Ji
apibūdinama ryšio energija (W. Branduolio ryšio energija lygi darbui, kurį
reikia atlikti skaidant branduolį į laisvus protonus ir neutronus be
papildomos kinetinės energijos. Iš nukleonų sudarant branduolį, pagal
energijos tvermės dėsnį, lygiai tiek pat energijos išsiskiria, ir jai
ekvivalenčiu dydžiu (m sumažėja sistemos masė. Naudodamiesi Einšteino masės
ir energijos sąryšio lygtimi, atomo branduolio ryšio energiją išreiškiame
šitaip:
(W = c2 [Zmp + (A – Z) mn – mb].
(9.2)
Vienam nukleonui tenkanti ryšio energija, t.y. dydis (W/A, vadinamas
nukleono ryšio energija branduolyje, arba specifine ryšio energija.
Nukleono specifinė ryšio energija yra gana didelė. Vadinasi, branduolyje
tarp nukleonų egzistuoja labai stipri sąveika, kuri vadinama stipriąja. Šią
sąveiką apibūdinančios jėgos vadinamos branduolinėmis jėgomis. Jos yra
traukos jėgos. Branduolinės jėgos yra trumpasiekės (r0 ~ 10-15 m).
Stiprioji sąveika nepriklauso nuo nukleonų krūvio. Ji priklauso nuo
sąveikaujančių nukleonų sukinių orientacijos. Branduolinės jėgos yra
necentrinės jėgos. Branduolinės jėgos pasižymi įsotinimu, t.y. tarpusavyje
sąveikauja ne bet koks nukleonų skaičius.
Tikslios teorijos, paaiškinančios šių jėgų prigimtį ir dėsningumus,
nėra. Šiuo metu gyvuoja pioninė branduolinių jėgų hipotezė. Pagal ją
kiekvieną nukleoną gaubia virtualiųjų pionų debesėlis, sudarantis
branduolinį lauką. Kai vieno nukleono virtualųjį pioną absorbuoja kitas