Фізика атомного ядра

Фізика атомного ядра .концепції ядер.

Зміст

Огляд література ,новизна.……………………………………………………...6
РОЗДІЛ 1. Основні властивості атомних ядер………………10
1.1. Фундаментальна структура матерії.

 Головні задачі фізики атомного ядра…………………...10
1.2. Масштаби фізичних величин у фізиці атомного ядра….12
1.3. Склад і маса ядер. Електричний і баріонний заряди…...15
1.4. Енергії зв'язку та стійкість ядер………………………….19
1.5. Розміри ядер……………………………………………....26
1.6. Спін і парність ядра………………………………………39
1.7. Статичні електромагнітні моменти ядер………………..51
Задачі та завдання для самостійної роботи………………..59
РОЗДІЛ 2. Двонуклонні системи та ядерна взаємодія……...62
2.1. Класифікація станів системи двох нуклонів……………62
2.2. Дейтрон і його властивості………………………………64
2.3. Загальні властивості ядерних сил………………………..71
2.4. Зарядова незалежність і формалізм ізоспіну……………77
2.5. Обмінний характер ядерної взаємодії…………………...84
2.6. Кваркова природа ядерних сил
та ефективні ядерні сили……………………………………...91
Задачі та завдання для самостійної роботи………………101
РОЗДІЛ 3. Одночастинкові та колективні явища в ядрах.104
3.1. Необхідність побудови моделей структури ядер……..104
3.2. Загальна класифікація ядерних моделей………………105
3.3. Незалежний рух нуклонів
у моделі ядерного фермі-газу……………………………….110
3.4. Формування середнього поля ядра……………………..119
3.5. Одночастинковий рух у моделі оболонок ……………..125
3.6. Парні кореляції. Квазічастинкові стани………………..146
3.7. Узагальнена модель ядра.
Колективна енергія рідкої краплини ………………………..152
3.8. Одночастинкові стани в деформованих ядрах...............168
3.9. Вібраційні стани ядер…………………………………...180
3.10. Ротаційні стани ядер…………………………………..188

3.11. Гігантські резонанси та їхня інтерпретація………….200

Задачі та завдання для самостійної роботи………………213

РОЗДІЛ 4. Електромагнітне випромінювання ядер………217

4.1. Мультипольний характер γ -випромінювання………...217

4.2. Імовірність електромагнітних переходів………………224

4.3. Ізомерні стани. Внутрішня та парна конверсія………..237
Задачі та завдання для самостійної роботи………………241
РОЗДІЛ 5. Радіоактивний розпад ядер
з вильотом частинок……………………………………….…..244

5.1. Радіоактивність ядер…………………………………….244
5.2. Основні закони радіоактивного розпаду………………251
5.3. Одиниці радіоактивності. Активність джерел
радіоактивного випромінювання……………………………256
5.4. α -розпад…………………………………………………262
5.5. Елементарна теорія α -розпаду
як тунелювання крізь бар'єр…………………………………265
5.6. β -перетворення………………………………………….278
Задачі та завдання для самостійної роботи………………295
РОЗДІЛ 6. Загальні закономірності ядерних реакцій……..297
6.1. Основні поняття та визначення………………………...297
6.2. Закони збереження в ядерних реакціях………………..300
6.3. Ефективні перерізи розсіяння та реакцій………………310
6.4. Стаціонарний опис пружного розсіяння
безспінових частинок………………………………………...319
6.5. Наближення Борна для амплітуд розсіяння…………..323
6.6. Метод парціальних хвиль у теорії розсіяння.
Фазові зсуви…………………………………………………..328
6.7. Резонанси потенціального розсіяння.
Час затримки частинки в області взаємодії………………..335

Задачі та завдання для самостійної роботи………………339

Список рекомендованої літератури………………………….340
ДОДАТКИ

Додаток 1. Енергії зв'язку деяких атомних ядер…………...345
Додаток 2. Деякі фізичні константи…………………446

 Новизна

Фізика атомного ядра – розділ сучасної фізики, у якому вивчаються специфічні форми існування матерії та її рух, а саме, атомні ядра та їхні взаємоперетворення. У дослідженнях із фізи-ки атомного ядра отримано базові знання людства про первин-
ний склад і фізичні властивості матерії. Із розвитком науки вивчення елементарних об'єктів Всесвіту послідовно переходило від хімії до атомної фізики, далі – до ядерної фізики, а на сього- дні й до фізики частинок.  Дослідження з ядерної фізики відіграли визначну роль у формуванні сучасного погляду на перебіг процесів у природі та
обов'язкові обмеження – закони збереження, за яких вони можуть відбуватися. Ці дослідження підтвердили висновки теорії відносності та квантової механіки і тим самим зумовили розви- ток, сприйняття та довіру до нових уявлень, які значно відріз-
няються від тверджень класичної механіки. Вироблення енергії атомними станціями і створення атомної та термоядерної зброї макроскопічно наочно підтвердило отримане у спеціальній теорії відносності співвідношення між масою та енергією. Дослідження α -розпаду радіоактивних ядер привели до відкриття нового загального квантово-механічного явища, а саме, можливості проходження частинками зон, рух у яких є забороненим зпогляду класичної механіки (ефект тунелювання). Із розвитком
теорії ядра виникло багато глибоких і тонких концепцій, наприклад, можливість появи самоузгодженого середнього поля в скінченних системах без виділеного силового центра, тлумачити які з фізичного погляду важче, ніж з математичного.
Ядерна фізика давно вже вийшла на інженерний рівень розвитку. Дослідження у цій галузі суттєво вплинули на розвиток суспільства і викликали як великі сподівання, так і значні побоювання, що пов'язані з використанням ядерної енергії.

Важливим внеском цієї галузі в інші науки є різноманітне застосування її техніки та методів. Розвиток її власних теоретичних, кспериментальних і технологічних розділів істотно впливає наінші дисципліни і сприяє виникненню нових розгалужень науки.
Хоча і спостерігається значний прогрес у розвитку ядерних досліджень, проте існує ще багато невирішених проблем, зокрема пов'язаних з поведінкою ядерної речовини кстремальних умовах, які виникають при зіткненні важких іонів і трапляються в зірках, тому розвиток ядерної фізики ще далекий від свого завершення. У підручнику розглянуто фізичні уявлення і концепції, що лежать в основі сучасної ядерної фізики. За змістом він є введенням дорозгорнутих курсів теоретичної ядерної фізики. Курс фізики атомного ядра зазвичай вивчається студентами одночасно з курсом кван тової механіки. Це дає змогу використовувати квантово-механічні поняття і формули, оскільки саме на таких уявленнях і базується ядерна фізика. Водночас у багатьох випадках ядерні явища поясню- ються з погляду загальних фізичних уявлень, при цьому деякі деталі
теоретичних побудов і математичні розрахунки ми не розглядаємо. У першому й другому розділах підручника викладено уза- гальнені відомості з основних властивостей атомних ядер і визначення ядерних характеристик та ядерної взаємодії. Третій розділ містить найбільш поширені феноменологічні
моделі ядра, що описують одночастинковий і колективний рух в ядрах, а також гігантські резонанси та їхню інтерпретацію. У четвертому розділі викладено особливості електромагніт-ного випромінювання ядер, у тому числі, мультипольний харак-
тер γ -випромінювання, імовірності електромагнітних переходів,  утворення ізомерних станів, внутрішню та парну конверсію. У п'ятому розділі розглянуто радіоактивний розпад ядер звильотом частинок, висвітлено основні закони радіоактивного розпаду та елементарну теорію α -розпаду (як процесу тунелювання скрізь бар'єр) і β -перетворення..

Розділ 1
ОСНОВНІ ВЛАСТИВОСТІ АТОМНИХ ЯДЕР
1.1. Головні задачі фізики атомного ядра.
Фундаментальна структура матерії Сучасні уявлення про будову матерії базуються на світогляді,  який отримав вназву Стандартної моделі фізики елементарних
частинок. Такий підхід виділяє з усіх мікрочастинок деякі первинні елементарні частинки – так звані фундаментальні частинки та їхню взаємодію. Фундаментальними частинки вважаються мікрочастинки, які на сучасному рівні знань є неподільними,
тобто не складаються з інших мікрочастинок і розглядаються як точкові. Усі інші частинки мікросвіту, зокрема так звані елемен тарні частинки, складаються з різних об'єднань (кластерів) фундаментальних частинок.
гідно зі співвідношенням Гейзенберга між невизначеностя ми відстані та імпульсу в мікросвіті, частинки мікросвіту не мають строго певних границь. Поняття їхнього просторового "розміру" умовне, а значення залежать від способу його визначення.
Визначення розміру фундаментальних частинок як точкових є умовним і означає, що їхній "розмір" дуже маленький, і тому ним можна знехтувати в сучасних дослідженнях.
Кожна як фундаментальна, так і елементарна частинка характеризується деяким набором дискретних значень певних фізичних величин (квантовими числами) і масою. Взаємодія між фундаментальними частинками називається фундаментальною, вона
базова, оскільки саме з неї формуються Фундаментальна взаємодіє має обмінну
природу й її носіями є бозони, що входять до складу фундаментальних частинок, і передають взаємодію між фундаментальними частинками. Фундаментальні бозони є квантами відповідних полів, які називаються колибрувальними полями.
У природі існують чотири типи фундаментальних взаємодій – сильна, електромагнітна, слабка і гравітаційна. Стандартна модель елементарних частинок описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодії. Вона була створена на основі теорії електрос-
лабкої взаємодії, що об'єднала електромагнетизм і слабку взаємодію (А. Салам, С. Вайнберг, 1967) і теорії сильної взаємодії(квантова хромодинаміка, математичне формулювання – Д. Гросс, Ф. Вільчек, Д. Політцер, 1973). Згідно зі стандартною моделлю вся речовина складається із
12-ти фундаментальних частинок – ферміонів: шести кварків (u,
d, s, c, b, t) і шести лептонів (електрон, мюон, τ-лептон і три сорти нейтрино) та відповідної кількісті їхніх фундаментальних ан-тичастинок. Усі фундаментальні частинки можна об'єднати в три покоління ферміонів, які різняться масами і взаємодією.
Кварки беруть участь у сильних, слабких та електромагнітних взаємодіях; заряджені лептони (електрон, мюон, τ-лептон) – у слабких і електромагнітних; нейтрино – тільки в слабких взаємодіях. Частинками-носіями взаємодій є вісім глюонів для сильної
взаємодії, три важкі (калібрувальні) бозони (W+, W−, Z0) для слабкої взаємодії й один фотон для електромагнітної взаємодії.
Маса фундаментальних частинок, якщо вона відмінна від нуля, пояснюється їхньою взаємодією з полем Хіггса, яке наповнює простір, і квантом якого є бозон Хіггса. Одними з головних параметрів стандартної моделі є маси лептонов (три параметри,
нейтрино вважаються безмасовими) і кварків (шість параметрів), а також три сталі взаємодії, які визначають відносні інтенивності электромагнітної, слабкої та сильної взаимодії.  середені 80-х років ХХ ст. було відкрито всі елементарні
частинки, передбачені Стандартною моделлю, і тому саме її було прийнято за основу у фізиці елементарних частинок. Після цього були відкриті нові явища, які не вдалося описати за її допомогою, зокрема це: осциляції нейтрино, присутність у Всесвіті. так званої темної матерії й темної енергії, які не детектуються заспостереженням електромагнітного випромінювання. Гравітаційна взаємодія також не входить у стандартну модель. Зараз для подальшого об'єднання фундаментальних взаємодій використо вуються різні підходи, наприклад: теорії/я струн, петльова квантова гравітація, теорії/я бран, М-теорія.

1.2. Масштаби фізичних величин у фізиці атомного ядра
У фізиці атомного ядра вивчаються явища, які відбуваються на малих відстанях і за великих енергій, що припадають на одну частинку. Верхньою границею відстаней, на яких відбуваються події, що вивчає фізика ядра, можна вважати розмір атома водню, який приблизно дорівнює одному ангстрему ( 10 1 Å 10 м − = ). У фізиці ядра зазвичай використовують позасистемну одиницю довжини – фермі (фм): 1 фм = 15 10− м = 5 10 Å − . Ця одиниця досить зручна, оскільки за порядком величини вона близька до розміру атомного ядра. Наприклад, протони і нейтрони мають розміри близько 1 фм, а на відстанях (1÷10) фм розміщуються радіуси стабільних атомних ядер. Таким чином, з погляду атомних масштабів ядра надзвичайно малі й розмір атомів перевищує розмір ядер більше ніж на п'ять порядків.
Для визначення енергії у фізиці ядра використовують позасистемну одиницю – електрон-вольт (еВ). Значенню 1 еВ відпові дає енергія, яку отримує чи втрачає електрон припроходженні ним різниці потенціалів один вольт (1 Вт): 1еВ 1,6022 10 ерг(г см /c ) 1,6022 10 Дж(кг м /c ), − − ≅⋅ ⋅ ≅⋅ ⋅7 1Дж = ⋅= 1Вт 1с 10 ерг .
Якщо для атомної фізики характерною енергією є 1 еВ, то для ядерної фізики такі значення дуже малі, тому використову ються похідні одиниці, а саме: кеВ, МеВ, ГеВ (старе позначення БеВ), ТеВ; 3 1кеВ =10 еВ, 3 6 1МеВ = = 10 кеВ 10 еВ, 3 9 1ГеВ == = 1БеВ 10 МеВ 10 еВ, 3 1ТеВ =10 ГеВ. Для атомних ядер найбільш характерні енергії мають значення порядку 1 МеВ. Наприклад, енергія в декілька мегаелектрон вольтів (близько 8) потрібна для того, щоб вирвати з ядра один протон або нейтрон. В окремих випадках у ядерній фізиці доводиться мати справу з більш низькими енергіями. Наприклад, γ -
кванти, що вилітають з ядра, мають енергію порядку сотень і десятків кілоелектрон-вольтів, а іноді й нижче. За енергій зіткнення до 150 МеВ відбувається руйнування атомних ядер, але частинки, що їх утворюють, залишаються незмінними. За енер-
гій зіткнення понад 150 МеВ починається народження нових частинок, спочатку досить легких (піонів), а потім дедалі більш і більш важких. На сучасних експериментальних установках чатинкам можна надати значно більшої енергії. Наприклад, на прискорювачі SPS (ЦЕРН, Женева) протони для експериментів із фіксованою мішенню можна прискорювати до енергії 450 ГеВ ≅ 0,7 ерг . Це, звичайно, мало для макроскопічного тіла, але дуже багато для однієї елементарної частинки. Для порівняння: у супутнику, що летить зі швидкістю 1 км/с, на один протон припадає енергія 14 3 0,8 10 ерг 0,5 10 еВ. − − ∼ ⋅ ≈⋅Фізика ядра в існуючому вигляді охоплює величезні інтервали масштабів, а саме  сім порядків за відстанями та дев'ять порядків за енергіями. Кожний атом має електронну оболонку з від'ємним зарядом і атомне ядро з додатним зарядом. У ядрі зо-
середжена майже вся (~99,92 %) маса атома.