Короткий диапазон ядерной силы
Что их отличает, так это то, что удерживающие от распада атомное ядро ядерные силы являются очень важными и большими для протонов и нейтронов, находящихся на очень коротком расстоянии друг от друга, но на определенном расстоянии (так называемом «диапазоне» силы), они падают очень быстро, гораздо быстрее, чем электромагнитные. Диапазон, оказывается, может также быть размером с умеренно большое ядро, только в несколько раз больше, чем протон. Если поместить протон и нейтрон на расстоянии, сравнимом с этим диапазоном, они будут притягиваться друг к другу и образуют дейтон; если их разнести на большее расстояние, они едва ли будут ощущать какое-либо притяжение вообще. На самом деле, если их поместить слишком близко друг к другу, так, что они начнут перекрываться, то они будут на самом деле отталкиваются друг от друга. В этом и проявляется сложность такого понятия, как ядерные силы. Физика продолжает непрерывно развиваться в направлении объяснения механизма их действия.
Что дает учет существенной разницы ядерных и электромагнитных сил
Но мы уже догадались, что ядерная сила намного больше электромагнитной (на том же расстоянии), потому что, если это не так, она была бы не в состоянии предотвратить электромагнитное отталкивание между протонами вплоть до распада ядра. Так что протон и нейтрон под ее действием сближаются вместе еще более плотно. И поэтому не удивительно, что дейтрон и другие ядер не просто в одну тысячу, но в сто тысяч раз меньше, чем атомы! Опять же, это только потому, что
- протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее, чем электроны,
- на этих расстояниях, большая ядерная сила между протонами и нейтронами в ядре во много раз больше, чем соответствующие электромагнитные силы (в том числе электромагнитного отталкивания между протонами в ядре.)
Эта наивная догадка дает примерно правильный ответ! Но это не полностью отражает сложность взаимодействия между протоном и нейтроном. Одна из очевидных проблем состоит в том, что сила, подобная электромагнитной, но с большей притягивающей или отталкивающей способностью, должна очевидно проявляться в повседневной жизни, но мы не наблюдаем ничего подобного. Так что, что-то в этой силе должно отличаться от электрических сил.
По договору СНВ-3
В настоящее время строительство и развитие СЯС России осуществляется с учетом тех ограничений, которые наложены российско-американским Договором СНВ-3 2010 года, вступившим в силу 5 февраля 2011-го.
Согласно статье II этого договора каждая из сторон сокращает свои межконтинентальные баллистические ракеты и пусковые установки, баллистические ракеты подводных лодок и их пусковые установки, тяжелые бомбардировщики (ТБ), боезаряды МБР, боезаряды БРПЛ и ядерные вооружения ТБ таким образом, чтобы через семь лет после вступления в силу договора и в дальнейшем до истечения срока его действия суммарные количества не превышали 700 единиц для развернутых МБР, БРПЛ и ТБ; 1550 единиц для боезарядов на развернутых МБР, БРПЛ и ядерных боезарядов, засчитываемых за развернутыми ТБ; 800 единиц для развернутых и неразвернутых ПУ МБР, ПУ БРПЛ и ТБ.
Такое соотношение свидетельствует о том, что в настоящее время СЯС России сохраняют баланс по боевым возможностям в отношении стратегических наступательных сил США. Вместе с тем для того, чтобы соответствовать к 5 февраля 2018 года планке в 700 единиц развернутых носителей, России приходится решать сложнейшую двуединую задачу: выводя из боевого состава СЯС носители с выработанным эксплуатационным ресурсом, вводить взамен такое количество новых, которое не только компенсировало бы эти потери, но и покрыло образовавшуюся на 1 сентября 2014 года разницу более чем в 170 единиц от установленного Договором СНВ-3 уровня для развернутых носителей.
США существенно проще выполнять условия Договора СНВ-3: им предстоит сократить излишнее количество носителей и снять с оставшихся развернутых носителей избыточное число боезарядов.
Окончание следует…
/Виктор Есин, генерал-полковник в отставке, vpk-news.ru/
Пион-нуклонное взаимодействие
Пион-нуклонное взаимодействие и его простейшая кварковая модель
Необходимость введения понятия сильных взаимодействий возникла в 1930-х годах, когда стало ясно, что ни явление гравитационного, ни явление электромагнитного взаимодействия не могли ответить на вопрос, что связывает нуклоны в ядрах. В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Пионы были впоследствии открыты экспериментально в 1947 году.
В этой пион-нуклонной теории притяжение или отталкивание двух нуклонов описывалось как испускание пиона одним нуклоном и последующее его поглощение другим нуклоном (по аналогии с электромагнитным взаимодействием, которое описывается как обмен виртуальным фотоном). Эта теория успешно описала целый круг явлений в нуклон-нуклонных столкновениях и связанных состояниях, а также в столкновениях пионов с нуклонами. Численный коэффициент, определяющий «эффективность» испускания пиона, оказался очень большим (по сравнению с аналогичным коэффициентом для электромагнитного взаимодействия), что и определяет «силу» сильного взаимодействия.
Следствием пион-нуклонного взаимодействия между нуклонами является наличие в ядерных силах наряду с обычными силами (силы Вигнера, которые возникают в результате обмена нейтральными пионами) обменной составляющей. Если состояние двух взаимодействующих нуклонов зависит от их пространственных и спиновых координат, то существует три различных способа такого обмена:
- нуклоны обмениваются пространственными координатами при неизменных спиновых переменных. Обусловленные таким обменом силы называются силы Майораны (обмен заряженными пионами при сохранении спина нуклонов);
- нуклоны обмениваются спиновыми переменными при неизменных пространственных координатах. Силы между нуклонами, возникающие при таком способе обмена, получили название силы Бартлетта (обмен нейтральными пионами);
- нуклоны одновременно обмениваются спиновыми и пространственными координатами. Возникающие при этом обменные силы носят название силы Гейзенберга (обмен заряженными пионами при изменении спина нуклонов).
Кроме этого, ядерные силы зависят от зарядовых координат и имеют тензорную составляющую.
Оператор потенциальной энергии при феноменологическом описании ядерного взаимодействия двух нуклонов при низких энергиях имеет вид:
- V(r1→,r2→,σ1^,σ2^,τ1^,τ2^)=U1(r→)+U2(r→)(σ1^σ2^)+U3(r→)S12+(τ1^τ2^){U4(r→)+U5(r→)(σ1^σ2^)+U6(r→)S12}{\displaystyle V({\vec {r_{1}}},{\vec {r_{2}}},{\hat {\sigma _{1}}},{\hat {\sigma _{2}}},{\hat {\tau _{1}}},{\hat {\tau _{2}}})=U_{1}({\vec {r}})+U_{2}({\vec {r}})({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})+U_{3}({\vec {r}})S_{12}+({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})\left\{U_{4}({\vec {r}})+U_{5}({\vec {r}})({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})+U_{6}({\vec {r}})S_{12}\right\}},
где r=r1−r2{\displaystyle r=r_{1}-r_{2}}, r1→,r2→{\displaystyle {\vec {r_{1}}},{\vec {r_{2}}}} — пространственные координаты, σ1^,σ2^{\displaystyle {\hat {\sigma _{1}}},{\hat {\sigma _{2}}}} — операторы Паули, τ1^,τ2^{\displaystyle {\hat {\tau _{1}}},{\hat {\tau _{2}}}} — операторы изотопического спина.
Силам Майораны (обмен пространственными координатами) соответствует слагаемое с (σ1^σ2^)(τ1^τ2^){\displaystyle ({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})}, силам Бартлетта (обмен спиновыми переменными) соответствует слагаемое с (σ1^σ2^){\displaystyle ({\hat {\sigma _{1}}}{\hat {\sigma _{2}}})}, силам Гейзенберга (обмен пространственными и спиновыми переменными) соответствует слагаемое с (τ1^τ2^){\displaystyle ({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})}. Кроме того, оператор S12{\displaystyle S_{12}} учитывает тензорное взаимодействие, (τ1^τ2^)S12{\displaystyle ({\hat {\tau _{1}}}{\hat {\tau _{2}}})S_{12}} — тензорное обменное взаимодействие.
Нет ядра без нейтрона, кроме как у водорода
Известно, что ядра некоторых химических элементов стабильны, а у других они непрерывно распадаются, причем диапазон скоростей этого распада весьма широк. Почему же прекращают свое действие силы, удерживающие нуклоны в ядрах? Давайте посмотрим, что мы можем узнать из простых соображений о том, какие имеются свойства ядерных сил.
Одно из них то, что все ядра, за исключением наиболее распространенного изотопа водорода (который имеет только один протон), содержат нейтроны; то есть нет ядра с несколькими протонами, которые не содержат нейтронов (см. рис. ниже). Итак, ясно, что нейтроны играют важную роль в оказании помощи протонам держаться вместе.
На рис. выше показаны легкие стабильные или почти устойчивые ядра вместе с нейтроном. Последний, как и тритий, показаны пунктиром, указывающим, что они в конечном итоге распадаются. Другие комбинации с малым числом протонов и нейтронов не образуют ядра вовсе, либо образуют чрезвычайно нестабильные ядра. Кроме того, показаны курсивом альтернативные названия, часто даваемые некоторым из этих объектов; Например, ядро гелия-4 часто называют α-частицей, название, данное ему, когда оно было первоначально обнаружено в первых исследованиях радиоактивности в 1890 годах.
Как размер атома зависит от массы его электронов
Как же влияют рассматриваемые силы на строение атомного ядра? Ядерные силы влияют прежде всего на его размер. Почему же все-таки ядра так малы по сравнению с атомами? Чтобы выяснить это, давайте начнем с простейшего ядра, которое имеет как протон, так и нейтрон: это второй наиболее распространенной изотоп водорода, атом которого содержит один электрон (как и все изотопы водорода) и ядро из одного протона и одного нейтрона. Этот изотоп часто называют «дейтерий», а его ядро (см. рисунок 2) иногда называют «дейтрон.» Как мы можем объяснить, что держит дейтрон вместе? Ну, можно представить себе, что он не так уж отличается от атома обычного водорода, который также содержит две частицы (протон и электрон).
На рис. выше показано, что в атоме водорода ядро и электрон очень далеки друг от друга, в том смысле, что атом гораздо больше, чем ядро (а электрон еще меньше.) Но в дейтроне расстояние между протоном и нейтроном сравнимо с их размерами. Это отчасти объясняет, почему ядерные силы являются гораздо более сложными, чем силы в атоме.
Известно, что электроны имеют небольшую массу по сравнению с протонами и нейтронами. Отсюда следует, что
- масса атома, по существу близка к массе его ядра,
- размер атома (по существу размер электронного облака) обратно пропорционален массе электронов и обратно пропорционален общей электромагнитной силе; принцип неопределенности квантовой механики играет решающую роль.
Что объединяет ядра?
Общеизвестно, что ядро атома является крошечным, его размер на четыре-пять десятичных порядков меньше размера самого атома. В связи с этим возникает очевидный вопрос: почему оно настолько мало? Ведь атомы, состоящие из крошечных частиц, все же гораздо больше, чем частицы, которые они содержат.
Напротив, ядра не сильно отличаются по размеру от нуклонов (протонов и нейтронов), из которых они сделаны. Есть ли причина этому или это случайность?
Между тем, известно, что именно электрические силы удерживают отрицательно заряженные электроны вблизи атомных ядер. Какая же сила или силы удерживают частицы ядра вместе? Эту задачу выполняют ядерные силы, являющиеся мерой сильных взаимодействий.
Сильное ядерное взаимодействие
Если бы в природе были только гравитационные и электрические силы, т.е. те, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, то атомные ядра, состоящие зачастую из множества положительно заряженных протонов, были бы нестабильны: электрические силы, толкающие протоны друг от друга будут во много миллионов раз сильнее, чем любые гравитационные силы, притягивающие их друг к другу. Ядерные силы обеспечивают притяжение еще более сильное, чем электрическое отталкивание, хотя лишь тень их истинной величины проявляется в структуре ядра. Когда мы изучаем строение самих протонов и нейтронов, то видим истинные возможности того явления, которое известно как сильное ядерное взаимодействие. Ядерные силы есть его проявление.
На рисунке выше показано, что двумя противоположными силами в ядре являются электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами и сила ядерного взаимодействия, которая притягивает протоны (и нейтроны) вместе. Если число протонов и нейтронов не слишком отличается, то вторые силы превосходят первые.
Строение атомного ядра
В опытах Э. Резерфорда в начале XXв было установлено, что весь положительный заряд атома сконцентрирован в весьма малой части атома – в ядре.
Рис. 1. Планетарная модель атома.
Дальнейшее изучение радиоактивного распада привели его к выводу, что ядра атомов состоят из частиц – протонов. Кроме того, в ядра входят нейтроны, открытые позже. Массы протона и нейтрона (общее название – «нуклоны») очень близки, гораздо больше масс электронов, поэтому практически всю массу атома составляют именно они.
Рис. 2. Протоны и нейтроны в ядре.
Ядро самого легкого и распространенного элемента в Вселенной – водорода – состоит лишь из одного протона. Но, большинство ядер содержит большее количество протонов, оно равно атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Самый тяжелый из стабильных элементов, не подверженных радиоактивному распаду – свинец-208, содержащий 82 протона и 126 нейтронов.
Все протоны заряжены одинаково, и такое большое число протонов, находящихся рядом, должно подвергаться действию больших сил отталкивания. Ядра должны очень быстро распадаться. Однако, в реальности этого не наблюдается. Следовательно, существуют силы, удерживающие протоны внутри ядра. Что это за силы ?
История
Ядерная сила была в центре ядерной физики когда — либо , так как поле родилось в 1932 году с открытием нейтрона по Чедвик . Традиционная цель ядерной физики — понять свойства атомных ядер в терминах «голого» взаимодействия между парами нуклонов или нуклон-нуклонных сил (сил NN).
Через несколько месяцев после открытия нейтрона Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко предложили протон-нейтронные модели ядра. Гейзенберг подошел к описанию протонов и нейтронов в ядре через квантовую механику, подход, который в то время не был очевиден. Теория Гейзенберга для протонов и нейтронов в ядре явилась «большим шагом к пониманию ядра как квантово-механической системы». Гейзенберг представил первую теорию ядерных обменных сил, связывающих нуклоны. Он считал протоны и нейтроны разными квантовыми состояниями одной и той же частицы, т. Е. Нуклонами, различающимися величиной их ядерных изоспиновых квантовых чисел.
Одной из первых моделей ядра была модель разработанная в 1930-х годах. Одно свойство ядер состоит в том, что средняя энергия связи на нуклон примерно одинакова для всех стабильных ядер, что похоже на жидкую каплю. Модель жидкой капли рассматривала ядро как каплю несжимаемой ядерной жидкости, в которой нуклоны ведут себя как молекулы в жидкости. Модель была впервые предложена Джорджем Гамовым, а затем разработана Нильсом Бором , Вернером Гейзенбергом и Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером . Эта грубая модель не объяснила всех свойств ядра, но она объяснила сферическую форму большинства ядер. Модель также дала хорошие предсказания для энергии связи ядер.
В 1934 году Хидеки Юкава предпринял самую раннюю попытку объяснить природу ядерных сил. Согласно его теории, массивные бозоны ( мезоны ) опосредуют взаимодействие между двумя нуклонами. В свете квантовой хромодинамики (КХД) — и, как следствие, Стандартной модели — теория мезона больше не воспринимается как фундаментальная. Но концепция мезонного обмена (где адроны рассматриваются как элементарные частицы ) по-прежнему представляет собой лучшую рабочую модель для количественного NN- потенциала. Потенциал Юкавы (также называемый экранированным кулоновским потенциалом ) — это потенциал вида
- VЮкава(р)знак равно-грамм2е-μрр,{\ displaystyle V _ {\ text {Yukawa}} (r) = — g ^ {2} {\ frac {e ^ {- \ mu r}} {r}},}
где g — масштабная постоянная величины, т. е. амплитуда потенциала, — масса частицы Юкавы, r — радиальное расстояние до частицы. Потенциал монотонно увеличивается , что что сила всегда притягивает. Константы определяются опытным путем. Потенциал Юкавы зависит только от расстояния между частицами r , следовательно, он моделирует центральную силу .
μ{\ displaystyle \ mu}
На протяжении 1930-х годов группа в Колумбийском университете под руководством И. И. Раби разработала методы магнитного резонанса для определения магнитных моментов ядер. Эти измерения привели к открытию в 1939 г., что дейтрон также обладает электрическим квадрупольным моментом . Это электрическое свойство дейтрона мешало измерениям группы Раби. Дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, является одной из простейших ядерных систем. Это открытие означало, что физическая форма дейтрона не была симметричной, что дало ценную информацию о природе ядерных сил, связывающих нуклоны. В частности, результат показал, что ядерная сила не является центральной силой , а имеет тензорный характер. Ганс Бете назвал открытие квадрупольного момента дейтрона одним из важных событий в годы становления ядерной физики.
Исторически задача феноменологического описания ядерных сил была сложной. Первые полуэмпирические количественные модели появились в середине 1950-х годов, такие как потенциал Вудса – Саксона (1954). В 1960-х и 1970-х годах был достигнут значительный прогресс в экспериментах и теории ядерных сил. Одной из влиятельных моделей был потенциал Рейда (1968).
- VРид(р)знак равно-10,463е-μрμр-1650,6е-4μрμр+6484,2е-7μрμр,{\ displaystyle V _ {\ text {Reid}} (r) = — 10,463 {\ frac {e ^ {- \ mu r}} {\ mu r}} — 1650,6 {\ frac {e ^ {- 4 \ mu r }} {\ mu r}} + 6484,2 {\ frac {e ^ {- 7 \ mu r}} {\ mu r}},}
где и где потенциал дан в единицах МэВ. В последние годы экспериментаторы сосредоточились на тонкостях ядерной силы, таких как ее зарядовая зависимость, точное значение константы связи π NN , улучшенный анализ фазового сдвига , высокоточные данные NN , высокоточные NN- потенциалы, NN- рассеяние. при средних и высоких энергиях, и попытки вывести ядерную силу из КХД.
μзнак равно0,7FM-1{\ displaystyle \ mu = 0,7 {\ текст {fm}} ^ {- 1}}
Физический механизм ядерного взаимодействия
У всякого материального процесса, включая и взаимодействие между нуклонами, должны быть материальные же переносчики. Ими являются кванты ядерного поля – пи-мезоны (пионы), из-за обмена которыми и возникает притяжение между нуклонами.
Согласно принципам квантовой механики, пи-мезоны, то и дело возникая и тут же исчезая, образуют вокруг «голого» нуклона что-то вроде облака, называемого мезонной шубой (вспомните об электронных облаках в атомах). Когда два нуклона, окруженные такими шубами, оказываются на расстоянии порядка 10-15 м, происходит обмен пионами подобно обмену валентными электронами в атомах при образовании молекул, и между нуклонами возникает притяжение.
Если же расстояния между нуклонами становятся меньше 0,7∙10-15 м, то они начинают обмениваться новыми частицами – т.наз. ω и ρ-мезонами, вследствие чего между нуклонами возникает не притяжение, а отталкивание.
Численность и соотношение компонентов СЯС России
| Соотношение компонентов СЯС и динамика их сокращений с 1990 года по 2016 год. | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Носители | Количество боезарядов по годам | ||||||
| 1990 | июль 1997 | июль 2000 | октябрь 2005 | июль 2010 | январь 2015 | апрель 2016 | |
| МБР | |||||||
| РС-10 | 326 | ||||||
| РС-12 | 40 | ||||||
| РС-16 | 188 | ||||||
| РС-20 | 3080 | 1860 | 1800 | 850 | 590 | 480 | 460 |
| РС-18 | 1800 | 1020 | 900 | 774 | 420 | 180 | 120 |
| РС-22Ш | 560 | 100 | 100 | ||||
| РС-22Ж | 330 | 360 | 360 | ||||
| РС-12М | 288 | 360 | 360 | 291 | 174 | 76 | 72 |
| РС-12М2 | 20 | 40 | 49 | 60 | 60 | ||
| РС-12М2 мобильный | 15 | 18 | 18 | ||||
| РС-24 мобильный | 24 | 216 | 252 | ||||
| РС-24 шахтный | 16 | 40 | |||||
| Всего | 6612 | 3700 | 3540 | 1955 | 1248 | 1026 | 1022 |
| БРПЛ | |||||||
| РСМ-25 | 192 | 16 | |||||
| РСМ-40 | 280 | 192 | 48 | ||||
| РСМ-45 | 12 | ||||||
| РСМ-50 | 672 | 624 | 576 | 288 | 207 | 192 | 96 |
| РСМ-52 | 1200 | 1200 | 1200 | ||||
| РСМ-54 | 448 | 448 | 448 | 384 | 384 | 320 | 320 |
| РСМ-56 | 96 | 288 | |||||
| Всего | 2804 | 2480 | 2272 | 672 | 591 | 608 | 704 |
| АСЯС | |||||||
| Ту-95МС | 924 | 704 | 726 | 704 | 688 | 640 | 616 |
| Ту-95 | 63 | 10 | 4 | ||||
| Ту-160 | 180 | 72 | 180 | 168 | 156 | 168 | 192 |
| Всего | 1167 | 786 | 910 | 872 | 844 | 808 | 808 |
| Всего боезарядов | 10583 | 6966 | 6722 | 3499 | 3293 | 2312 | 2414 |
| Боезарядов на дежурстве | 10583 | 6966 | 5518 | 2198 | 2002 | 1643 | 1735 |
Феноменология сильных взаимодействий адронов
В 1950-е годы было открыто огромное число новых элементарных частиц, большинство из которых обладали очень малым временем жизни. Все эти частицы были сильно взаимодействующими: сечения их рассеяния друг на друге были порядка сечений взаимодействия нуклонов и пионов, и заметно превышали сечения взаимодействия с электронами.
Среди этих адронов были как мезоны, так и барионы. Они обладали различными спинами и зарядами; в их распределении по массам и в предпочитаемых каналах распада проглядывалась некоторая регулярность, однако откуда она бралась — не было известно.
По аналогии с пион-нуклонным рассеянием была построена модель сильных взаимодействий этих адронов, в которой каждому типу взаимодействия, каждому типу распада соответствовала некоторая своя константа взаимодействия. Кроме того, некоторые из наблюдаемых зависимостей не удавалось объяснить, и они просто постулировались в виде «правил игры», которым подчиняются адроны (правило Цвейга, сохранение изоспина и G-чётности, и т. д.). Несмотря на то, что в целом это описание работало, оно, безусловно, было неудовлетворительно с точки зрения теории: слишком многое приходилось постулировать, большое число свободных параметров вводилось совершенно произвольно и безо всякой структуры.
В середине 1960-х годов была обнаружена SU(3) симметрия свойств адронов, и было понято, что принципиальных степеней свободы при «конструировании» адронов вовсе не так много. Эти степени свободы получили название кварков. Эксперименты, проведённые спустя несколько лет, продемонстрировали, что кварки — не просто абстрактные степени свободы адрона, а реальные частицы, составляющие адрон, которые несут его импульс, заряд, спин и т. д. Единственная проблема заключалась в том, как описать тот факт, что кварки не могут вылететь из адронов ни в каких реакциях.
Тем не менее, даже в отсутствие теоретически обоснованной динамической картины взаимодействия кварков, уже тот факт, что адроны — составные частицы, позволил объяснить многие из чисто эмпирических свойств адронов.
Нуклон-нуклонные потенциалы
Двухнуклонные системы, такие как дейтрон , ядро атома дейтерия, а также рассеяние протон-протон или нейтрон-протон идеально подходят для изучения силы NN . Такие системы можно описать, приписав нуклонам потенциал (например, потенциал Юкавы ) и используя потенциалы в уравнении Шредингера . Форма потенциала выводится феноменологически (путем измерения), хотя для дальнодействующего взаимодействия теории мезонного обмена помогают построить потенциал. Параметры потенциала определяются путем подгонки к экспериментальным данным, таким как энергия связи дейтрона или сечения упругого рассеяния NN (или, что эквивалентно в этом контексте, так называемые фазовые сдвиги NN ).
Наиболее широко используемые NN потенциалы являются потенциал Париж , то потенциал Аргон AV18 , то потенциал CD-Bonn и потенциалы Неймеген .
Более поздний подход заключается в разработке эффективных теорий поля для последовательного описания нуклон-нуклонных и трехнуклонных сил. Квантовая адродинамика — это эффективная полевая теория ядерных сил, сравнимая с КХД для цветовых взаимодействий и КЭД для электромагнитных взаимодействий. Кроме того, нарушение киральной симметрии может быть проанализировано с помощью теории эффективного поля (называемой теорией киральных возмущений ), которая позволяет проводить пертурбативные вычисления взаимодействий между нуклонами с пионами в качестве обменных частиц.
От нуклонов к ядрам
Конечная цель ядерной физики — описать все ядерные взаимодействия на основе базовых взаимодействий между нуклонами. Это называется микроскопическим или ab initio подходом ядерной физики. Необходимо преодолеть два основных препятствия:
- Расчеты в системах многих тел сложны и требуют передовых вычислительных методов.
- Есть свидетельства того, что трехнуклонные силы (и, возможно, более высокие многочастичные взаимодействия) играют значительную роль. Это означает, что в модель необходимо включить трехнуклонные потенциалы.
Это активная область исследований с постоянным развитием вычислительных методов, ведущих к лучшим расчетам структуры ядерной оболочки из первых принципов . Двух- и трехнуклонные потенциалы реализованы для нуклидов до A = 12.
Ядерный потенциал
Успешный способ описания ядерных взаимодействий — построить один потенциал для всего ядра вместо того, чтобы рассматривать все его нуклонные компоненты. Это называется макроскопическим подходом. Например, рассеяние нейтронов на ядрах можно описать, рассматривая плоскую волну в потенциале ядра, которая состоит из действительной и мнимой частей. Эту модель часто называют оптической моделью, так как она напоминает случай рассеяния света непрозрачной стеклянной сферой.
Ядерные потенциалы могут быть локальными или глобальными : локальные потенциалы ограничены узким диапазоном энергий и / или узким диапазоном ядерных масс, в то время как глобальные потенциалы, которые имеют больше параметров и обычно менее точны, являются функциями энергии и ядерной массы и поэтому может использоваться в более широком диапазоне приложений.
Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы
Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.
Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.
Свойства ядерных сил:
- являются силами притяжения;
- являются короткодействующими силами (действуют на малых расстояниях, не превышающих 2·10-15 м; на таком расстоянии ядерные силы больше кулоновских приблизительно в 100 раз);
- обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами и между протоном и нейтроном, одинаковы);
- имеют свойство насыщения (каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра);
- не являются центральными (не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).
Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.
Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:
где \( M \) – масса ядра.
Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:
где \( \Delta m \) – дефект масс.
Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.
Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:
где \( \Delta E_{св} \) – энергия связи, \( c \) – скорость света.
Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).
Энергетический эквивалент 1 а.е.м.
Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:
В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).
Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.
Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:
где \( A \) – массовое число.
Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом \( A \) ≈ 100). У тяжелых ядер (\( A \) ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.
Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.
У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением \( Z \) кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.
Численность и соотношение компонентов СЯС России
| Соотношение компонентов СЯС и динамика их сокращений с 1990 года по 2016 год. | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Носители | Количество боезарядов по годам | ||||||
| 1990 | июль 1997 | июль 2000 | октябрь 2005 | июль 2010 | январь 2015 | апрель 2016 | |
| МБР | |||||||
| РС-10 | 326 | ||||||
| РС-12 | 40 | ||||||
| РС-16 | 188 | ||||||
| РС-20 | 3080 | 1860 | 1800 | 850 | 590 | 480 | 460 |
| РС-18 | 1800 | 1020 | 900 | 774 | 420 | 180 | 120 |
| РС-22Ш | 560 | 100 | 100 | ||||
| РС-22Ж | 330 | 360 | 360 | ||||
| РС-12М | 288 | 360 | 360 | 291 | 174 | 76 | 72 |
| РС-12М2 | 20 | 40 | 49 | 60 | 60 | ||
| РС-12М2 мобильный | 15 | 18 | 18 | ||||
| РС-24 мобильный | 24 | 216 | 252 | ||||
| РС-24 шахтный | 16 | 40 | |||||
| Всего | 6612 | 3700 | 3540 | 1955 | 1248 | 1026 | 1022 |
| БРПЛ | |||||||
| РСМ-25 | 192 | 16 | |||||
| РСМ-40 | 280 | 192 | 48 | ||||
| РСМ-45 | 12 | ||||||
| РСМ-50 | 672 | 624 | 576 | 288 | 207 | 192 | 96 |
| РСМ-52 | 1200 | 1200 | 1200 | ||||
| РСМ-54 | 448 | 448 | 448 | 384 | 384 | 320 | 320 |
| РСМ-56 | 96 | 288 | |||||
| Всего | 2804 | 2480 | 2272 | 672 | 591 | 608 | 704 |
| АСЯС | |||||||
| Ту-95МС | 924 | 704 | 726 | 704 | 688 | 640 | 616 |
| Ту-95 | 63 | 10 | 4 | ||||
| Ту-160 | 180 | 72 | 180 | 168 | 156 | 168 | 192 |
| Всего | 1167 | 786 | 910 | 872 | 844 | 808 | 808 |
| Всего боезарядов | 10583 | 6966 | 6722 | 3499 | 3293 | 2312 | 2414 |
| Боезарядов на дежурстве | 10583 | 6966 | 5518 | 2198 | 2002 | 1643 | 1735 |
