Главная | Обратная связь

Вычисления внутренней энергии для температур меньших температуры вырождения приводят к формуле

.
Отсюда теплоемкость электронного газа

. (8)

Если рассматривать электроны проводимости в металле как классический электронный газ, то согласно закону равномерного распределения энергии по степеням свободы эти электроны должны были бы дать добавочный вклад в теплоемкость, равный . Согласно (8) вклад электронов в теплоемкость металла оказывается меньше этого значения на два порядка, в соответствии с опытом.

Элементы ядерной физики

Атомное ядро. Ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в системе элементов Менделеева Z (числу протонов в ядре или числу электронов в атоме), число нейтронов – . Ядро обозначают символом .

Ядра могут иметь несколько изотопов, характеризующимися одним и тем же порядковым номером Z, но различными А и N. Например, – ядро водорода – протон; – ядро дейтерия – дейтрон (d); – ядро трития – тритон (t).

Электрический заряд ядра равен числу положительно заряженных протонов в ядре. Размеры ядер зависят от числа нуклонов в ядре, и как у всякой квантовой системы у атомного ядра нет четко выраженной границы.

Эффективный радиус ядра , где константа м близка к радиусу действия ядерных сил (значение зависит от того, в каких физических явлениях измеряется размер ядра).

В экспериментах по рассеянию электронов и протонов на ядрах установлено, что в каждом ядре отчетливо различается внутренняя область (керн), в которой плотность ядерного вещества практически постоянна, и поверхностный слой, в котором эта плотность падает до нуля. Распределение концентрации нуклонов в ядре в зависимости от расстояния r до центра ядра приведено на рис., где – радиус ядра, а Dr – толщина поверхностного слоя. Радиус ядра определяется как расстояние от центра ядра, на котором концентрация нуклонов падает в два раза, по сравнению с концент­рацией в центре ядра. Радиусы ядер находятся в пределах от 2×10^-15 м до 10×10^-15 м.

По объему ядро занимает малую часть атома. Однако в ядре сосредоточено 99,9 % всей массы атома, поэтому плотность ядерного вещества r @ 2×10¹⁷ кг/м³.

Размеры протона и нейтрона примерно одинаковы и равны l»7,8×10^-15 м. Размер электрона l»10^-19 м. Плотность вещества в нуклоне r @ 7,5×10¹⁷ кг/м³. Время жизни протона t=10³² лет. Время жизни нейтрона в свободном состоянии t=11,7 минут, в ядре он стабилен.

Ядро характеризуют барионным зарядом В. Под барионами понимают группу элементарных частиц с полуцелым спином и массой не меньше массы протона, т.е. это протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов и “очарованных” частиц и др. Барионный заряд протона В=1, нейтрона – В=0. Для существующих в природе атомных ядер барионное число изменяется от 1 (водород) до 110 для соответствующего элемента в периодической системе элементов Менделеева. Барионное число нейтронных звезд В@10⁵⁷, а для всей Вселенной – В@10⁷⁸.

Ядра характеризуются электрическим и магнитным моментами. В различных состояниях ядро может иметь разные по величине магнитные и электрические моменты. В СИ ядерный магнетон
,
где и – заряд и масса протона. В единицах магнитный момент протона , нейтрона , т.е. магнитный момент нейтрона ориентирован против его спина.

Магнитные моменты ядер измеряют, используя явление магнитного резонанса, которое заключается в резонансном поглощении энергии высокочастотного электромагнитного поля, которое происходит при переориентации магнитных моментов, предварительно выстроенных в направлении постоянного магнитного поля.

Ядра могут вращаться, что обусловлено не сферичностью ядер в основном состоянии. Это следует из универсального квантового закона: вращаться может только такая микроскопическая система, которая не обладает сферической симметрией.

Атомные ядра могут находиться в определенных дискретных квантовых состояниях, отличающиеся друг от друга энергией и другими характеристиками, сохраняющимися во времени. Важнейшими квантовыми характеристиками ядерных состояний являются спин ядра I и четность Р. Спин – целое число у ядер с четным А (бозоны) и полуцелое при нечетном А (фермионы). Спин ядра равен сумме спинов составляющих его нуклонов.

Четность состояния Р = ±1 указывает на изменение знака волновой функции ядра при зеркальном отражении пространства, т.е. как изменяется квантовое состояние при обращении знаков у координат всех частиц. Это преобразование называют пространственной инверсией, при инверсии правый винт становится левым.

Ядерные состояния характеризуются также другими квантовыми числами, например, изотопической инвариантностью ядерных сил. Она приводит к появлению у легких ядер (Z £ 20) квантового числа Т, называемого изотопическим спином (изоспином). Т – целое число при четном А и полуцелое при нечетном, так как изотопический спин нуклона равен . Для различных квантовых состояний ядра

.
Изоспины основного состояния минимальны и равны

.
Изоспин характеризует свойства симметрии волновой функции состояния ядра относительно замены . Кроме I, P и T ядерные состояния могут характе­ризоваться другими квантовыми числами, связанными с конкретной моделью ядра.

Структуру сложных ядер исследуют с помощью моделей: капельной, оболочечной, ротационной, обобщенной и др. Например, согласно оболочечной модели многие ядра даже в невозбужденном состоянии имеют форму эллипсоида вращения и даже трехос­ного эллипсоида. Не сферичность основного состояния ядра – внутреннее его свойство.

Ядерные силы. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, являются проявлением одного из самых интенсивных, известных в физике взаимодействий – сильного (ядерного). Эти силы по интенсивности превосходят электромагнитные в 100 раз. Ядерные силы характеризуются следующими свойствами:

1) Ядерные взаимодействия самые сильные в природе. Например, энергия связи дейтрона ~2,23 МэВ, а энергия связи атома водорода ~13,6 эВ.

2) Радиус действия ядерных сил конечен ~10^-15 м.

3) Ядерные силы не имеют центральной симметрии. Эта особенность ядерных сил проявляется в их зависимости от взаимной ориентации спинов нуклонов. Взаимодействие между нуклонами имеет обменный характер. В опытах по рассеянию нейтронов на протонах регистрируются случаи “отрыва” от протонов их электрических зарядов и присоединения зарядов к нейтронам, в результате нейтрон превращается в протон.

4) Ядерные силы обладают изотопической инвариантностью, которая проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов в системах n-n, n-p, p-p при одном и том же состоянии относительного движения частиц в этих парах.

5) На расстояниях ~10^-15 м ядерные силы являются силами притяжения. На много меньших расстояниях они становятся силами отталкивания, что было обнаружено в опытах по рассеянию протонов на протонах при высоких энергиях выше 400 МэВ.

6) Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в независимости удельной энергии связи атомных ядер от их массового числа А.

7) Ядерные силы зависят от скорости относительного движения нуклонов. Например, при столкновениях нуклонов при увеличении энергии от 500 МэВ до 1 ГэВ сечение рассеяния нейтрона на протоне уменьшается на порядок.