Страница 197 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

В О П Р О С Ы

1. Приведите основные характеристики протона и нейтрона. Охарактеризуйте протонно-нейтронную модель ядра.

Приведите основные характеристики протона и нейтрона. Охарактеризуйте протонно-нейтронную модель ядра.

Протон и нейтрон — это субатомные частицы, являющиеся основными компонентами атомных ядер. Их общее название — нуклоны.

Основные характеристики протона (p)

• Заряд: Протон обладает положительным электрическим зарядом, равным по модулю элементарному заряду: $q_p = +e \approx +1.602 \times 10^{-19}$ Кл.
• Масса: Масса покоя протона составляет $m_p \approx 1.6726 \times 10^{-27}$ кг, что приблизительно в 1836 раз больше массы электрона. В атомных единицах массы (а.е.м.) это значение равно $m_p \approx 1.00728$ а.е.м.
• Спин: Спин протона равен $1/2$, поэтому он относится к классу фермионов.
• Стабильность: В свободном состоянии протон является стабильной частицей.

Основные характеристики нейтрона (n)

• Заряд: Нейтрон — электрически нейтральная частица, его заряд равен нулю ($q_n = 0$).
• Масса: Масса покоя нейтрона незначительно превышает массу протона и составляет $m_n \approx 1.6749 \times 10^{-27}$ кг (примерно в 1839 раз больше массы электрона). В а.е.м. масса нейтрона равна $m_n \approx 1.00866$ а.е.м.
• Спин: Спин нейтрона также равен $1/2$, он является фермионом.
• Стабильность: Свободный нейтрон нестабилен. Он подвержен бета-распаду со средним временем жизни около 880 секунд (около 14.7 минут), в результате которого он превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино: $n \rightarrow p + e^- + \bar{\nu}_e$. Однако в составе стабильных атомных ядер нейтрон стабилен.

Протонно-нейтронная модель ядра

Протонно-нейтронная модель строения атомного ядра была предложена в 1932 году независимо советским физиком Дмитрием Иваненко и немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Эта модель основывается на следующих ключевых положениях:

• Состав ядра: Атомное ядро состоит из двух типов частиц — протонов и нейтронов.
• Нуклоны: Протоны и нейтроны, как составляющие ядра, имеют общее название — нуклоны.
• Зарядовое число (Z): Количество протонов в ядре называется зарядовым числом ($Z$) или атомным номером. Оно определяет химические свойства элемента и его положение в периодической таблице. Полный заряд ядра равен $+Ze$.
• Массовое число (A): Общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом ($A$).
• Число нейтронов (N): Количество нейтронов в ядре обозначается как $N$. Связь между этими величинами выражается формулой: $A = Z + N$. Ядра с одинаковым $Z$, но разным $N$ называются изотопами.
• Ядерные силы: Нуклоны в ядре удерживаются вместе благодаря сильному ядерному взаимодействию. Это фундаментальное взаимодействие является чрезвычайно мощным, но короткодействующим (проявляется на расстояниях, сопоставимых с размером ядра, ~$10^{-15}$ м). Важным свойством ядерных сил является их зарядовая независимость — они действуют одинаково между парами протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон. Эти силы преодолевают электростатическое отталкивание между положительно заряженными протонами.
• Энергия связи и дефект масс: Масса любого ядра всегда меньше суммы масс составляющих его свободных нуклонов. Эта разница масс, называемая дефектом масс ($\Delta m$), соответствует энергии, выделившейся при образовании ядра. Эта энергия называется энергией связи ($E_{св}$) и связана с дефектом масс соотношением Эйнштейна: $E_{св} = \Delta m \cdot c^2$. Энергия связи определяет стабильность ядра.

Протонно-нейтронная модель стала общепринятой, так как она успешно объяснила основные свойства ядер: заряд, массу, спин, а также явление изотопии.

Ответ:

Основные характеристики протона: положительный заряд $+e \approx +1.602 \times 10^{-19}$ Кл, масса $m_p \approx 1.6726 \times 10^{-27}$ кг, спин $1/2$, является стабильной частицей. Основные характеристики нейтрона: электрически нейтрален (заряд 0), масса $m_n \approx 1.6749 \times 10^{-27}$ кг, спин $1/2$, в свободном состоянии нестабилен (распадается примерно за 15 минут). Протонно-нейтронная модель ядра гласит, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (общее название — нуклоны). Число протонов $Z$ определяет элемент, а общее число нуклонов $A$ (сумма протонов и нейтронов) — его массовое число. Нуклоны в ядре связаны сильным ядерным взаимодействием, которое является короткодействующим и не зависит от заряда. Масса ядра меньше суммы масс его нуклонов, и эта разница (дефект масс) определяет энергию связи ядра, обеспечивающую его стабильность.

2. Как осуществляется сильное обменное взаимодействие протона и нейтрона в ядре?

Сильное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре, является взаимодействием обменного типа. Согласно модели, предложенной японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 году, это взаимодействие осуществляется посредством обмена виртуальными частицами-переносчиками.

Переносчиками сильного взаимодействия между нуклонами служат пи-мезоны (пионы). Процесс обмена можно описать следующим образом:

• Взаимодействие протона и нейтрона. Они могут обмениваться заряженными пионами ($\pi^+$ и $\pi^-$). В ходе этого обмена нуклоны превращаются друг в друга. Например, протон ($p$) испускает положительный пион ($\pi^+$), превращаясь в нейтрон ($n$). Соседний нейтрон поглощает этот пион и становится протоном.

  Схематически реакции выглядят так:

  $p \rightarrow n + \pi^+$

  $n + \pi^+ \rightarrow p$

  Аналогично происходит обмен отрицательным пионом:

  $n \rightarrow p + \pi^-$

  $p + \pi^- \rightarrow n$

  В результате этого непрерывного "перебрасывания" зарядом протон и нейтрон оказываются связанными.

• Взаимодействие одноимённых нуклонов. Два протона или два нейтрона, а также протон с нейтроном, могут обмениваться нейтральными пионами ($\pi^0$). В этом случае нуклоны не изменяют свой тип, но сам факт обмена частицей также приводит к возникновению сил притяжения.

Пионы, участвующие в этом обмене, являются виртуальными. Они рождаются и поглощаются за очень короткое время ($\sim 10^{-23}$ с), которое разрешено квантовым соотношением неопределенностей для энергии и времени. За это время они успевают преодолеть расстояние между нуклонами, обеспечивая их связь. Именно масса пионов определяет малый радиус действия ядерных сил (порядка $10^{-15}$ м).

Важно отметить, что на более глубоком, фундаментальном уровне (согласно квантовой хромодинамике) протоны и нейтроны сами состоят из кварков, а сильное взаимодействие происходит между кварками и переносится глюонами. То, что мы называем сильным взаимодействием между нуклонами, — это остаточное (или вторичное) проявление фундаментального сильного взаимодействия, подобно тому как силы Ван-дер-Ваальса между молекулами являются остаточным проявлением электромагнитных сил.

Ответ: Сильное обменное взаимодействие между протоном и нейтроном в ядре осуществляется за счет непрерывного обмена виртуальными частицами — пи-мезонами (пионами). Обмениваясь заряженными пионами ($\pi^+$ или $\pi^-$), протон и нейтрон превращаются друг в друга. Они также могут обмениваться нейтральными пионами ($\pi^0$), не изменяя свой тип. Этот постоянный обмен частицами создает мощные силы притяжения, которые удерживают нуклоны вместе.