Toți probabil își amintește de la școală că atomii și chiar nucleele atomice sunt atât de mici încât nu pot fi văzuți sau atinși. Acest lucru poate da impresia că, odată ce aceste dimensiuni sunt legate de micropultura, ele pot fi determinate numai prin experimente fizice foarte complexe. Dar nu este așa. Există fenomene destul de macroscopice și chiar de zi cu zi care ne permit să estimăm aceste dimensiuni cel puțin într-o ordine de mărime. Într-una din problemele pe care le-am dat deja seama cum se poate estima dimensiunea atomului, pornind de la caracteristicile termodinamice cunoscute ale substanței. Să ne îndreptăm acum spre nucleul atomic.
Desigur, nucleele sunt mai greu de studiat decât atomii înșiși. În formarea proprietăților materiei, ele joacă un rol secundar. Ei dau substanței o masivitate, păstrează electroni în jur, dar nucleele în sine nu interacționează direct unul cu altul. Acest lucru se datorează faptului că acestea sunt foarte mici, mult mai mici decât atomii înșiși (figura 1). Și din acest motiv, determinarea dimensiunii lor este mai dificilă decât dimensiunea atomilor.
Fig. 1. Nucleul atomic este mult mai mic decât atomul însuși. Imagine de pe site-ul en.wikipedia.org
În această sarcină, cu toate acestea, pentru a estima mărimea nucleului, vom folosi un indiciu pe care natura ne oferă, un fenomen de radioactivitate.
Se știe că, în cursul unor transformări nucleare, nucleele izvorăsc neutroni. Spre deosebire de protoni sau electroni, neutronii nu sunt încărcați electric. În zborul lor prin materie, ei practic nu simt cochiliile electronilor atomilor. Ei acoperi un atom după altul prin fără să se abate de la traiectoria sa până când se confruntă cap-cu o substanță nucleu. Pentru simplificare, vom presupune că fiecare neutroni rapizi, crashing în nucleu, provocând unele interacțiuni semnificative: poate fi absorbanta, împrăștiere elastică, sau orice schimbare în nucleu.
O astfel de "ignorare" a neutronilor față de interacțiunile electromagnetice conduce la faptul că fluxul de neutroni are o putere mare de penetrare (Figura 2). Calea liberă a neutronului (adică distanța dintre evenimentele individuale de coliziune) poate fi destul de mare, mult mai mare decât pentru electroni sau raze X. Cel mai important lucru pentru noi aici este faptul că această lungime este măsurată direct în cel mai simplu experiment de laborator privind ecranarea fluxului de neutroni de plăci de diferite grosimi. Rezultatele sunt următoarele: pentru neutronii rapizi cu o energie de ordinul 1 MeV, calea medie liberă într-un solid, de exemplu aluminiu, este de aproximativ 10 cm - o dimensiune complet macroscopică.
Fig. 2. Corelație tipică între adâncimea de penetrare a radiației alfa, beta, gamma și neutroni de energie comparabilă. Schema de pe site-ul remnet.jp
Pe baza ratei raționamente și numerele de mai sus de ordinul dimensiunii atomice a miezului de aluminiu.
Sfat 1
Desenează schematic mai mulți atomi, presați strâns unul de altul prin cochilii lor electronici. Observați nucleele atomice din interiorul lor, fără a uita că ele sunt foarte mici. Neutronii nu acorde atenție la cojile de electroni pentru ei o substanță solidă - este ca o „de gaz“, foarte subțire și aproape imobilă a nucleelor atomice. Prin urmare, neutronul trage o traiectorie dreaptă și să încerce să înțeleagă modul în care lungimea drumului liber este legată de mărimea nucleului.
Sfat 2
De fapt, formula de cuplare a căii libere medii cu parametrii mediului a fost deja întâlnită în problema coliziunii fotonilor. Acolo am vorbit despre secțiunea transversală pentru împrăștierea fotonilor unul pe altul, și aceasta a fost o magnitudine mai degrabă abstractă. Acum, totul este mai simplu: credem că secțiunea transversală pentru o coliziune neutronică-nucleară coincide pur și simplu cu secțiunea geometrică a sistemului "core + neutron".
În Fig. 3 într-o formă foarte simplificată arată o materie solidă în ceea ce privește particulele încărcate sau fotoni, precum și din punctul de vedere al neutronului. Neutronul practic "nu vede" electroni, pentru că există doar nuclee atomice. Indicăm raza nucleului de R. și distanța caracteristică dintre ele de a. Vă rugăm să rețineți că - aceasta este o distanță tipic interatomică, este mult mai mare decât kernel-ul în sine R. ne neutronice pentru estimările simplu, presupunem punct. Dacă se dorește, estimarea poate fi îmbunătățită prin corelarea dimensiunii neutronului cu dimensiunea nucleului și cu numărul de masă al acestuia. Cu toate acestea, această rafinare nu va schimba ordinea de mărime.
Fig. 3. Reprezentarea schematică a materiei din punct de vedere al particulelor încărcate (stânga) și din punct de vedere al neutronului (dreapta)
Relația dintre lungimea căii libere L. coliziune secțiune transversală sigma și concentrația de n nuclee deja discutate în detaliu în soluția de aproximativ coliziune de fotoni. Este pur și simplu scris: Lσn = 1. În acest caz, secțiunea coliziune transversală - este pur și simplu o vedere în secțiune transversală a nucleului, σ = πR 2. o concentrație exprimată în ceea ce privește distanța dintre nuclee, n = 1 / a 3. Substituind aceste expresii, obținem un răspuns pentru raza de evaluare nucleu:
Distanța interatomică a este pentru o materie solidă pur și simplu dimensiunea atomilor, adică mai mulți angstromi. Pentru o estimare mai precisă, putem calcula concentrația de nuclei prin densitatea materiei și masa nucleului; pentru aluminiu acest lucru dă a = 2,5 Å. Luând L = 0,1 m, obținem R ≈ 7,10-15 m.
Valoarea găsită este de aproximativ două ori mai mare decât raza reală a miezului de aluminiu. Aceasta este o precizie perfect acceptabilă pentru o estimare simplă în ordinea mărimii.
postfață
Această sarcină poate servi ca o introducere la diferite povestiri despre modul în care neutronii sau, mai general, particulele individuale elementare interacționează cu materia. Ne vom limita aici doar la câteva dintre cele mai generale schițe.
În primul rând, trebuie să spunem imediat că într-un experiment real, dimensiunile nucleelor sunt măsurate prin metode destul de diferite. Modul cel mai standard este o versiune îmbunătățită a experienței clasice a lui Rutherford. mărimea nucleului poate fi determinată de modul în care particulele încărcate sunt împrăștiate pe ea. Dar aici este un moment curios: se pare că nucleul poate avea mai multe dimensiuni diferite: raza protonului, raza materialului, raza de încărcare etc. În unele cazuri, de exemplu, pentru nucleele cu un halo neutron, aceste dimensiuni pot diferi semnificativ. Prin urmare, fizica experimentală modernă folosește mai multe metode diferite pentru a măsura dimensiunile și pentru a studia structura nucleelor (vedeți introducerea acestui domeniu al fizicii în știrile noastre. Studiile optice ajută la studierea nucleelor cu un halo neutronic).
Fig. 4. Traiectoriile electroni și neutroni în substanță sunt foarte diferite, datorită naturii diferite a interacțiunilor
Mai mult, de ce în această problemă au fost folosiți neutronii și nu electronii sau protonii? În parte, răspunsul este clar din soluție. Atât particulele încărcate, cât și fotonii, simt nu numai și nu atât de multe nuclee ca și cojile electronice ale atomilor și, prin urmare, folosesc mișcarea lor pentru a măsura mărimea nucleului este dificilă. Dar există un al doilea aspect. Interacțiunea neutronilor cu nuclee este pe termen scurt; Apare numai în cazul în care neutronul se apropie de nucleu pentru o distanță de ordinul dimensiunii nucleare. De aceea, traiectoria de neutroni în materie este o linie întreruptă cu puncte de rupere bine definite și secțiuni drepte (figura 4). Dar traiectoria particulelor încărcate datorită interacțiunii electromagnetice pe distanțe lungi este în mod constant deviată de la o parte la alta, dar, adevărat, la unghiuri mici. Mai mult, această interacțiune conduce la ionizarea materiei (lovirea electronilor noi) și la emisia de fotoni. Ca urmare, o particulă încărcată în materie pur și simplu nu are o cale liberă bine definită. Pentru mai multe detalii despre fenomenele care apar aici, vedeți cursul online "Interacțiunea particulelor cu materia".
În această sarcină, presupunem pentru simplitate că secțiunea transversală de imprastiere de neutroni în nucleul unei pur geometrice: are loc o coliziune, în cazul în care traiectoria neutronului cade strict in interiorul nucleului. De fapt, în microcosmos, care este descris de legi cuantice, situația poate fi foarte diferită de această ipoteză. Mai mult decât atât, această diferență depinde puternic de energia neutronilor (figura 5). Astfel, la energii de aproximativ 1 MeV, secțiunea transversală de împrăștiere este de obicei câteva hambare (1 b = 10 -24 cm 2 în problema secțiunii noastre avansat aproximativ 0,5 b). Pentru neutroni termici (energie de aproximativ 0,025 eV) secțiune de captare a neutronilor este de multe mii de ori (!) Barn, care este de mai multe ordine de mărime mai mare decât dimensiunea geometrică a nucleului (a se vedea. Tabelul periodic al secțiunilor neutronilor de captare transversale). Există chiar și tehnologii medicale care utilizează această caracteristică fizică nucleară, de exemplu, terapia de captare de bor-neutronică pentru a face față cu forme dificile de cancer. Și în regiunea energetică intermediară, se observă stropi ascuțite și înguste ale secțiunii, care apar datorită structurii complexe a nucleului.
Fig. 5. Dependența secțiunii transversale pentru captarea neutronilor de către izotopii de uraniu, plutoniu și toriu asupra energiei neutronice. Imagine de la intechopen.com
Stați aici sunt neutronii reci. Datorită vitezei sale reduse și o lungime de undă mare, ei nu simt nuclee individuale si echipa lor mare imediat (a se vedea. Știri rece uverturi raze de neutroni fără a introduce perturbații). Din această cauză, la o viteză suficient de scăzută, ei se pot reflecta, în general, din substanță; material ca și cum ar împinge astfel de neutroni. Acest lucru vă permite să păstrați literalmente neutroni ultrarece în „sticlă de metal“ și să poarte cu ei diferite experimente (a se vedea. Măsurători De exemplu, știri neutronilor toată durata de viață realizate prin diferite metode, sunt încă la cote și neutroni în câmpul gravitațional al Pământului vă permite să testați modele de energie întunecată și întuneric materia și problema Neutron în capcana).
Fig. 6. Imaginea canalelor de răcire din interiorul lamei turbinei, obținută prin radiografia cu neutroni. Imagine de la ne.ncsu.edu
În cele din urmă, neutronii deschid nenumărate posibilități nu numai pentru fizica fundamentală. dar și pentru cercetarea aplicată. Nici măcar încercarea de a lista toate domeniile specifice de aplicare, pur și simplu menționa dispozitivele de diagnostic industriale, în care nu există alte metode zaglyanesh (fig. 6), știința materialelor, științe biomedicale, împreună cu farmacologie, geofizica. Toate aceste aplicații se bazează într-un fel sau altul pe capacitatea mare de penetrare a neutronilor din materie.