WikiDer > Полуэмпирическая формула массы
Ядерная физика |
---|
Ядро · Нуклоны (п, п) · Ядерное дело · Ядерная сила · Ядерная структура · Ядерная реакция |
Нуклидыклассификация Изотопы - равный Z Изобары - равный А Изотоны - равный N Исодиаферы - равный N − Z Изомеры - равно всем вышеперечисленным Зеркальные ядра – Z ↔ N Стабильный · Магия · Даже странно · Гало (Борромео) |
Ядерная стабильность |
Высокоэнергетические процессы |
Термоядерная реакция Процессы: Звездный · Большой взрыв · Сверхновая звезда Нуклиды: Изначальный · Космогенный · Искусственный |
Альварес · Беккерель · Быть · А. Бор · Н. Бор · Чедвик · Кокрофт · Ir. Кюри · Пт. Кюри · Число Пи. Кюри · Склодовская-Кюри · Дэвиссон · Ферми · Хан · Дженсен · Лоуренс · Mayer · Meitner · Олифант · Оппенгеймер · Proca · Перселл · Раби · Резерфорд · Soddy · Strassmann · Ąwitecki · Сцилард · Кассир · Томсон · Уолтон · Вигнер |
В ядерная физика, то полуэмпирическая формула массы (SEMF) (иногда также называемый Формула Вайцзеккера, Формула Бете – Вайцзеккера, или же Формула массы Бете – Вайцзеккера отличить его от Процесс Бете – Вайцзеккера) используется для аппроксимации масса и различные другие свойства атомное ядро из числа протоны и нейтроны. Как следует из названия, он частично основан на теории, а частично на эмпирических измерениях. Формула представляет модель капли жидкости предложено Георгий Гамов,[1] который может учитывать большинство членов формулы и дает приблизительные оценки значений коэффициентов. Впервые он был сформулирован в 1935 году немецким физиком. Карл Фридрих фон Вайцзеккер[2] и хотя на протяжении многих лет в коэффициенты вносились уточнения, структура формулы остается той же сегодня.
Формула дает хорошее приближение для атомных масс и, следовательно, других эффектов. Однако он не может объяснить существование линий с большей энергией связи при определенном количестве протонов и нейтронов. Эти числа, известные как магические числа, являются основой модель ядерной оболочки.
Модель жидкой капли
Модель жидкой капли была впервые предложена Георгий Гамов и далее развито Нильс Бор и Джон Арчибальд Уиллер. Он лечит ядро как капля несжимаемой жидкости очень высокой плотности, удерживаемая вместе ядерная сила (остаточный эффект сильная сила) наблюдается сходство со структурой сферической капли жидкости. В то время как модель жидкой капли является грубой, она учитывает сферическую форму большинства ядер и дает грубый прогноз энергии связи.
Соответствующая массовая формула определяется исключительно количеством протонов и нейтронов, которые она содержит. Исходная формула Вайцзеккера определяет пять терминов:
- Объемная энергия, когда совокупность нуклонов одинакового размера упаковывается в наименьший объем, каждый внутренний нуклон имеет определенное количество других нуклонов, контактирующих с ним. Итак, эта ядерная энергия пропорциональна объему.
- Поверхностная энергия исправляет предыдущее предположение, что каждый нуклон взаимодействует с таким же числом других нуклонов. Этот термин отрицательный и пропорционален площади поверхности, поэтому примерно эквивалентен жидкости. поверхностное натяжение.
- Кулон энергия, потенциальная энергия от каждой пары протонов. Поскольку это сила отталкивания, энергия связи снижается.
- Асимметрия энергии (также называемый Паули Энергия), что составляет Принцип исключения Паули. Неравное количество нейтронов и протонов подразумевает заполнение более высоких уровней энергии для одного типа частиц, в то время как более низкие уровни энергии остаются вакантными для другого типа.
- Парная энергия, что объясняет тенденцию пары протонов и пары нейтронов происходить. Четное число частиц более стабильно, чем нечетное из-за спиновая связь.
Формула
Масса атомного ядра, при нейтроны, протоны, и поэтому нуклоны, дан кем-то
куда и - масса покоя протона и нейтрона соответственно, а это энергия связи ядра. Полуэмпирическая формула массы утверждает, что энергия связи равна:
В член либо равен нулю, либо , в зависимости от паритет из и , куда для некоторой степени .
Каждый из членов этой формулы имеет теоретическую основу. Коэффициенты , , , , и определяются эмпирически; хотя они могут быть получены из эксперимента, они обычно выводятся из наименьших квадратов соответствуют современным данным. Хотя обычно он выражается пятью основными терминами, существуют дополнительные термины для объяснения дополнительных явлений. Подобно тому, как изменение полиномиального соответствия изменит его коэффициенты, взаимодействие между этими коэффициентами по мере появления новых явлений является сложным; некоторые термины влияют друг на друга, тогда как термин в значительной степени независим.[4]
Срок действия
Период, термин известен как срок объема. Объем ядра пропорционален А, поэтому этот член пропорционален объему, отсюда и название.
Основанием для этого термина является сильная ядерная сила. Сильное взаимодействие влияет как на протоны, так и на нейтроны, и, как и ожидалось, этот член не зависит от Z. Потому что количество пар, которое можно взять из А частицы , можно было бы ожидать члена, пропорционального . Однако сильное взаимодействие имеет очень ограниченный диапазон, и данный нуклон может сильно взаимодействовать только со своими ближайшими соседями и следующими ближайшими соседями. Следовательно, количество реально взаимодействующих пар частиц примерно пропорционально А, придавая объемному термину его форму.
Коэффициент меньше энергии связи, которой обладают нуклоны по отношению к своим соседям (), что составляет порядка 40 МэВ. Это потому, что чем больше количество нуклоны в ядре, тем больше их кинетическая энергия из-за Принцип исключения Паули. Если рассматривать ядро как Мяч Ферми из нуклоны, с равным числом протонов и нейтронов, то полная кинетическая энергия равна , с в Энергия Ферми который по оценкам как 28 МэВ. Таким образом, ожидаемое значение в этой модели , недалеко от измеренного значения.
Термин поверхности
Период, термин известен как поверхностный срок. Этот член, также основанный на сильной силе, является поправкой к члену объема.
Термин объема предполагает, что каждый нуклон взаимодействует с постоянным числом нуклонов, независимо от А. Хотя это почти верно для нуклонов глубоко внутри ядра, эти нуклоны на поверхности ядра имеют меньше ближайших соседей, что оправдывает эту поправку. Это также можно рассматривать как поверхностное натяжение срок, и действительно подобный механизм создает поверхностное натяжение в жидкостях.
Если объем ядра пропорционален А, то радиус должен быть пропорционален и площадь поверхности . Это объясняет, почему поверхностный член пропорционален . Также можно сделать вывод, что должен иметь такой же порядок величины, как .
Кулоновский член
Период, термин или же известен как Кулон или же электростатический термин.
Основанием для этого термина является электростатическое отталкивание между протонами. В очень грубом приближении ядро можно рассматривать как сферу однородной обвинять плотность. В потенциальная энергия такого распределения заряда можно показать как
куда Q это общий заряд и р - радиус сферы. Идентификация Q с , и отмечая, как выше, что радиус пропорционален , мы приближаемся к форме кулоновского члена. Однако, поскольку электростатическое отталкивание будет существовать только для более чем одного протона, становится . Значение можно приблизительно рассчитать, используя приведенное выше уравнение:
Целые числа квантового заряда:
Решение заменой:
Потенциальная энергия распределения заряда:
Электростатическая кулоновская постоянная:
Значение с использованием постоянная тонкой структуры:
куда это постоянная тонкой структуры и это радиус ядра, давая быть приблизительно 1,25 фемтометры. - комптоновский радиус протона и масса протона. Это дает приблизительное теоретическое значение 0,691 МэВ, недалеко от измеренного значения.
Срок асимметрии
Период, термин известен как член асимметрии (или же Термин Паули). Обратите внимание, что как , выражение в скобках можно переписать как . Форма используется для сохранения зависимости от А явный, так как это будет важно для ряда применений формулы.
Теоретическое обоснование этого термина более сложное. В Принцип исключения Паули заявляет, что нет двух идентичный фермионы может занимать точно такое же квантовое состояние в атоме. На данном уровне энергии для частиц доступно лишь конечное число квантовых состояний. В ядре это означает, что по мере "добавления" большего количества частиц эти частицы должны занимать более высокие энергетические уровни, увеличивая общую энергию ядра (и уменьшая энергию связи). Обратите внимание, что этот эффект не основан ни на одной из фундаментальных сил (гравитационный, электромагнитный и др.), только принцип исключения Паули.
Протоны и нейтроны, будучи разными типами частиц, находятся в разных квантовых состояниях. Можно представить себе два разных «пула» состояний, один для протонов, а другой для нейтронов. Теперь, например, если в ядре значительно больше нейтронов, чем протонов, некоторые из нейтронов будут иметь более высокую энергию, чем доступные состояния в протонном пуле. Если бы мы могли переместить некоторые частицы из нейтронного пула в протонный пул, другими словами, преобразовать часть нейтронов в протоны, мы бы значительно уменьшили энергию. Несбалансированность между числом протонов и нейтронов приводит к тому, что энергия оказывается выше, чем она должна быть, для данного количества нуклонов. Это основа для термина асимметрии.
Фактическая форма члена асимметрии может быть снова получена путем моделирования ядра как шара Ферми протонов и нейтронов. Его полная кинетическая энергия составляет
куда , - числа протонов и нейтронов и , их Энергии Ферми. Поскольку последние пропорциональны и соответственно получается
- для некоторой постоянной C.
Ведущее расширение в разнице затем
В разложении нулевого порядка кинетическая энергия равна Энергия Ферми умножается на . Таким образом мы получаем
Первый член вносит вклад в объемный член в полуэмпирической формуле массы, а второй член минус член асимметрии (помните, что кинетическая энергия вносит вклад в общую энергию связи с отрицательный знак).
38 лет МэВ, поэтому расчет из приведенного выше уравнения мы получаем только половину измеренного значения. Расхождение объясняется тем, что наша модель не точна: нуклоны фактически взаимодействуют друг с другом, а не равномерно распределены по ядру. Например, в модель оболочки, протон и нейтрон с перекрытием волновые функции будет больше сильное взаимодействие между ними и более сильная энергия связи. Это делает энергетически выгодным (т.е. имеющим более низкую энергию), чтобы протоны и нейтроны имели одинаковые квантовые числа (кроме изоспин), и, таким образом, увеличивают затраты энергии на асимметрию между ними.
Термин асимметрии можно также понять интуитивно следующим образом. Это должно зависеть от абсолютная разница , а форма просто и дифференцируемый, что важно для некоторых приложений формулы. Кроме того, небольшие различия между Z и N не имеют высоких затрат энергии. В А в знаменателе отражает тот факт, что данная разница менее значимо для больших значений А.
Срок сопряжения
Период, термин известен как срок сопряжения (возможно также известное как попарное взаимодействие). Этот термин отражает эффект вращение-связь. Выдается:[5]
куда эмпирически установлено, что его значение составляет около 1000 кэВ, которое медленно уменьшается с массовым числомА. Зависимость от массового числа обычно параметризуется как
Значение показателя степени kп определяется из экспериментальных данных об энергии связи. В прошлом его значение часто принималось равным −3/4, но современные экспериментальные данные показывают, что значение −1/2 ближе к отметке:
- или же .
Из-за Принцип исключения Паули ядро имело бы меньшую энергию, если бы количество протонов со спином вверх было равно количеству протонов со спином вниз. Это верно и для нейтронов. Только если оба Z и N Даже протоны и нейтроны могут иметь одинаковое количество частиц со спином вверх и вниз. Это эффект, аналогичный члену асимметрии.
Фактор трудно объяснить теоретически. Расчет шара Ферми, который мы использовали выше, основанный на модели жидкой капли, но без учета взаимодействий, даст зависимость, как в члене асимметрии. Это означает, что реальный эффект для больших ядер будет больше, чем ожидалось по этой модели. Это следует объяснить взаимодействиями между нуклонами; Например, в модель оболочки, два протона с одинаковыми квантовыми числами (кроме вращение) будет полностью перекрываться волновые функции и таким образом будет иметь больше сильное взаимодействие между ними и более сильная энергия связи. Это делает энергетически выгодным (т.е. имеющим более низкую энергию), чтобы протоны образовывали пары противоположного спина. То же самое и с нейтронами.
Расчет коэффициентов
Коэффициенты рассчитываются путем подгонки к экспериментально измеренным массам ядер. Их значения могут варьироваться в зависимости от того, как они соответствуют данным и какая единица измерения используется для выражения массы. Ниже приведены несколько примеров.
Айсберг и Резник[6] | По методу наименьших квадратов (1) | По методу наименьших квадратов (2)[7] | Рольф[8] | Wapstra[9] | |
---|---|---|---|---|---|
единица измерения | ты | МэВ | МэВ | МэВ | МэВ |
0.01691 | 15.8 | 15.76 | 15.75 | 14.1 | |
0.01911 | 18.3 | 17.81 | 17.8 | 13 | |
0.000673[α] | 0.714 | 0.711 | 0.711 | 0.595 | |
0.10175 | 23.2 | 23.702 | 23.7 | 19 | |
0.012 | 12 | 34 | 11.18 | 33.5 | |
−1/2 | −1/2 | −3/4 | −1/2 | −3/4 | |
(даже-даже) | |||||
(нечетное-нечетное) | |||||
(четно-нечетное, нечетное-четное) | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
|
Формула не учитывает внутренние структура оболочки ядра.
Таким образом, полуэмпирическая формула массы хорошо подходит для более тяжелых ядер и плохо подходит для очень легких ядер, особенно 4Он. Для легких ядер обычно лучше использовать модель, учитывающую эту структуру оболочки.
Примеры следствий формулы
Максимизируя Eб(А,Z) относительно Z, можно было бы найти лучшее нейтронно-протонное отношение N / Z для заданного атомного веса А.[8] Мы получили
Это примерно 1 для легких ядер, но для тяжелых это отношение растет в хорошем соответствии с эксперимент.
Подставляя указанное выше значение Z обратно в Eб, можно получить энергию связи как функцию атомного веса, Eб(А). Eб(А)/А относительно А дает ядро, которое наиболее сильно связано, т.е. наиболее стабильно.Мы получаем значение А = 63 (медь), близко к измеренные значения из А = 62 (никель) и А = 58 (утюг).
Модель жидкой капли также позволяет вычислить барьеры деления для ядер, которые определяют устойчивость ядра к спонтанное деление. Первоначально предполагалось, что элементы за пределами атомного номера 104 не могут существовать, поскольку они будут подвергаться делению с очень коротким периодом полураспада,[10] хотя эта формула не учитывала стабилизирующие эффекты замкнутых ядерные снаряды. Модифицированная формула, учитывающая оболочечные эффекты, воспроизводит известные данные и предсказанные остров стабильности (в котором барьеры деления и периоды полураспада, как ожидается, увеличиваются, достигая максимума при закрытии оболочки), хотя также предполагает возможный предел существования сверхтяжелых ядер за пределами Z = 120 и N = 184.[10]
Рекомендации
- ^ Гамов, Джордж (1930). «Кривая массового дефекта и ядерная конституция». Труды Королевского общества А. 126 (803): 632–644. Bibcode:1930RSPSA.126..632G. Дои:10.1098 / rspa.1930.0032. JSTOR 95297.
- ^ фон Вайцзеккер, К. Ф. (1935). "Zur Theorie der Kernmassen". Zeitschrift für Physik (на немецком). 96 (7–8): 431–458. Bibcode:1935ZPhy ... 96..431W. Дои:10.1007 / BF01337700.
- ^ Государственный университет Орегона. «Ядерные массы и связывающая энергия, урок 3» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 30 сентября 2015 г.. Получено 30 сентября 2015.
- ^ Кирсон, Майкл У. (1 января 2008 г.). «Взаимное влияние терминов в полуэмпирической формуле массы». Ядерная физика A. 798 (1): 29–60. Bibcode:2008НуФА.798 ... 29К. Дои:10.1016 / j.nuclphysa.2007.10.011. ISSN 0375-9474.
- ^ Крейн, К. (1988). Введение в ядерную физику. Джон Уайли и сыновья. стр.68. ISBN 978-0-471-85914-7.
- ^ Айсберг, Роберт; Резник, Роберт (1985). Квантовая физика атомов, молекул, твердых тел, ядер и частиц (Второе изд.). Джон Вили и сыновья. п.528. ISBN 0-471-87373-X.
- ^ Алонсо, Марсело; Финн, Эдвард Дж. (1969). Фундаментальная университетская физика. Vol. III. Квантовая и статистическая физика. Издательство Эддисон-Уэсли. п. 297.
- ^ а б Рольф, Дж. У. (1994). Современная физика от α до Z0. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0471572701.
- ^ Вапстра, А. Х. (1958). «Атомные массы нуклидов». В Флюгге, С. (ред.). Внешние свойства атомных ядер.. Энциклопедия физики. 8/38/1. Springer. С. 1–37. Bibcode:1958HDP .... 38 .... 1 Вт. Дои:10.1007/978-3-642-45901-6_1. ISBN 978-3-642-45902-3.
- ^ а б Мёллер, П. (2016). «Пределы ядерной карты, установленные делением и альфа-распадом» (PDF). Сеть конференций EPJ. 131: 03002:1–8. Bibcode:2016EPJWC.13103002M. Дои:10.1051 / epjconf / 201613103002.
Источники
- Freedman, R .; Янг, Х. (2004). Физика Университета Сирса и Земанского с современной физикой (11-е изд.). С. 1633–1634. ISBN 978-0-8053-8768-1.
- Ливерхант, С. Э. (1960). Элементарное введение в физику ядерных реакторов. Джон Уайли и сыновья. стр.58–62. LCCN 60011725.
- Choppin, G .; Liljenzin, J.-O .; Ридберг, Дж. (2002). «Ядерная масса и стабильность» (PDF). Радиохимия и ядерная химия (3-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. С. 41–57. ISBN 978-0-7506-7463-8.
внешняя ссылка
- Модель ядерной жидкой капли в гиперфизика онлайн-ссылка на Государственный университет Джорджии.
- Модель жидкой капли с подгонкой параметров из Первые наблюдения возбужденных состояний в нейтронно-дефицитных ядрах 160,161W и 159Та, Алекс Кинан, кандидатская диссертация, Ливерпульский университет, 1999 (HTML версия).