Paar, Vladimir

Repository of Faculty of Science, University of Zagreb

Što se zbiva u atomskoj jezgri (I) Dr VLADI MIR P AAR, Samobor Jezgra atoma kemijskog elementa atomskog broja A i rednog broja Z sa:s~Qji se od A nukLeona: Z protona i A - Z neutrona. Istraživanje i razumijevanje takvog sistema elementarnih čestica predstavlja izvanredno težak i kompliciran problem i za. teoriju i za eksperiment. To je predmet brojnih suvremenih naučnih radova. Naučni pristup problemu zahtijeva dobro poznavanje kvantne mehanike i znatnog matematičkog aparata, pa je uvid u njega moguć. samo za uski krug specijalista. Međutim, intuitivno razumijevanje nuklearne strukture djelomično je moguće i bez poznavanja odgovarajuće fizičke i matematičke zgrade. U ovom članku, na krajnje pojednostavljen način, pokušat ćemo se osvrnuti na neke probleme suvremene teorije nuklearne strukture. Kako se dobiju eksperimentalne informacije o atomskoj jezgri? Jezgra je vrlo mali objekt, polumjera reda veličine 10-13 cm, pa se informacije o njoj mogu dobiti samo indirektno: eksperimentalni uređaji mjere razna svojstva produkata koji dolaze iz jezgre. Jedan tip takvih procesa su spontani, tj. jezgra emitira čestice ili zračenje bez vanjskog utjecaja: elektromagnetsko zračenje (y-raspad), elektrone (~-raspad), jezgre 4He (a-raspad), laganije jezgre (spontana fisija) itd. Drugi tip su umjetno proizvedeni procesi, nastali bombardiranjem jezgre pomoću čestica (npr. proton, neutron, elektron, 2H (deuteri)), 3H (tricij), 4He (a-čestica), 160 itd.), pri čemu projektil može da se elastično ili neelastično sudari sa jezgrom (tzv. raspršenje), da jezgri preda ili od nje oduzme jedan ili više nukleona (tzv. transfer reakcije) ili da stvori kompleksnija stanja. S druge strane intenzivno se razvijaju metode, pomoću kojih se iz podataka o svojstvima konačnih produkata dobivaju svojstva same atomske jezgre. Neke osnovne informacije do kojih se dolazi na taj način su slijedeće: Jezgra se može nalaziti samo u određenim diskretnim stanjima (tzv. nivoima). Svako stanje karak-teriziral}o je određenim kvantnim brojem momenta vrtnje, paritetom i energijom. Kvantni broj određenog momenta vrtnje j odgovara stanju sa momentom vrtnje V j (j + l)h (ili = Planckova konstanta). Stanja parnih jezgri karakterizirana su cjelo-brojnim, a neparnih polucijelim j. Moment vrtnje može se naivno povezati s poj-mom momenta vrtnje krutog tijela (npr. zvrka) u klasičnoj mehanici. Međutim, za kvantni sistem, a jezgra jest kvantni sistem, moment vrtnje može poprimiti samo određene, diskretne vrijednosti (cijele ili polucijele). Paritet je veličina koja izražava svojstvo stanja kvantnog sistema pri zrcaljenju (tj. kad se komponente x, y, z zamijene u -x, -y, -z, + ili - opisuju dva moguća ponašanja pri zrcaljenju. Vidi članak Mr Petra Colića, god. XXI 547). U klasičnoj mehanici nema analogona paritetu, pa je to bitno novi, kvantnomehanički pojam. Nuklearni nivoi i njihova specifikacija za određenu jezgru obično• se jednim imenom nazivaju spektar. Za ilustraciju, na Sl. 1 .dan je niskoležeći dio poznatih eksperimentalnih spektara 1 ~:Au11s (A= 197, Z = 79, N = 118) i 1::Hg118• Energije pobuđenih stanja izražene su relativno prema energiji osnovnog stanja (tj. stanja najniže energije). Jedinica energije u nuklearnoj fizici obično je 1 MeV =; 1.69 X 10-s erg. Treba istaći da se u jezgri očito radi o velikim energijama, jer energije koje se javljaju u uobičajenim atomskim procesima, tj. u kemijskim reakcijama, reda su veličine 1 eV = io-s MeV. 50 Jezgra prelazi iz viših stanja u niža ili obratno, putem enuslJe ili apsorpcije elektromagnetskog zračenja. Elektromagnetsko zračenje također je kvantizirano (fotoni) i karakterizirano određenim momentom vrtnje, paritetom i energijom. Pritom vrijede slijedeći zakoni sačuvanja: E, = E, ± Ew, 1t1 = 'ft1 • 1t„, Iii - j„ I <i1 <ii+ i<»· Ovdje su j, 7t i E moment vrtnje, par itet i energija, a indeksi w, i, f odnose se na zračenje, početno i konačno stanje jezgre. Na taj način E; označava energiju početnog stanja, 7ti paritet početnog stanja, y,,, angularni moment fotona itd. Intenziteti y-prijelaza odražavaju svojstva E(Mey) 2 l.5 o.s --- 112· - --(512'l - --1112 --- 112• o __ -_ _ 312' ~Au,. ~-2· - --- 2· =-2· ___ _ 5 - - - - 2• • ~==~· --- 2• o• SI. 1. Eksperimentalno poznata stanja jezgri 197 Au I •98Hg. Svako stanje k8-rakterlzlrano Je energijom. momen-tom vrtnje i paritetom. Za neka viša stanja na slici poznate su samo ener-gije, a momenti vrtnje i pariteti Ili su nesigurni ili ih ni.le mol(uće odre-diti postojećom eksperimentalnom tehnikom.' što .le energija -pobuđenih stanja viša. teže je provesti eksperi-mentalnu analizu za određivanje mo-menta vrtnje 1 pariteta. stanja atomske jezgre. Poznavanje stanja jezgre znači dakle i mogućnost predviđanja i objašnje-nja, koji su y-prijelazi jaki, a koji slabi. Treba istaći da y-prljelazi reflektiraju globalna svoj-stva jezgri, tj. kompletnu strukturu stanja, a ne samo njihov parcijalni dio. Pri jednočestičnoj transfer reakciji iz jez-gre se izbija, ili joj se dodaje jedan nukleon, i iz analize tog procesa može se zaključiti u kakvom stanju se ta.i nukleon nalazi u jezgri. Pri dvočestičnom transferu, izbijanjem ili doda-vanjem dvaju nukleona, dobivaju se informacije u kakvim stanjima se istovremeno nalaze dva nukleona. Dakle, transfer reakcije više reflekti-raju lokalna svojstva jezgre. Pred teorijsku nuklearnu fiziku postavlja se pitanie, kako razumjeti svojstva atomske jezgre, objasniti poznate i predvidjeti nove fenomene. U najjednostavnijoj slici klasične mehanike jezgra bi se sastojala od A loptica koje se među­sobno privlače. Mjerene fizikalne veličine tada bi poprimale kontinuirane vrijednosti. Opažena diskretnost mogućih energija i momenata vrt-nje očito ukazuju na nerealističnost klasične slike atomske jezgre. Diskretnost mogućih vrijednosti fizikalnih veličina jedna je od prirodnih konsekvenci kvantnomehaničkog opisa. Jednostavan je pri-mjer primjena kvantne -mehanike na vodikov atom, za koji je moguće izračunati tzv. valnu funkciju, koja pruža kvantnomehanički opis fizikalnog sistema i svih njegovih svojstava. Za atomsku jezgru nije moguće egzaktno kvantnomehaničko rješenje_ Razlozi su slijedeći : 1) Sile koje djeluju između dva nukleona _fantastično su komplicirane, pa i pored velikog naoretll:a u njihovom poznavanju nije točno poznat njihov oblik, a vjerojatno se niti ne daju izraziti pomoću konačne formule (tj. ana-litičkog izraza). ' 2) Kvantnomehanički problem mnogo tije-la daleko prelazi numeričke mogućnosti današ-njih, a vjerojatno i budućih elektronskih račun­skih strojeva. S druge strane, postavlja se i. principijelno pitanje matematičke egzistencije i jednoznačnosti takog r ješenja. u' takvoj situaciji uvodi se jedna od osnovnih Ideja u opisivanju sistema mnogo - tijela: pojam elementarnih pobuđenja. Svaki kvantnomehanički sistem mnogo tijela (npr. atomska jezgra, atom, molekula, plazma, metal, kristal itd.) ima dva osnovna tipa elementarnih pobuđenja : i} Elementarna pobuđenja čestičnog (ili tzv. kvazičestičnog) -tipa u biti su lokalnog karaktera. Jedna čestica (npr. nukleon u jezgri) u svojoj okolini izaziva promjene. kao što ripr. kola na prašnjavoj cesti podižu oblak prašine. Fizikalni objekt tada nije više »gola« čestica, nego čestica zajedno s »Oblakom« koji je stvorila u okolini, tj . :oobučena« čestica. - · -/ 51 ii) Elementarna pobuđenja kolektivnog tipa u biti su globalnog karaktera. Opisuju gibanja sistema kao cjeline, u kojima sudjeluju sve n jegove sastavne čestice. Svaki fizikalni sistem karakteriziran je prisutnošću određenih konkretnih ele-mentarnih pobuđenja tipova (i) i (ii), i njihovom međusobnom interakcijom. Koja su osnovna elementarna pobuđenja u atomskoj jezgri? Osnovna su pobuđenja čestičnog tipa (i) tzv. jednočestična pobuđenja ljus1ca-stog modela. U biti tog pojma leži pretpostavka da nukleoni u jezgri stvaraju sred-nju centralnu silu, tako da se pojedini nukleon približno ponaša kao da se giba u jednoj potencijalnoj jami. Na taj način nastaje situacija slična kao kod atoma, gdje pozitivno nabijena jezgra privlači negativno nabijene elektrone, pa kažemo da se. elektroni gibaju u potencijalnoj jami jezgre. Na taj način, pojam jednočestičnog stanja (u daljem tekstu j. č. s.) jezgre odgovara pojmu elektronske putanje u atomu. Treba naglasiti bltnu razliku u njihovom porijeklu: elektroni se gibaju u elek-tričnom polju jezgre, a pojedini nukleoni u kompliciranom srednjem polju, nasta-lom međudjelovanjem svih nukleona u jezgri. Pojam srednjeg polja i j. č. s. (tzv. ljuskasti model) čini se intuitivno prihvaOjiv, no on ima danas i čvrstu teoretsku i eksperimentalnu osnovu. No t-.reba naglasiti, da a priori nije vidljivo da vrlo jake interakcije između elementarnih čestica vode na jedno srednje polje u jezgri, u kojem se pojedini nukleoni gibaju približno nezavisno. Ljuskasti model predstavlja jedan od temeljaca suvremene nuklearne fizike. · E ~~~~'(JJ6 ~~~~)5 1---1---1 4 \=~~==/ 13 \==:I==~ }2 Sl. 2. Ilustracija potencijalne jame srednjeg centralnoslmetrlčnog polja u jezgri. U klaslć­noj fizici čestica bi se mogla nalaziti u sta-nju bllo koje energija unutar •lanca•, dok u kvantnoj mehanici može poprimiti samo odre-đene, diskretne energije, koje se grupiraju u skupine (tzv. I.i uske) naznačene na slici. Pri-mjer j ednostavne kvantnomehaničke potenci-jalne jame je Coulombovo polje jezgre u vo-dikovu atomu (oblik jame dan je s l/r) . Pri-mjer klasi čne potencijalne jame Je gravita-clono polje Sunca (opet je jama dana s lir). Interesantno Je nacrtati tu jamu I ucrtati stanja (tj. putanje) planeta. No tijelo se može · gibati u stanju svake moguće energije unutar -- 3/2.(d312> -- 112•cs112> Sl. 3. Eksperimentalno određena 1 protonska . Jednošupljinska stan ja u petoj ljusci. Ako u petoj lju5cl nedostaje jedan proton. on može nedostajati u s,,. ljusci (tada je to odgovara-juće stanje naJhlže energije) Ili dstt Ili hu11 itd. Takva stanja realizirana su u Izotopima tali.ta. koji ima 81 proton (peta ljuska je za-tvorena sa 82 protona). jame. npr. raketom se može ubaciti satelit n.a bilo ko.Ju putanju Oko Sunca. Naravno. pn-sutnost drug ih nebeskih tijela s vlastltlm gra-vitac ionim poljima vode do kompliciranja ove jednostavne potencijalne jame. Kvantnomehaničko gibanje čestice u srednjem polju moguće je samo u sta-njima određene diskretne energije. Na primjer, elektron se u vodikovom atomu može gibati samo u određenim ljuskama. Potencijalna jama srednjeg polja u jezgri (koja opisuje privlačnu centralnu silu) i moguće jednočestične energije za protone ili neutrone, ilustrirani su na Sl. 2. Horizontalne linije predstavljaju energi je mo-gućih stanja, a svako je karakterizirano još i momentom vrtnje i paritetom, koji nisu naznačeni na slici zbog jednostavnosti. U kvantnoj mehanici u stanje određe­nog momenta vrtnje j može se smjestiti najviše 2 f + 1 čestica, tj. protona ili neu-trona u jezgri, i elektrona u atomu. Raspoloživa jednočestična stanja grupirana su u skupine, tzv. lju~ke. · Ljuske su ovisne o obliku potencijalne jame pa su različite za jezgru i atom. Na Sl. 2 naznačen je i redni broj ljuske u jezgri. Tako npr., prva ljuska ima samo jedan energetski nivo (j"" = 112+) i u nju se mogu smjestiti samo dvije čestice, a 52 šesta ljuska ima pet j. č. s. (j" = 7/2+, 5/2+, 1112-, 3/2+, 1/2+) i u nju se mogu smjestiti 32 protona odn. neutrona. Protonske i neutronske ljuske pune se nezavisno, ali su međusobno slične. Atomi koji imaju potpuno popunjene određene ljuske, a one iznad njih prazne, pokazuju osobitu stabilnost, tj. nerado stupaju u kemijske reakcije. Naime, potrebna je relativno velika energija da se iz popunjene ljuske otkine elektron. U nuklearnoj ficizi postoji analogan pojam popunjenih ljusaka. Tako je npr kod 2~~Pb11s popu-njena protonska ljuska (Z = 82). Ako se razmatraju susjedne jezgre sa jednim (2~!.Bius), dva ( 2~!Po118) ili tri (2~!At118) protona u slijedećoj protonskoj ljusci, prema ljuskastom modelu očekujemo da će se ti dodatni protoni nalaziti u najnižim sta-njima slijedeće protonske ljuske. Analogno, kod susjednih jezgri kojima nedostaje, jedan ( 1 :~Tl11s), dva <1:~Hgus) ili tri ( 1~~Auus) protona da bi imali popunjenu Z = 82 protonsku ljusku, prema ljuskastom modelu nedostajat će jedan, dva ili tri protona u jednočestičnim stanjima šeste protonske ljuske. Odgovarajuća j. č. s. ilustrirana su na Sl. 3. Svako stanje karaketrizirano je određenim momentom vrtnje i paritetom, a u zagradama su dane odgovarajuće uobičajene oznake koje se ko_riste za j. č. s. Istaknuto kolektivno pobuđenje (ii) kod atomskih jezgri je koherentno (tj. 'kon-struktivno interferentno) pobuđivanje nukleona iz nižih stanja u viša, i odgovara klasičnom analogonu titranja povr,šine. Takva elementarna pobuđenja moguća su samo u određenim porcijama - kvantima određene energije, momenta vrtnje i pariteta, koji 11e zovu fononi. (Slično kao što se i svjetlost, tj. elektromagnetsko zra-čenje, emitira samo u određenim kvantima - fotonima). Za razliku od jedno-čestičnih stanja nukleona, broj fonona nije sačuvan_u procesima: fononi se u pro-cesima u jezgri mogu stvarati i poništavati. (Slično kao što se fotoni svjetlosti mogu emitirati i. apsorbirati.) 

Što se zbiva u atomskoj jezgri (I)

https://repozitorij.pmf.unizg.hr/islandora/object/pmf:6241/datastream/FILE0

Što se zbiva u atomskoj jezgri (I)

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of Faculty of Science, University of Zagreb