Трофимова Т.И. Курс физики

Подождите немного. Документ загружается.

то оно вызывает движение электронов

в n-полупроводнике и дырок в р-полу-

проводнике от границы p-n-перехода в

противоположные стороны. В резуль-

тате запирающий слой расширится и

его сопротивление возрастет.

Направление внешнего

поля,

рас-

ширяющего запирающий слой, называ-

ется запирающим {обратным). В этом

направлении электрический ток через

p-n-переход практически не проходит.

Ток в запирающем слое в запирающем

направлении образуется лишь за счет

неосновных носителей тока (электро-

нов в р-полупроводнике и дырок в п-

полупроводнике).

Если приложенное к р-п-переходу

внешнее электрическое поле направле-

но противоположно полю контактного

слоя (рис. 340,

б),

то оно вызывает дви-

жение электронов в п-полупроводнике

и дырок в р-полупроводнике к границе

p-n-перехода навстречу друг другу.

В этой области они рекомбинируют,

толщина контактного слоя и его сопро-

тивление уменьшаются. Следователь-

но, в этом направлении электрический

ток проходит сквозь p-n-переход в на-

правлении от р-полупроводника к

п-по-

лупроводнику; оно называется пропус-

кным {прямым).

Таким образом, p-n-переход (подоб-

но на контакте металл — полупровод-

ник) обладает односторонней {вен-

тильной) проводимостью.

На рис. 341 представлена вольт-ам-

перная характеристика

р-п-перехода.

Как уже указывалось, при пропускном

(прямом) напряжении внешнее элект-

рическое поле способствует движению

основных носителей тока к границе

p-n-перехода (см. рис. 340, б). В резуль-

тате толщина контактного слоя умень-

шается. Соответственно уменьшается и

сопротивление перехода (тем сильнее,

чем больше напряжение), а сила тока

Рис.

340

становится большой (правая ветвь на

рис.

341).

Это направление тока назы-

вается прямым.

При запирающем (обратном) напря-

жении внешнее электрическое поле

препятствует движению основных но-

сителей тока к границе

р-п-перехода

(см. рис. 340, а)

способствует движе-

нию неосновных носителей тока, кон-

центрация которых в полупроводниках

невелика. Это приводит к увеличению

толщины контактного слоя, обедненно-

го основными носителями тока. Соот-

ветственно увеличивается и сопротив-

ление перехода. Поэтому в данном слу-

чае через

p-n-переход

протекает толь-

ко небольшой ток (он называется об-

ратным), полностью обусловленный

Рис.341

471

неосновными носителями тока (левая

ветвь рис. 341). Быстрое возрастание

этого тока означает пробой контактно-

го слоя и его разрушение. При включе-

нии в цепь переменного тока

р-n-пере-

ходы действуют как выпрямители.

§ 250. Полупроводниковые

диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость кон-

тактов двух полупроводников (или ме-

талла с полупроводником) использует-

ся для выпрямления и преобразования

переменных токов. Если имеется один

электронно-дырочный переход, то его

действие аналогично действию двух-

электродной лампы — диода (см. §

105).

Поэтому полупроводниковое устрой-

ство, содержащее один

p-n-переход,

на-

зывается полупроводниковым (крис-

таллическим) диодом. Полупровод-

никовые диоды по конструкции делят-

ся на точечные и плоскостные,

В качестве примера рассмотрим то-

чечный германиевый диод (рис. 342), в

котором тонкая вольфрамовая прово-

лока 1 прижимается к п-германию 2

острием, покрытым алюминием. Если

через диод в прямом направлении про-

пустить кратковременный импульс

тока, то при этом резко повышается

диффузия А1 в Ge и образуется слой

германия,

обогащенный алюминием и

обладающий

р-проводимостью.

На гра-

нице этого слоя образуется

р-п-переход,

обладающий высоким коэффициентом

выпрямления. Благодаря малой емко-

сти контактного слоя точечные диоды

Рис.342

Рис.

343

применяются в качестве детекторов

(выпрямителей) высокочастотных ко-

лебаний вплоть до сантиметрового ди-

апазона

длин

волн.

Принципиальная схема плоскостно-

го меднозакисного (купроксного) вып-

рямителя дана на рис. 343. На медную

пластину с помощью химической обра-

ботки наращивается слой закиси меди

Си

О,

который покрывается слоем се-

ребра. Серебряный электрод служит

только для включения выпрямителя в

цепь. Часть слоя

Си

О,

прилегающая к

меди и обогащенная ею, обладает элек-

тронной проводимостью, а часть слоя

Си

О,

прилегающая к Ag и обогащен-

ная (в процессе изготовления выпрями-

теля) кислородом, — дырочной прово-

димостью. Таким образом, в толще за-

киси меди образуется запирающий слой

с пропускным направлением тока от

Си

к Си (р

п).

Технология изготовления германи-

евого плоскостного диода описана в

§ 249 (см. рис. 338). Распространенны-

ми являются также селеновые диоды и

диоды на основе арсенида галлия и кар-

бида кремния. Рассмотренные диоды

обладают рядом преимуществ по срав-

нению с электронными лампами (ма-

лые габаритные размеры, высокие КПД

и срок службы, постоянная

готовность

к работе и т.д.), но они очень чувстви-

тельны к температуре, поэтому интер-

вал их рабочих температур ограничен

(от-70

до+120

°С).

p-n-Переходы

обладают не только

прекрасными выпрямляющими свой-

ствами, но могут быть использованы

472

также для усиления, а если в схему вве-

сти обратную связь, то и для генериро-

вания электрических колебаний. При-

боры, предназначенные для этих целей,

получили название полупроводнико-

вых триодов или транзисторов

(первый транзистор создан в 1949 г.

американскими физиками Д.Барди-

ном, У. Браттейном и У.

Шокли;

Нобе-

левская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов ис-

пользуются германий и кремний, так

как они характеризуются большой ме-

ханической прочностью, химической

устойчивостью и большей, чем в других

полупроводниках, подвижностью носи-

телей тока. Полупроводниковые трио-

ды

делятся на точечные и плоско-

стные. Первые значительно усилива-

ют напряжение, но их выходные мощ-

ности малы из-за опасности перегрева

(например, верхний предел рабочей

температуры точечного германиевого

триода лежит в пределах 50 — 80 °С).

Плоскостные триоды являются более

мощными. Они могут быть типа р-п-р

и типа п-р-п в зависимости от чередо-

вания областей с различной проводи-

мостью.

Для примера рассмотрим принцип

работы плоскостного триода

р-п-р,

т.е.

триода на основе гс-полупроводника

(рис. 344). Рабочие «электроды» трио-

да, которыми являются база (средняя

часть транзистора), эмиттер и кол-

лектор (прилегающие к базе с обеих

сторон области с иным типом проводи-

мости), включаются в схему с помощью

невыпрямляющих контактов — метал-

лических проводников. Между эмитте-

ром и базой прикладывается постоян-

ное смещающее напряжение в прямом

направлении, а между базой и коллек-

тором — постоянное смещающее напря-

жение в обратном направлении. Усили-

ваемое переменное напряжение подает-

ся на входное сопротивление

а уси-

ленное снимается с выходного сопро-

тивления

вых

Протекание тока в цепи эмиттера

обусловлено в основном движением

дырок (они являются основными носи-

телями тока) и сопровождается их

«впрыскиванием» — инжекцией — в

область базы. Проникшие в базу дырки

диффундируют по направлению к кол-

лектору, причем при небольшой толщи-

не базы значительная часть инжектиро-

ванных дырок достигает коллектора.

Здесь дырки захватываются полем, дей-

ствующим внутри перехода (притяги-

ваются к отрицательно заряженному

коллектору), вследствие чего изменяет-

ся ток коллектора. Следовательно, вся-

кое изменение тока в цепи эмиттера

вызывает изменение тока в цепи кол-

лектора.

Прикладывая между эмиттером и

базой переменное напряжение, полу-

чим в цепи коллектора переменный ток,

а на выходном сопротивлении — пере-

менное напряжение. Величина усиле-

ния зависит от свойств

р-п-переходов,

нагрузочных сопротивлений и напря-

жения батареи

Обычно

BbIX

>•

поэтому

Bhlx

значительно превышает

входное напряжение

(усиление мо-

жет достигать 10 000). Так как мощ-

ность переменного тока, выделяемая в

вых

может быть больше, чем расходу-

емая в цепи эмиттера, то транзистор дает

и усиление мощности. Эта усиленная

473

мощность появляется за счет источника

тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что тран-

зистор, подобно электронной лампе,

дает усиление и напряжения, и мощно-

сти. Если в лампе анодный ток управ-

ляется напряжением на сетке, то в тран-

зисторе ток коллектора, соответствую-

щий анодному току лампы, управляет-

ся напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п-

типа аналогичен рассмотренному выше,

но роль дырок играют электроны. Су-

ществуют и другие типы транзисторов,

так же как и другие схемы их включе-

ния. Благодаря своим преимуществам

перед электронными лампами (малые

габаритные размеры, большие КПД и

срок службы, отсутствие накаливаемо-

го катода (поэтому потребление мень-

шей мощности), отсутствие необходи-

мости в вакууме и т.д.) транзистор со-

вершил революцию в области элект-

ронных средств связи и обеспечил со-

здание быстродействующих ЭВМ с

большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

Чем различаются по зонной

теории

полупроводники и диэлектрики? металлы и диэ-

лектрики?

Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?

Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и крис-

талле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с

повышением

температуры?

Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запре-

щенной зоны? Доказать это положение.

Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной

примесной проводимости?

Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобла-

дает собственная проводимость?

Почему

экситоиное

поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводи-

мости?

Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости?

Что такое красная граница фотопроводимости?

Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресцен-

ции?

Что такое люминесценция? Какие ее виды вам известны?

Что представляют собой кристаллофосфоры?

Сформулируйте законы Вольта.

В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?

Объясните механизм возникновения контактной разности потенциалов согласно зон-

ной теории.

В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?

Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводни-

ком n-типа? с полупроводником

р-типа?

Объясните механизм его образования.

Поясните физические процессы, происходящие в

р-п-переходе.

Как объяснить одностороннюю проводимость

р-?г-перехода?

Какова вольт-амперная характеристика

р-?г-перехода?

Объясните возникновение пря-

мого и обратного тока.

474

• Какое

направление

в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

• Какие типы полупроводниковых диодов вам известны?

• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запира-

ющем напряжении?

ЗАДАЧИ

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17 °С. Принимая ширину запрещенной зоны

кремния 0,72 эВ, определите, во сколько раз

возрастет

его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической

системой элементов

Д.

И. Менделеева, определите и объясните тип проводимости примес-

ного кремния.

31.3. Определите длину волны, при которой в

примесном

полупроводнике еще возбуж-

дается фотопроводимость.

ЧАСТЬ 7

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА

И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Глава 32

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА

§ 251. Размер, состав и заряд

атомного ядра.

Массовое и зарядовое числа

Э. Резерфорд, исследуя прохожде-

ние

а-частиц

с энергией в несколько

мегаэлектрон-вольт через тонкие плен-

ки золота (см. § 208), пришел к выводу,

что атом состоит из положительно за-

ряженного ядра и окружающих его

электронов. Проанализировав эти опы-

ты,

Э.

Резерфорд также показал, что

атомные ядра имеют размеры пример-

но

10~

—

1СГ

м (линейные размеры

атома примерно 1СГ

м).

Атомное ядро состоит из элементар-

ных частиц — протонов и нейтронов

(протонно-нейтрониая

модель ядра

была предложена российским физиком

Д.Д.Иваненко (1904-1994), а впос-

ледствии развита В.Гейзенбергом).

Протон (р) имеет положительный

заряд,

равный

заряду электрона, и мас-

су

= 1,6726 •

10~

кг

«1836

где

— масса электрона. Нейтрон (п) —

нейтральная частица с массой

= 1,6749 •

10~

кг

«1839

Протоны и

нейтроны называются нуклонами (от

лат. nucleus — ядро). Общее число нук-

лонов в атомном ядре называется мас-

совым числом А.

Атомное ядро характеризуется за-

рядом Ze, где Z — зарядовое число

ядра, равное числу протонов в ядре и

совпадающее с порядковым номером хи-

мического элемента в Периодической

системе элементов Д. И. Менделеева.

Известные в настоящее время 110 эле-

ментов таблицы Менделеева имеют за-

рядовые числа ядер от

Z=l

до

Z=110.

Ядро обозначается тем же символом,

что и нейтральный атом:

^Х,

где

X — сим-

вол химического элемента, Z — зарядо-

вое число (число протонов в ядре), А —

массовое число (число нуклонов в ядре).

Сейчас

протонно-нейтронная

модель

ядра не вызывает сомнений. Рассматрива-

лась также гипотеза о

протонно-электрон-

ном строении ядра, но она не выдержала эк-

спериментальной проверки. Так, если при-

держиваться этой гипотезы, то массовое

число А должно представлять собой число

протонов в ядре, а разность между массовым

числом и числом электронов должна быть

равна зарядовому числу. Эта модель согла-

совывалась со значениями изотопных масс

и зарядов, но противоречила значениям спи-

нов и магнитных моментов ядер, энергии

связи ядра и т.д. Кроме того, она оказалась

несовместимой с соотношением неопреде-

ленностей (см. § 215). В

результате

гипоте-

за о

протонно-электрошюм

строении ядра

была отвергнута.

476

Так как атом нейтрален, то заряд

ядра определяет и число электронов в

атоме. От числа же электронов зависит

их распределение по состояниям в ато-

ме, от которого, в свою очередь, зави-

сят химические свойства атома. Следо-

вательно, заряд ядра определяет специ-

фику данного химического элемента, т. е.

определяет число электронов в атоме,

конфигурацию их электронных оболо-

чек, величину и характер внутриатом-

ного электрического поля.

Ядра

с одинаковыми Z, но разными А

(т.е. с разными числами нейтронов

N = А — Z) называются изотопами, а

ядра с одинаковыми А, но

разными

Z —

изобарами. Например, водород

= 1)

имеет три изотопа:

}Н

— протий

= 1,

N = 0),

?Н

-дейтерий (Z = 1, N = 1),

— тритий (Z = 1, N — 2), олово —

десять, и т.д. В подавляющем боль-

шинстве случаев изотопы одного и

того же химического элемента облада-

ют одинаковыми химическими и почти

одинаковыми физическими свойства-

ми (исключение составляют, напри-

мер, изотопы водорода), определяющи-

мися в основном структурой электрон-

ных оболочек, которая является одина-

ковой для всех изотопов данного эле-

мента. Примером ядер-изобар могут

служить ядра

^Ве,

^В,

^С.

В настоящее

время известно более 2500 яде]), отли-

чающихся либо Z, либо А, либо тем и

другим.

В первом приближении ядро можно

считать шаром,

причем

радиус ядра за-

дается эмпирической формулой

Радиус ядра имеет условный смысл,

поскольку границы ядра размыты. Из

формулы (251.1) вытекает, что объем

ядра пропорционален числу нуклонов

в ядре. Следовательно, плотность ядер-

ного вещества примерно одинакова для

всех ядер

(«10

кг/м

§ 252. Дефект массы

и энергия связи ядра

Исследования показывают, что атом-

ные ядра являются устойчивыми обра-

зованиями. Это означает, что в ядре

между нуклонами существует опреде-

ленная

связь.

Массу ядер очень точно можно оп-

ределить с помощью масс-спектро-

метров — измерительных приборов,

разделяющих с помощью электричес-

ких и магнитных полей пучки заряжен-

ных частиц (обычно ионов) с разными

удельными зарядами —. Масс-спектро-

метрические измерения показали, что

масса ядра меньше, чем сумма масс со-

ставляющих его нуклонов. Но так как

всякому изменению массы (см. § 40)

должно соответствовать изменение энер-

гии, то, следовательно, при образовании

ядра должна выделяться определенная

энергия.

Из закона сохранения энергии вы-

текает и обратное: для разделения ядра

на составные части необходимо затра-

тить такое же количество энергии, ко-

торое выделяется при его образовании.

Энергия, которую нужно затратить,

чтобы расщепить ядро на отдельные

нуклоны, называется энергией связи

ядра.

Энергия связи нуклонов в ядре

где

, т

— соответственно массы

протона, нейтрона и ядра.

В таблицах обычно приводятся не

массы

ядер, а массы т атомов. По-

этому для энергии связи ядра пользу-

ются формулой

477

св

[Zm

{A-

Z)m

-m]c\

(252.2)

где

— масса атома водорода. Так как

гпц

больше

тп

на величину

то пер-

вый член в квадратных скобках вклю-

чает в себя массу Z электронов. Но так

как масса атома т отличается от массы

ядра

как раз на массу Z электронов,

то вычисления по формулам (252.1) и

(252.2) приводят к одинаковым резуль-

татам. Величина

называется дефектом массы ядра. На

эту величину уменьшается масса всех

нуклонов при образовании из них атом-

ного ядра.

Часто вместо энергии связи рассмат-

ривают

удельную энергию связи

ЬЕ

СН

—

энергию связи, отнесенную к одному

нуклону. Она характеризует устойчи-

вость (прочность) атомных ядер, т.е.

чем больше

ЬЕ

СВ

тем устойчивее ядро.

Удельная

энергия

связи зависит от мас-

сового числа А элемента (рис. 345). Для

легких ядер (А

12) удельная энергия

связи круто возрастает до 6

—7

МэВ,

претерпевая целый ряд скачков (напри-

мер, для

\Я

ЬЕ

СВ

= 1,1 МэВ, для

|He

—

7,1 МэВ, для

|Li

— 5,3 МэВ), затем бо-

40 80 120 160 200 240

Рис.

345

лее медленно возрастает до максималь-

ной величины 8,7 МэВ у элементов с А =

= 50 — 60, а потом постепенно уменьша-

ется у тяжелых элементов (например,

для

9<>U

она составляет 7,6 МэВ). От-

метим для сравнения, что энергия связи

валентных электронов в атомах состав-

ляет примерно 10 эВ (в

раз меньше!).

Уменьшение удельной энергии связи

при переходе к тяжелым элементам объяс-

няется тем, что с возрастанием числа про-

тонов в ядре увеличивается и энергия их

кулоновского

отталкивания. Поэтому

связь между нуклонами становится менее

сильной, а сами ядра менее прочными.

Наиболее устойчивыми оказывают-

ся так называемые магические ядра, у

которых число протонов или число ней-

тронов равно одному из магических

чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Особенно

стабильны дважды магические ядра,

у которых магическими являются и

число протонов, и число нейтронов

(этих ядер насчитывается всего пять:

4тт

16/"v

40Г1

48р„

208ри\

Из

рис.

345 следует, что наиболее ус-

тойчивыми с энергетической точки зре-

ния являются ядра из середины Перио-

дической системы элементов. Тяжелые

и легкие ядра менее устойчивы. Это оз-

начает, что энергетически выгодны сле-

дующие процессы: 1) деление тяжелых

ядер на более легкие; 2) слияние легких

ядер

друг

с другом в более тяжелые. При

обоих процессах выделяется огромное

количество энергии. Эти процессы в на-

стоящее время осуществлены в реакци-

ях деления и термоядерных реакциях.

§ 253. Спин ядра

и его магнитный момент

Использование приборов высокой

разрешающей способности и специаль-

ных источников возбуждения спектров

478

позволило обнаружить сверхтонкую

структуру спектральных линий. Ее су-

ществование В. Паули объяснил (1924)

наличием у атомных ядер собственного

момента импульса {спина) и магнитно-

го момента.

Собственный момент импульса

ядра — спин ядра — складывается из

спинов нуклонов и из орбитальных мо-

ментов импульса нуклонов (моментов

импульса, обусловленных движением

нуклонов внутри ядра). Обе эти вели-

чины являются векторами, поэтому

спин ядра представляет их

векторную

сумму. Спин ядра квантуется по закону

где / — спиновое ядерное квантовое

число (его часто называют просто спи-

ном ядра), которое принимает целые

1 3

или полуцелые значения 0, —, 1, —, ....

Zi Zi

Ядра с четными А имеют целые

с не-

четными — полуцелые /.

Атомное ядро кроме спина обладает

магнитным моментом

тя

Магнит-

ный момент ядра связан со спином ядра

[см. аналогичное выражение (131.5)

для электрона]:

тя

где

— ко-

эффициент пропорциональности, назы-

ваемый ядерным гиромагнитным от-

ношением.

Единицей магнитных моментов ядер

служит ядерный магнетон

где

— масса протона [ср. эту форму-

лу с магнетоном Бора (§ 131)]. Ядерный

ТП

магнетон в —-

1836 раз меньше маг-

нетона Бора, поэтому магнитные свой-

ства атомов определяются в

основном

магнитными свойствами его электронов.

В случае эффекта Зеемана (см. § 223)

при помещении атома в магнитное поле

наблюдается расщепление энергетичес-

ких уровней и спектральных линий

{тонкая структура), обусловленное

спин-орбитальным взаимодействием

электронов. Во внешнем магнитном

поле также наблюдается расщепление

уровней энергии атома на близко рас-

положенные подуровни {сверхтонкая

структура), обусловленное взаимо-

действием магнитного момента ядра с

магнитным полем электронов в атоме.

Магнитные моменты ядер могут, та-

ким образом, определяться спектроско-

пическим методом но сверхтонкой

структуре спектральных линий. Однако

магнитные моменты ядер примерно на

три порядка меньше магнитных момен-

тов электронов [см. (253.1) и (§ 131)],

поэтому расщепление спектральных

линий, соответствующее сверхтонкой

структуре, значительно меньше рас-

щепления за счет взаимодействия меж-

ду

спиновым

и орбитальным момента-

ми электрона (тонкая структура).

Таким образом, из-за малости эф-

фекта, даже при использовании спект-

ральных приборов очень большой раз-

решающей способности,

точность

это-

го метода невелика. Поэтому были раз-

работаны более точные (не оптические)

методы определения магнитных мо-

ментов ядер, одним из которых являет-

ся метод ядерного магнитного резо-

нанса.

Явление ядерного магнитного резо-

нанса заключается в следующем: если

на вещество, находящееся в сильном

постоянном магнитном поле, действо-

вать слабым переменным радиочастот-

ным магнитным полем, то при частотах,

соответствующих частотам переходов

между ядерными подуровнями, возни-

кает резкий (резонансный) максимум

поглощения. Ядерный магнитный резо-

нанс обусловлен происходящими под

влиянием переменного магнитного поля

479

квантовыми переходами между ядер-

ными подуровнями.

Точность метода задается точностью

измерения напряженности постоянно-

го магнитного поля и резонансной час-

тоты, так как по их значениям вычис-

ляются магнитные моменты ядер. Так

как для измерения этих величин при-

меняются прецизионные методы, то

тя

можно определять с высокой точностью

(до шести знаков).

Метод ядерного магнитного резо-

нанса позволяет наблюдать ядерный

резонанс на ядрах, обладающих магнит-

ным моментом порядка

0,1|1

Количе-

ство вещества, необходимое для изме-

рений, должно составлять

10~

—10

г (в

зависимости от значения

тя

Измере-

ние значений магнитных моментов

ядер часто сводится к сравнению резо-

нансных частот исследуемых ядер с ре-

зонансной частотой протонов, что по-

зволяет освободиться от точной калиб-

ровки магнитного поля, которая явля-

ется довольно трудоемкой.

§ 254. Ядерные силы. Модели ядра

Между составляющими ядро нукло-

нами действуют особые, специфические

для ядра силы, значительно превыша-

ющие кулоновские силы отталкивания

между протонами. Они называются

ядерными силами.

помощью экспериментальных

данных по рассеянию нуклонов на яд-

рах, по ядерным превращениям и т.д.

доказано, что ядерные силы намного

превышают гравитационные, электри-

ческие и магнитные взаимодействия и

не сводятся к ним. Ядерные силы отно-

сятся к классу так называемых сильных

взаимодействий.

Перечислим основные свойства ядер-

ных сил:

1) ядерные силы являются силами

притяжения;

2) ядерные силы являются

коротко-

действующими — их действие проявля-

ется только на расстоянии примерно

10~

м. При увеличении расстояния

между нуклонами ядерные силы быст-

ро уменьшаются до нуля, а при рассто-

яниях, меньших их радиуса действия,

оказываются примерно в 100 раз боль-

ше кулоновских сил, действующих меж-

ду протонами на том же расстоянии;

3) ядерным силам свойственна заря-

довая независимость: ядерные силы,

действующие между двумя протонами,

или двумя нейтронами, или, наконец,

между протоном и нейтроном, одинако-

вы по величине. Отсюда следует, что

ядерные силы имеют неэлектрическую

природу;

4) ядерным силам свойственно на-

сыщение, т. е. каждый нуклон в ядре вза-

имодействует только с ограниченным

числом ближайших к нему нуклонов.

Насыщение проявляется в том, что

удельная энергия связи нуклонов в

ядре (если не учитывать легкие ядра)

при увеличении числа нуклонов не ра-

стет, а остается приблизительно посто-

янной;

5) ядерные силы зависят от взаим-

ной ориентации спинов взаимодейству-

ющих нуклонов. Например, протон и

нейтрон образуют дейтрон (ядро изото-

па

iH)

только при условии параллель-

ной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются цент-

ральными, т. е. действующими по линии,

соединяющей центры взаимодействую-

щих нуклонов.

Сложный характер ядерных сил и

трудность точного решения уравнений

движения всех нуклонов ядра (ядро

с массовым числом А представляет со-

бой систему из А тел) не позволили до

настоящего времени разработать еди-

480