En physique, le concept de « force » désigne la mesure de l'interaction des formations matérielles entre elles, y compris l'interaction de parties de la matière (corps macroscopiques, particules élémentaires) entre elles et avec des champs physiques (électromagnétique, gravitationnel). Au total, quatre types d'interactions dans la nature sont connus : forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle, et chacune a son propre type de force. La première d’entre elles correspond aux forces nucléaires agissant à l’intérieur des noyaux atomiques.
Qu'est-ce qui unit les noyaux ?
Il est de notoriété publique que le noyau d’un atome est minuscule et que sa taille est quatre à cinq ordres de grandeur inférieure à la taille de l’atome lui-même. Cela soulève une question évidente : pourquoi est-il si petit ? Après tout, les atomes, constitués de minuscules particules, sont encore beaucoup plus gros que les particules qu’ils contiennent.
En revanche, la taille des noyaux ne diffère pas beaucoup de celle des nucléons (protons et neutrons) à partir desquels ils sont constitués. Y a-t-il une raison à cela ou est-ce une coïncidence ?
Pendant ce temps, on sait que ce sont les forces électriques qui maintiennent les électrons chargés négativement à proximité des noyaux atomiques. Quelle(s) force(s) maintiennent les particules du noyau ensemble ? Cette tâche est accomplie par les forces nucléaires, qui sont une mesure d’interactions fortes.
Forte force nucléaire
Si dans la nature il n’y avait que des forces gravitationnelles et électriques, c’est à dire que nous rencontrons dans la vie quotidienne, alors les noyaux atomiques, souvent constitués de nombreux protons chargés positivement, seraient instables : les forces électriques éloignant les protons les uns des autres seraient plusieurs millions de fois plus fortes que n'importe quelle force gravitationnelle les rapprochant d'un ami. . Les forces nucléaires produisent une attraction encore plus forte que la répulsion électrique, même si seule une ombre de leur véritable ampleur se manifeste dans la structure du noyau. Lorsque nous étudions la structure des protons et des neutrons eux-mêmes, nous voyons les véritables possibilités de ce que l’on appelle la force nucléaire forte. Les forces nucléaires en sont la manifestation.
La figure ci-dessus montre que les deux forces opposées dans le noyau sont la répulsion électrique entre les protons chargés positivement et la force nucléaire, qui attire les protons (et les neutrons) ensemble. Si le nombre de protons et de neutrons n’est pas trop différent, alors les secondes forces sont supérieures à la première.
Les protons sont des analogues des atomes et les noyaux sont des analogues des molécules ?
Entre quelles particules les forces nucléaires agissent-elles ? Tout d’abord, entre les nucléons (protons et neutrons) du noyau. A terme, ils agissent également entre particules (quarks, gluons, antiquarks) à l'intérieur d'un proton ou d'un neutron. Cela n’est pas surprenant si l’on reconnaît que les protons et les neutrons sont intrinsèquement complexes.
Dans un atome, les noyaux minuscules et les électrons encore plus petits sont relativement éloignés les uns des autres par rapport à leur taille, et les forces électriques qui les maintiennent ensemble dans un atome sont assez simples. Mais dans les molécules, la distance entre les atomes est comparable à la taille des atomes, donc la complexité interne de cette dernière entre en jeu. La situation variée et complexe provoquée par la compensation partielle des forces électriques intra-atomiques donne lieu à des processus dans lesquels les électrons peuvent réellement se déplacer d'un atome à un autre. Cela rend la physique des molécules beaucoup plus riche et complexe que celle des atomes. De même, la distance entre les protons et les neutrons dans un noyau est comparable à leur taille – et tout comme pour les molécules, les propriétés des forces nucléaires qui maintiennent les noyaux ensemble sont bien plus complexes que la simple attraction des protons et des neutrons.
Il n’y a pas de noyau sans neutron, sauf l’hydrogène
On sait que les noyaux de certains éléments chimiques sont stables, tandis que dans d'autres, ils se désintègrent continuellement, et la gamme de taux de désintégration est très large. Pourquoi les forces qui maintiennent les nucléons dans les noyaux cessent-elles de fonctionner ? Voyons ce que nous pouvons apprendre de simples considérations sur les propriétés des forces nucléaires.
La première est que tous les noyaux, à l’exception de l’isotope le plus courant de l’hydrogène (qui ne contient qu’un seul proton), contiennent des neutrons ; c'est-à-dire qu'il n'y a pas de noyau avec plusieurs protons qui ne contiennent pas de neutrons (voir figure ci-dessous). Il est donc clair que les neutrons jouent rôle important en aidant les protons à rester ensemble.
Sur la fig. Ci-dessus, des noyaux stables à la lumière ou presque stables sont représentés avec un neutron. Ces derniers, comme le tritium, sont représentés par une ligne pointillée, indiquant qu'ils finissent par se désintégrer. D'autres combinaisons avec un petit nombre de protons et de neutrons ne forment pas du tout de noyau ou forment des noyaux extrêmement instables. Les noms alternatifs souvent donnés à certains de ces objets sont également indiqués en italique ; Par exemple, le noyau d’hélium 4 est souvent appelé particule α, nom qui lui a été donné lors de sa découverte lors des premières études sur la radioactivité dans les années 1890.
Les neutrons comme bergers de protons
Au contraire, il n’existe pas de noyau constitué uniquement de neutrons sans protons ; la plupart des noyaux légers, comme l'oxygène et le silicium, possèdent à peu près le même nombre de neutrons et de protons (Figure 2). Les gros noyaux de grande masse, comme l’or et le radium, contiennent légèrement plus de neutrons que de protons.
Cela dit deux choses :
1. Non seulement les neutrons sont nécessaires pour maintenir les protons ensemble, mais les protons sont également nécessaires pour maintenir les neutrons ensemble.
2. Si le nombre de protons et de neutrons devient très important, alors la répulsion électrique des protons doit être compensée par l'ajout de quelques neutrons supplémentaires.
La dernière affirmation est illustrée dans la figure ci-dessous.
La figure ci-dessus montre des noyaux atomiques stables et presque stables en fonction de P (nombre de protons) et N (nombre de neutrons). La ligne représentée par des points noirs indique des noyaux stables. Tout déplacement vers le haut ou vers le bas par rapport à la ligne noire signifie une diminution de la durée de vie des noyaux - à proximité, la durée de vie des noyaux est de plusieurs millions d'années ou plus, à mesure que vous avancez dans les zones bleues, brunes ou jaunes ( différentes couleurs correspond à différents mécanismes de désintégration nucléaire), leur durée de vie devient de plus en plus courte, jusqu'à quelques fractions de seconde.
Notez que les noyaux stables ont P et N à peu près égaux pour les petits P et N, mais N devient progressivement plus grand que P d'un facteur supérieur à un et demi. A noter également que le groupe des noyaux stables et instables à vie longue reste dans une bande assez étroite pour toutes les valeurs de P jusqu'à 82. Pour des nombres plus importants, les noyaux connus sont en principe instables (bien qu'ils puissent exister pendant des millions d'années) . Apparemment, le mécanisme mentionné ci-dessus pour stabiliser les protons dans les noyaux en leur ajoutant des neutrons dans cette région n'est pas efficace à 100 %.
Comment la taille d’un atome dépend-elle de la masse de ses électrons ?
Comment les forces considérées affectent-elles la structure du noyau atomique ? Les forces nucléaires affectent principalement sa taille. Pourquoi les noyaux sont-ils si petits comparés aux atomes ? Pour le savoir, commençons par le noyau le plus simple, qui possède à la fois un proton et un neutron : c'est le deuxième isotope le plus courant de l'hydrogène, un atome contenant un électron (comme tous les isotopes de l'hydrogène) et un noyau d'un proton et d'un neutron. . Cet isotope est souvent appelé « deutérium » et son noyau (voir figure 2) est parfois appelé « deutéron ». Comment pouvons-nous expliquer ce qui maintient le deuton ensemble ? Eh bien, vous pouvez imaginer que ce n’est pas si différent d’un atome d’hydrogène ordinaire, qui contient également deux particules (un proton et un électron).
Sur la fig. Il est montré ci-dessus que dans un atome d'hydrogène, le noyau et l'électron sont très éloignés l'un de l'autre, dans le sens où l'atome est beaucoup plus gros que le noyau (et l'électron est encore plus petit). Mais dans un deuton, la distance entre le proton et les neutrons sont comparables à leurs tailles. Cela explique en partie pourquoi les forces nucléaires sont beaucoup plus complexes que les forces d’un atome.
On sait que les électrons ont une petite masse comparée aux protons et aux neutrons. Il s'ensuit que
- la masse d'un atome est essentiellement proche de la masse de son noyau,
- la taille d'un atome (essentiellement la taille du nuage électronique) est inversement proportionnelle à la masse des électrons et inversement proportionnelle à la force électromagnétique totale ; principe d'incertitude mécanique quantique joue un rôle déterminant.
Et si les forces nucléaires étaient similaires aux forces électromagnétiques ?
Et le deuton ? Comme l'atome, il est constitué de deux objets, mais ils ont presque la même masse (les masses du neutron et du proton ne diffèrent que d'environ une partie sur 1 500), donc les deux particules sont tout aussi importantes pour déterminer la masse du deuton. et sa taille. Supposons maintenant que la force nucléaire attire le proton vers le neutron de la même manière que les forces électromagnétiques (ce n'est pas tout à fait vrai, mais imaginez un instant) ; et puis, par analogie avec l'hydrogène, nous nous attendons à ce que la taille du deuton soit inversement proportionnelle à la masse du proton ou du neutron, et inversement proportionnelle à l'ampleur de la force nucléaire. Si sa magnitude était la même (à une certaine distance) que la force électromagnétique, cela signifierait que puisqu'un proton est environ 1850 fois plus lourd qu'un électron, alors le deuton (et en fait n'importe quel noyau) doit être au moins mille fois plus lourd qu'un électron. plus petit que celui de l’hydrogène.
Qu’apporte la prise en compte de la différence significative entre les forces nucléaires et électromagnétiques ?
Mais nous avons déjà deviné que la force nucléaire est bien supérieure à la force électromagnétique (à même distance), car si ce n’était pas le cas, elle ne pourrait pas empêcher la répulsion électromagnétique entre les protons jusqu’à la désintégration du noyau. Ainsi, le proton et le neutron sous son influence se rapprochent encore plus étroitement. Il n’est donc pas surprenant que le deuton et les autres noyaux ne soient pas seulement mille, mais cent mille fois plus petits que les atomes ! Encore une fois, c'est uniquement parce que
- les protons et les neutrons sont près de 2000 fois plus lourds que les électrons,
- à ces distances, la grande force nucléaire entre les protons et les neutrons dans le noyau est plusieurs fois supérieure aux forces électromagnétiques correspondantes (y compris la répulsion électromagnétique entre les protons dans le noyau.)
Cette supposition naïve donne à peu près la bonne réponse ! Mais cela ne reflète pas pleinement la complexité de l’interaction entre proton et neutron. Un problème évident est qu’une force similaire à la force électromagnétique, mais avec un plus grand pouvoir attractif ou répulsif, devrait évidemment se manifester dans la vie quotidienne, mais nous n’observons rien de tel. Donc quelque chose dans cette force doit être différent des forces électriques.
Portée de force nucléaire courte
Ce qui les différencie, c'est que ceux qui les empêchent de s'effondrer noyau atomique Les forces nucléaires sont très importantes et grandes pour les protons et les neutrons qui sont très proches les uns des autres, mais sur une certaine distance (appelée « plage » de force), ils chutent très rapidement, beaucoup plus vite que les forces électromagnétiques. Il s’avère que la portée peut également être de la taille d’un noyau de taille moyenne, seulement plusieurs fois plus grande qu’un proton. Si vous placez un proton et un neutron à une distance comparable à cette distance, ils s'attireront et formeront un deuton ; s’ils sont séparés par une plus grande distance, ils ne ressentiront pratiquement aucune attirance. En fait, s’ils sont placés trop près les uns des autres au point de commencer à se chevaucher, ils se repousseront. Cela révèle la complexité d’un concept tel que les forces nucléaires. La physique continue de se développer en permanence pour expliquer le mécanisme de leur action.
Mécanisme physique de l'interaction nucléaire
Tout processus matériel, y compris l’interaction entre nucléons, doit avoir des porteurs matériels. Ce sont des quanta de champ nucléaire - des mésons pi (pions), en raison de l'échange desquels se produit l'attraction entre les nucléons.
Selon les principes de la mécanique quantique, les mésons pi, apparaissant constamment et disparaissant immédiatement, forment autour d'un nucléon « nu » quelque chose comme un nuage appelé couche de méson (rappelez-vous les nuages d'électrons dans les atomes). Lorsque deux nucléons entourés de telles couches se trouvent à une distance d'environ 10 à 15 m, un échange de pions se produit, similaire à l'échange d'électrons de valence dans les atomes lors de la formation de molécules, et une attraction apparaît entre les nucléons.
Si les distances entre les nucléons deviennent inférieures à 0,7∙10 -15 m, ils commencent alors à échanger de nouvelles particules - ce qu'on appelle. ω et ρ-mésons, à la suite desquels non pas une attraction, mais une répulsion se produit entre les nucléons.
Forces nucléaires : structure du noyau du plus simple au plus grand
En résumant tout ce qui précède, nous pouvons noter :
- la force nucléaire forte est beaucoup, beaucoup plus faible que l'électromagnétisme à des distances bien supérieures à la taille d'un noyau typique, nous ne la rencontrons donc pas dans la vie quotidienne ; Mais
- à de courtes distances comparables au noyau, il devient beaucoup plus fort - la force d'attraction (à condition que la distance ne soit pas trop courte) est capable de vaincre la répulsion électrique entre les protons.
Cette force n’a donc d’importance qu’à des distances comparables à la taille du noyau. La figure ci-dessous montre sa dépendance à la distance entre les nucléons.
Les gros noyaux sont maintenus ensemble par plus ou moins la même force qui maintient la cohésion du deuton, mais les détails du processus sont si complexes qu'ils ne sont pas faciles à décrire. Ils ne sont pas non plus entièrement compris. Bien que les grandes lignes de la physique nucléaire soient bien comprises depuis des décennies, de nombreux détails importants font encore l’objet d’investigations actives.
A l'intérieur du noyau il y a :
1) forces de répulsion électrique entre les protons et
2) forces nucléaires entre nucléons (répulsion - à petites distances et attraction - à grandes distances).
Il a été établi que les forces nucléaires sont les mêmes pour les deux types de nucléons. L'attraction nucléaire entre les protons dépasse largement la répulsion électrique, de sorte que le proton est fermement retenu dans le noyau.
Le noyau est entouré d’une barrière potentielle provoquée par les forces nucléaires. L'évasion du noyau d'un nucléon et d'un système de nucléons (par exemple, des particules alpha) est possible soit par « effet tunnel », soit en recevant de l'énergie de l'extérieur. Dans le premier cas, une désintégration radioactive spontanée du noyau se produit, dans le second, une réaction nucléaire forcée. Les deux processus permettent de porter un jugement sur la taille du noyau. Des informations précieuses sur l'étendue de la barrière de potentiel autour des noyaux ont été obtenues en étudiant la diffusion de diverses particules bombardantes par les noyaux - électrons, protons, neutrons, etc.
Des recherches ont montré que les forces d'attraction nucléaires entre les nucléons diminuent très rapidement avec l'augmentation de la distance qui les sépare. Le rayon d'action moyen des forces nucléaires, qui peut être interprété de la même manière qu'une certaine taille conditionnelle (« efficace ») du noyau, sur la base de données expérimentales, est exprimé par la formule d'évaluation
Si nous supposons que les noyaux avec un grand nombre de nucléons sont constitués d'un noyau, où les particules sont uniformément réparties dans tout le volume, et d'une coque sphérique, dans laquelle la densité des particules diminue jusqu'à zéro vers les limites du noyau, alors dans ce cas
Ces formules montrent que le volume « effectif » d’un noyau est directement proportionnel au nombre de nucléons ; par conséquent, les nucléons de tous les noyaux sont en moyenne remplis avec presque la même densité ;
La densité des noyaux est très élevée ; par exemple, un noyau de masse a un rayon
État du nucléon dans divers endroitsà l'intérieur du noyau peut être caractérisé par la quantité d'énergie qui doit être dépensée pour extraire ce nucléon du noyau. C'est ce qu'on appelle l'énergie de liaison d'un nucléon donné dans le noyau. En général, cette énergie est différente pour les protons et les neutrons et peut dépendre de l'endroit où se trouve un nucléon donné dans le volume du noyau.
L'interaction des nucléons dans le noyau peut être comparée à une interaction similaire des atomes dans les réseaux cristallins des métaux, où
Les électrons jouent un rôle important en tant que « transmetteurs d’interaction ».
La différence est que dans les noyaux, les « transmetteurs d'interaction » entre les nucléons sont des particules plus lourdes - les mésons pi (ou pions), dont la masse est 273 fois supérieure à la masse de l'électron. On pense que les nucléons génèrent et absorbent continuellement des mésons pi selon le schéma
de sorte que chaque nucléon est entouré d'un nuage de mésons pi virtuels. À l’intérieur du noyau, où les particules se trouvent à des distances relativement faibles les unes des autres, le nuage de mésons pi participe activement à procédés nucléaires, provoquant une interaction et des transformations mutuelles des nucléons.
Introduction
L'atome d'hydrogène est la structure la plus simple. Comme on le sait, un atome d'hydrogène possède un noyau constitué d'un proton et d'un électron situé sur l'orbitale 1s. Puisque le proton et l’électron ont des charges opposées, la force coulombienne agit entre eux. On sait également que les noyaux des atomes possèdent leur propre moment magnétique et donc leur propre champ magnétique. Lorsque des particules chargées se déplacent dans un champ magnétique, elles sont soumises à la force de Lorentz, qui est dirigée perpendiculairement au vecteur vitesse des particules et au vecteur induction magnétique. Évidemment, la force de Coulomb et la force de Lorentz ne suffisent pas ; pour que l'électron reste sur son orbitale, une force de répulsion entre l'électron et le proton est également nécessaire. Les concepts quantiques modernes ne donnent pas de réponse claire quant à la cause exacte de la quantification des orbitales et, par conséquent, des énergies d'un électron dans un atome. Dans le cadre de cet article, nous examinerons les raisons de la quantification et obtiendrons des équations décrivant le comportement d'un électron dans un atome. Permettez-moi de vous rappeler que selon les concepts modernes, la position d'un électron dans un atome est décrite par l'équation probabiliste de Schrödinger. On obtiendra une équation purement mécanique, qui permettra de déterminer à tout moment la position de l'électron, ce qui montrera l'incohérence du principe de Heisenberg.
Rapport de force
La figure 1 montre toutes les forces qui agissent dans un atome.
Figure 1 – forces agissant sur un électron dans un atome d'hydrogène
Écrivons la deuxième loi de Newton pour le système de forces illustré sur la figure.
Écrivons un système d'équations pour les projections de ces forces sur les axes de coordonnées XYZ.
(2)
Ici, l'angle est l'angle entre le rayon vecteur r(t) et le plan XY,
angle – l'angle entre l'axe X et la projection du rayon vecteur r(t) sur le plan XY.
Écrivons chaque force du système (2) à travers des formules connues, en tenant compte de leurs projections sur l'axe.
Force coulombienne
, (3)
où est la constante électrique égale à
– module de charge des électrons ou des protons
– coordonnées électroniques dans le système de coordonnées sélectionné
Force potentielle des ondes gravitationnelles
Plus d’informations sur cette force peuvent être trouvées dans la monographie
(4)
sont respectivement les masses de l’électron et du proton.
X– Le coefficient de proportionnalité est numériquement égal au carré de la vitesse de la lumière.
Comme vous le savez, la force de Lorentz se calcule comme suit
Le produit vectoriel (5) peut être représenté en composantes sur un axe orthogonal au repère :
(6)
Dans le système d'équations (6), il faut déterminer les composantes du vecteur induction magnétique 
.
Puisque le moment magnétique du noyau d'un atome d'hydrogène est provoqué par le courant annulaire de particules véritablement élémentaires qui s'y déplacent, alors conformément à la loi de Biot-Savart-Laplace obtenue pour un anneau avec courant, nous écrivons les composantes du vecteur d'induction magnétique :
(7)
l'angle est l'angle autour du contour circulaire
– rayon du proton
– intensité du courant dans le circuit en anneau de protons
– constante magnétique
Comme on le sait, la force centrifuge agit normalement à la trajectoire d'un corps et dépend de la masse du corps, de la courbure de la trajectoire et de la vitesse de déplacement.
– courbure instantanée de la trajectoire
– vitesse des électrons par rapport à l’origine
– vecteur normal à la trajectoire des électrons
La courbure instantanée de la trajectoire est déterminée par l'expression
– les dérivées première et seconde du rayon vecteur par rapport au temps.
La vitesse d'un électron est la racine de la somme des carrés de ses projections sur les axes de coordonnées, qui sont à leur tour les dérivées premières des projections du rayon vecteur par rapport au temps, c'est-à-dire
Le vecteur normal unitaire à la trajectoire des électrons est déterminé par l'expression
(11)
En développant les produits vectoriels à travers les composantes vectorielles sur l'axe de coordonnées, en écrivant le rayon vecteur à travers ses composantes, nous substituons les expressions (9), (10) et (11) dans (8), nous obtenons les composantes de la force centrifuge dans les projections sur les axes de coordonnées :
(12)
Après avoir déterminé les projections de toutes les forces incluses dans le système d'équations (2), il peut être réécrit en tenant compte des expressions suivantes :
Le système résultant ressemble à :
Il n'est pas possible de trouver une solution analytique à ce système. La solution peut être obtenue par des méthodes numériques de résolution de systèmes d'équations différentielles du second ordre. La solution est présentée dans la vidéo ci-dessous.
Les niveaux d’énergie d’un électron sont déterminés par un nombre entier d’ondes stationnaires résonantes (un train de ventres derrière l’électron) qui apparaissent le long de la trajectoire de l’électron. Si l'énergie d'un photon absorbé par un électron correspond à l'énergie nécessaire pour former un nombre entier d'ondes stationnaires, le mouvement de l'électron dans celles-ci se répète, les rendant résonnants, ainsi le photon est retenu par l'électron pendant un certain temps. et nous observons une image de l'absorption électronique du photon puis de son émission. Les photons dont l'énergie ne conduit pas à l'apparition d'un nombre entier de ventres le long de la trajectoire de l'électron ne sont pas capturés, car aucune onde résonante n'est formée et aucun modèle d'absorption-émission n'est observé.
