Ядерные силы

Прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, свидетельствует о наличии в атомных ядрах особых, так называемых, ядерных сил. С помощью экспериментальных данных по рассеянию нуклонов на ядрах, ядерным превращениям и т. д. доказано, что ядерные силы имеют специфическую природу и не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих разделах курса физики. Ядерные силы не являются гравитационными. Они в 10³⁸ раз превышают гравитационные силы между нуклонами. Отпадает предположение об электрической природе ядерных сил, т.к. в этом случае невозможно объяснить существование ядра тяжёлого водорода , состоящего из одного протона и одного нейтрона. Ядерные силы не магнитного происхождения, несмотря на то, что нуклоны обладают магнитными моментами. Согласно расчётам сила магнитного взаимодействия между протоном и нейтроном всего около 10⁵ эВ, что значительно меньше энергии связи этих нуклонов в дейтроне . Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий и на настоящее время являются самыми мощными силами в природе. Они в 137 раз интенсивней электромагнитного взаимодействия и, как отмечалось выше, в 10³⁸ раз интенсивнее гравитационных сил.

Перечислим основные свойства ядерных сил:

1) Ядерные силы являются силами притяжения на расстояниях междунуклонами больше 0,7 Фм и силами отталкивания на расстояниях меньших 0,7 Фм..

2) Ядерные силы являются короткодействующими. Их действие проявляется только на расстояниях примерно 10^-15м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии.

3) Ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имею неэлектрическую природу. В смысле динамического взаимодействия нейтроны и протоны равноправны. Поэтому для характеристики ядерного взаимодействия нуклонов вводят так называемый барионный заряд. Барионный заряд нейтрона и протона одинаков и равен 1. Для него имеет место закон сохранения.

4) Ядерным силам свойственно насыщение, т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует 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 растет, а остается приблизительно постоянной. В этом отношении ядерные силы похожи на силы, обусловливающие химическую валентность. Если бы насыщения не было, нуклон мог бы взаимодействовать одновременно со всеми нуклонами, и энергия связи росла бы с ростом А не линейно, а квадратично, так как А нуклонов ядра можно объединить в пары А(А-1)/2 способами. В отношении приближенного постоянства удельной энергии связи ядро похоже на жидкость или твердое тело.

5) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон в нейтрон образуют дейтрон (ядро изотопа ₁Н²) только при условии параллельной ориентации их спинов.

6) Ядерные силы не являются центральными, т. е. их нельзя представить действующими вдоль линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов, и они зависят не только от расстояния между нуклонами.

7) Ядерные силы носят обменный характер. Идея о взаимодействии двух частиц путём обмена третьей частицей была выдвинута впервые советскими физиками Таммом И.Е. и Иваненко Д.Д. Обменная теория ядерных сил была впервые предложена японским физиком Хидеки Юкавой в 1935 году. Согласно этой теории вокруг нуклона имеется ядерное поле, квантами которого являются частицы, масса которых промежуточная между массой нуклона и электрона, – мезоны. Впоследствии такие частицы, удовлетворяющие всем необходимым требованиям, π – мезоны (пионы), были обнаружены в космических лучах. Согласно мезонной теории взаимодействие между нуклонами осуществляется путём обмена виртуальными пионами. За работы в области ядерных сил Юкава в 1949 году был награждён Нобелевской премией по физике.

Следует отметить, что в последнее время выяснилась ограниченность мезонной теории ядерных сил. С открытием кварковой структуры нуклонов возникло представление о том, что переносчиками сильного взаимодействия являются так называемые глюоны – электрически нейтральные и безмассовые элементарные частицы. Несмотря на это, мезонная теория ядерных сил сыграла в физике выдающуюся роль, т.к. именно в её рамках окончательно сформировалась важнейшая концепция единства механизмов всех фундаментальных взаимодействий. Таким образом, все фундаментальные взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые,- имеют обменный характер. Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны, электромагнитного – фотоны, сильного – глюоны и слабого – промежуточные бозоны. Следует отметить, что в настоящее время пока остаются экспериментально не обнаруженными гравитоны.