Взаимодействие нуклонов в ядре. Ядерные силы

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. Какими же силами сдерживаются нуклоны в ядре, и почему ядро не разлетается сразу же на составные части, несмотря на огромное взаимное отталкивание протонов, сближенных до расстояний ~ 1 фм? Наблюдаемая устойчивость атомных ядер означает, что кроме электростатического отталкивания между ядерными частицами действуют ещё силы притяжения. Это не могут быть силы гравитационного притяжения, потенциальная энергия которых ничтожно мала (не превышает 10 эВ). Следовательно, в случае атомных ядер мы сталкиваемся с особым видом взаимодействия, с новыми силами. Это взаимодействие называется сильным (см.п.5.2.), а отвечающие ему силы - ядерными.

Полная теория ядерных сил не построена, однако целый ряд их качественных и количественных характеристик изучен. Основные сведения о них были получены при изучении рассеяния нейтронов и протонов друг на друге при низких и высоких энергиях этих частиц.

Перечислим основные свойства ядерных сил:

1. Ядерные силы являются короткодействующими.

В отличие от кулоновских и гравитационных сил, которые убывают обратно пропорционально квадрату расстояния между точечными источниками (электрическими зарядами, массами), - ядерные силы убывают гораздо быстрее. Они очень велики на расстояниях ~1фм (расстояние между частицами в ядре), но на r > 3фм уже почти не заметны. Длина R ~ (1,5¸2,2)фм называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы в отличие от сил между точечными (или сферическими) зарядами, не являются центральными. Их нельзя представить в виде сил, действующих от одного центра сил. Это связано с наличием у нуклона спина.

Интенсивность ядерных сил зависит от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов: при параллельных спинах ядерные силы оказываются » вдвое больше. Только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образовать дейтрон - ядро изотопа Н.

3. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость: нейтрон с нейтроном, нейтрон с протоном и два протона взаимодействуют внутри ядра одинаково, независимо от зарядов этих частиц. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу.

4. Ядерным силам свойственно насыщение, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Это свойство аналогично валентности химических сил.

5. Ядерные силы обусловлены существованием материального ядерного поля, подобно тому, как электрические силы обусловлены существованием материального электромагнитного поля. Источниками ядерного поля являются нуклоны, которые в процессе взаимодействия могут обмениваться квантами ядерного поля - p-мезонами (p⁺, p⁰, p^-) и другими характеристиками.

Эта идея принадлежит японскому физику Юкаве (1935 г.). В процессе ядерного взаимодействия один нуклон испускает виртуальный p-мезон, а другой поглощает его. Виртуальными называются частицы, которые существуют в радиусе R действия ядерных сил в течение ядерного времени. Виртуальные частицы нельзя представлять себе существующими вне области ядерного взаимодействия, отдельно от нуклонов. Для того чтобы виртуальный p-мезон превратился в реальный, т.е. такой, который способен отделиться от своих «родителей» - нуклонов и выйти за пределы области ядерного взаимодействия, он должен получить дополнительную энергию, например, поглотив фотон. Реальные p-мезоны имеют массы покоя, равные ~270m_e.

Существенный вклад в ядерные силы вносит обмен и более тяжелыми мезонами.

Точная зависимость ядерных сил от расстояния между двумя нуклонами и относительная интенсивность ядерных сил разного типа с определённостью не установлены.