Современные представления о природе электромагнитных и ядерных сил

Для выяснения сути ядерного взаимодействия рассмотрим вначале электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле, или с помощью фотонов ‑ квантов электромагнитного поля. Покоящаяся заряженная частица все время излучает и поглощает виртуальные фотоны. Например, электрон:

Это равенство приводит к нарушению закона сохранения энергии. Однако, согласно законам квантовой механики, энергия состояния, существующего время , оказывается определенной лишь с точностью , удовлетворяющей соотношению неопределенностей

Следовательно, если виртуальный фотон поглотится другим электроном за время , удовлетворяющее соотношению неопределенностей

то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено. Отсюда можно оценить радиус действия электромагнитных сил:

А поскольку частота фотона может меняться в пределах от нуля до бесконечности, то и радиус действия электромагнитных сил может быть равен бесконечности.

Если бы обменные, виртуальные частицы были не фотонами и обладали бы массой покоя отличной от нуля, то радиус действия сил, осуществляемых с помощью этих частиц, был бы равен:

Т.е получаем комптоновскую длину волны, и, следовательно, такие силы будут короткодействующими.

По аналогичной схеме осуществляется и сильное взаимодействие. Причем здесь частицей, аналогичной фотону, является -мезон (пион). Существует три вида пионов:

Ядерное взаимодействие протекает по схеме:

Нуклон оказывается окружен облаком виртуальных -мезонов, которые составляют поле ядерных сил.

Протон испускает мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем этот процесс идет в обратном направлении.

Часть времени нуклон проводит в заряженном состоянии, а часть ‑ в нейтральном.

Нецелое значение магнитных момента протона можно объяснить орбитальным движением -мезона в течение того промежутка времени, которое протон проводит в виртуальном состоянии. То же самое можно сказать и для нейтрона.

Итак, ядро имеет капельное строение. При любых ядерных превращениях число нуклонов остается неизменным. И направление возможных ядерных процессов определяется балансом энергии.

При сохранении общего числа нуклонов совершается такой переход, при котором состояние системы обладает меньшей энергией.

Радиоактивное превращение возможно, если масса покоя исходного ядра больше суммы масс покоя продуктов превращения. Например

Туннельный эффект

Реакция превращения обусловлена механизмом туннельного эффекта и требует некоторого времени

Туннельный эффект ‑ прохождение частицы через потенциальный барьер. Если высота барьера равна бесконечности, а энергия частицы имеет конечную величину, то согласно и классическим и квантовым представлениям частица будет находиться внутри этого потенциального барьера (см. рис. 3.20). Однако, если высота потенциального барьера не бесконечна, то законы классической и квантовой механики не совпадают.

С огласно законам классической механики частица так и будет находиться внутри этого потенциального ящика и не сможет выйти за его пределы. Согласно законам квантовой механики вероятность нахождения частицы за пределами потенциального ящика отлична от нуля. Т.е. частица может выйти за пределы потенциальной ямы (см. рис. 4). -функция частицы отлична от нуля как внутри потенциальной ямы, так и за ее пределами. Наблюдается так называемый туннельный эффект. Поскольку вероятность этого эффекта мала, постольку и время осуществления туннельного эффекта велико.