Ядерные силы

Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами в ядрах имеется очень интенсивное взаимодействие. Ядерное взаимодействие между нуклонами называется сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие можно описать с помощью поля ядерных сил.

Рассмотрим кратко основные свойства ядерных сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами, их радиус действия имеет порядок r ≈ 10^-15м.

2. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость. Это означает, что силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном, и двумя нейтронами одинаковы.

3. Ядерные силы не являются центральными и зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон (ядро тяжёлого водорода ) только в том случае, если их спины параллельны друг другу.

4 Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи при увеличении числа нуклонов в ядре примерно остаётся постоянной.

Понятие об обменном характере ядерных сил. Кванты ядерного поля

В квантовой теории физических полей показывается, что взаимодействие между частицами осуществляется путём обмена квантами соответствующего поля. Например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами заключается в обмене фотонами. Заряженная частица создаёт вокруг себя электромагнитное поле, непрерывно поглощая и испускаявиртуальный фотон^..

В 1934 г И. Е. Тамм предположил, что взаимодействие между нуклонами передаётся с помощью каких-то виртуальных частиц.

В 1935 г Х. Юкава высказал гипотезу: в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой 200 ÷ 300 m_e; эти частицы и являются квантами ядерного поля. Они были названымезонами. Мезоны Юкавы были обнаружены экспериментально в космических лучах и получили названиеπ-мезоновилипионов.

Взаимодействие двух нуклонов можно представить следующим образом. Около одного нуклона возникает (рождается) виртуальный пион, который поглощается другим нуклоном. Время Δtраспространения пиона от одного нуклона до другого есть время их взаимодействия. В течение этого промежутка времени существует неопределённость энергии каждого из нуклоновΔЕ. Согласно соотношению неопределённости Гейзенберга

ΔЕΔt≈(9)

Возьмём для простоты, что неопределённость энергии равна энергии покоя пиона:

ΔЕ=m_πc²(10)

Тогда (11)

Пусть взаимодействие осуществляется со скоростью света с. Тогда расстояние, которое пройдёт пион за время Δt равно радиусу действия ядерных сил:

(12)

Для массы пиона получаем:

(13)

Положим радиус действия ядерных сил R≈1,5×10^-15м. Подстановка числовых данных в выражение(5) даёт, что масса пиона приблизительно равнаm_π≈250m_e

Существуют положительный (π⁺), отрицательный (π^-) и нейтральный (π⁰) мезоны. Зарядπ⁺, π^-- мезонов равен элементарному зарядуе. Масса заряженных пионов одинакова и равна273m_e,массаπ⁰–мезона равна264m_e. Спин пионов равен нулю. Все три частицы нестабильны.

Сильное взаимодействие между нуклонами осуществляется по одной из схем:

1) ⇄⇄

2) ⇄⇄

3) ⇄⇄

⇄⇄

⇄⇄

Из схемы 1 следует: протон испускает виртуальный π⁺ -мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем процесс протекает в обратном направлении.

Первый из трёх процессов нашёл экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водород в пучке появляются протоны той же той же энергии. Объяснение: часть нейтронов, пролетая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных π⁺мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превращается в нейтрон и остаётся в мишени.