Ядерные силы

Упомянутые ядерные силы характеризуют одно из фундаментальных взаимодействий, которое получило название сильного взаимодействия. Существует 4 вида фундаментальных взаимодействий – по порядку убывания их силы: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (последнее является универсальным и действует между любыми частицами, но в мире микрочастиц существенной роли не играет).

Ядерные силы являются силами притяжения. Именно они удерживают в ядре нуклоны, не смотря на довольно внушительное кулоновское отталкивание. При расстояниях, меньших 0.5 Ферми, притяжение сменяется отталкиванием, благодаря чему нуклоны в ядре не слипаются.

Ядерные силы являются короткодействующими – это означает, что они действуют только на очень коротких расстояниях (~ 10^–15м). Поэтому в обычных условиях ядра различных атомов «не замечают» друг друга.

Все силы, возникающие между различными парами нуклонов, одинаковы. Зарядовая независимость ядерных сил – это следствие того, что ядерное взаимодействие имеет неэлектростатическую природу. Величина ядерной силы не зависит от наличия или отсутствия у нуклона электрического заряда.

Ядерные силы не являются центральными, их нельзя представлять направленными вдоль прямой, соединяющей два нуклона.

Силы взаимодействия между нуклонами обладают свойством насыщения. Это означает, что каждый нуклон взаимодействует с ограниченным количеством соседних нуклонов. Поскольку кулоновское отталкивание существенно по всему объему ядра, то в тяжелых ядрах нейтроны не в состоянии полностью скомпенсировать это отталкивание. Поэтому в природе не существует стабильных ядер с числом нуклонов больше 209, из них протонов не больше 83. Последний стабильный элемент в таблице Менделеева имеет порядковый номер 83 – это изотоп висмута . Все более тяжелые ядра являются радиоактивными, для них наблюдается спонтанное превращение в более легкие ядра с испусканием α -частицы.

Взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется при помощи обмена особыми частицами, которые называются π-мезонами. Поэтому такое взаимодействие носит обменный характер. Все π-мезоны, находящиеся в свободном состоянии, подразделяются на три группы, которые отличаются между собой электрическим зарядом, массой и временем жизни: π⁰, π⁺, π ^–. Находясь в свободном состоянии, они имеют следующие свойства:

m_π± = 273.2· m_е, электрический заряд q = ± e, время жизни τ = 2.6·10^–8c,

m_π0 = 264.2 m_e, электрический заряд q = 0, время жизни τ = 1.9·10^–16c,

где m_e – масса электрона.

Протоны и нейтроны обладают так называемым барионным зарядом B = +1. У π-мезонов барионный заряд отсутствует (В = 0), поэтому при обмене этими частицами барионный заряд нуклонов сохраняется, что является фундаментальным законом природы.

Если имеет место взаимодействие между двумя нуклонами, это означает, что эти два нуклона непрерывно обмениваются между собой другими частицами. Итак, нуклоны и протоны непрерывно испускают и поглощают π -мезоны, точнее:

а) нейтрон, испуская π ^– -мезон, теряет отрицательный электрический заряд и превращается из нейтрального в положительно заряженный нуклон, т.е. в протон; нейтрон может поглотить соответственно только π ⁺ -мезон, превратившись при этом в протон;

б) протон, наоборот, испускает только π ⁺ -мезон, соответственно превращается из положительно заряженного нейтральный нуклон, т.е. в нейтрон; поглотить же протон может только π ^– -мезон, получив при этом отрицательный заряд, компенсирующий собственный положительный, и став нейтроном;

в) протоны и нейтроны могут также испускать и поглощать π ⁰ -мезон, при этом взаимных превращений не происходит – протон остается протоном, нейтрон – нейтроном.

π-мезоны настолько быстро переходят из нуклона в нуклон, что увидеть их в переходном состоянии невозможно. Чтобы их зарегистрировать, необходимо разрушить целостность ядра, для чего нужна колоссальная энергия.

Теория π-мезонного обмена обладает рядом достоинств, в качестве которых можно выделить следующие: 1) объяснение наличия короткодействия ядерных сил, 2) объяснение причины независимости действия ядерных сил от величины и знака электрического заряда. В тоже время до сих пор не объяснена физическую причина возникновения сил отталкивания между нуклонами на расстояниях, меньших 0.2 Ферми, не объяснена физическая причина насыщения ядерных сил и не учитывается влияние спина нуклонов на особенности взаимодействия между ними. Следовательно, изучение природы ядерных сил продолжается.

Дата добавления: 2014-11-29