ФИЗИКА

8.3. Ядерные силы

Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие, которое удерживает нуклоны на расстоянии ~ 10-15 м друг от друга, несмотря на сильное кулоновское отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Наши сведения об этих силах недостаточно подробны. Перечислим то, что известно.

1. Ядерные силы – это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень тесном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).

2. Область действия ядерных сил ничтожна мала. Радиус их действия порядка (1-2)⋅10-15 м. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется. Силы, интенсивность которых быстро ослабевает с расстоянием (например, по закону , где е = 2,71…), называются короткодействующими. Ядерные силы в отличии от гравитационных и электромагнитных сил относятся к короткодействующим силам. Короткодействующий характер ядерных сил следует из малых размеров ядер (< 10-14 м) и из того, что при сближении двух ядер (например, двух протонов) до расстояний порядка 10-14 м действуют только электромагнитные силы, и лишь на расстояниях порядка 10-15 м над кулоновским отталкиванием протонов начинает преобладать их ядерное притяжение.

3. Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивны. Оценки показывают, что ядерные силы в 100–1000 раз сильнее электромагнитных. Именно поэтому ядерное взаимодействие называют сильным.

4. В соответствии с интенсивностью ядерное взаимодействие протекает за время в 100–1000 раз меньшее времени электромагнитного взаимодействия. Характерным временем для ядерного взаимодействия является так называемое ядерное время τяд ≈ 10-23 c.

5. Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывает, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а только с несколькими соседними.

6. Ядерные силы зависят от ориентации спина. Так, только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образовывать ядро – дейтрон, при антипараллельных спинах интенсивность ядерного взаимодействия недостаточна для образования ядра.

7. Ядерные силы имеют нецентральный характер, т.е. интенсивность взаимодействия зависит от взаимного расположения нуклонов относительно направления их спина.

8. Важнейшим свойством ядерных сил является зарядовая независимость, т.е. тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: p - p (между двумя протонами), n - p (между нейтроном и протоном) и n - n (между двумя нейтронами). При этом предполагается, что все три случая рассматриваются в эквивалентных условиях (например, по ориентации спина) и что кулоновское отталкивание в первом случае не учитывается.

Эти сведения о свойствах ядерных сил были получены в основном в результате изучения взаимодействия двух нуклонов, в частности рассеяния нейтрона на протоне и протона на протоне при низких и высоких энергиях. Расскажем здесь идею только одного эксперимента такого рода – рассеяние нейтронов высокой энергии (100 - 200 МэВ) на протонах.

Из классической механики известно, что при центральном соударении двух упругих шаров в бильярде летевший шар останавливается, а стоявший летит вперёд. При нецентральном ударе шары разлетаются в разные стороны и при том так, что угол между направлениями их разлёта составляет 90°. Область возможных отклонений от первоначального направления для обоих шаров заключена в пределах 0-90°.

Нейтрон и протон имеют приблизительно одинаковые массы, поэтому их соударение при низких энергиях происходит примерно так же, как и у бильярдных шаров. При высоких энергиях из-за необходимости использования релятивистской механики расчёты усложняются, и результаты получаются не такими простыми, как при низких энергиях. Тем не менее, до измерений было ясно, что вперёд должно лететь значительно больше нейтронов, чем протонов.

Это связано с тем, что даже очень интенсивные ядерные силы не могут отклонить быстрый нейтрон на большой угол от первоначального направления. Между тем опыт показал, что в направлении первичного пучка летят как нейтроны, так и протоны, и примерно в одинаковых количествах. Объяснить этот странный результат можно было, только предположив, что в процессе ядерного взаимодействия нейтрон и протон как бы обмениваются электрическими зарядами, после чего нейтрон летит в качестве протона, а протон – в качестве нейтрона. Описанное явление называют рассеянием нуклонов с перезарядкой, а ядерные силы, ответственные за перезарядку, называют обменными. Если такой обмен происходит для каждой пары взаимодействующих нуклонов, то вперёд должны лететь преимущественно протоны, если же обмен происходит только в половине случаев, то вперёд будут лететь как протоны, так и нейтроны (и при том, примерно, в одинаковых количествах).

Возникает вопрос: в чём заключается механизм обмена зарядом? Впервые идея этого механизма была сформулирована Таммом, который предположил, что в процессе ядерного взаимодействия нуклоны испускают и поглощают заряженные частицы. По предположению Тамма, нейтрон в процессе ядерного взаимодействия с протоном испускает электрон, превращаясь в протон, а протон, поглотивший электрон, становится нейтроном. Однако сам же Тамм показал, что электроны слишком легки для того, чтобы с их помощью можно было одновременно объяснить два основных свойства ядерных сил: короткодействие и большую интенсивность.

Следующий шаг был сделан Юкавой, который показал, какова должна быть масса у подходящей частицы, т.е. фактически предсказал существование в природе заряженных частиц тяжелее электрона. Эти предполагаемые частицы были названы мезонами (от греческого слова «мезо» − средний), что подчёркивает промежуточное значение их массы по сравнению с массами электронов и протонов.

Рассуждения Юкавы можно пояснить с помощью соотношения неопределённостей:

(8.3.1)

Из (8.3.1) следует: на короткое время Δt энергия системы может измениться на величину:

(8.3.2)

Если время Δt очень мало, то ΔE может быть достаточно большим. Выберем это время таким, чтобы частица, движущаяся со скоростью порядка скорости света с, успевала за него пролетать расстояние, равное радиусу действия ядерных сил r = (1-2)⋅10-15 м:

Подставив это время в (8.3.2), получим

Так как энергии ΔE = 150 МэВ соответствует масса , полученный результат можно интерпретировать как возникновение на короткое время 0,5∙10-23с частицы массой 300 те, которая за время своего существования успевает пролететь расстояние между двумя взаимодействующими нуклонами (1-2)⋅10-15 м.

Итак, согласно этой идее, (соответствующей современным представлениям), ядерное взаимодействие двух нуклонов, находящихся на расстоянии, равном радиусу действия ядерных сил, заключается в том, что один нуклон испускает частицу массой m = 300mв, а другой поглощает её через ядерное время 10-23 с. Частицы, которые существуют в районе действия ядерных сил в течение ядерного времени, называют виртуальными. Виртуальные частицы нельзя представлять себе существующими вне области ядерного взаимодействия, отдельно от нуклонов. Для того, чтобы виртуальная частица могла превратиться в реальную, т.е. такую, которая способна отделиться от своих «родителей» нуклонов и вести самостоятельный образ жизни за пределами области ядерного взаимодействия, нуклоны должны обладать достаточным запасом кинетической энергии, часть которой при их столкновении могла бы преобразоваться в массу покоя мезона.

Описанные мезоны получили название π-мезонов. Они были открыты в 1947 году.

Существуют положительный (π+), отрицательный (π-) и нейтральный (π0) мезоны. Заряд π+ и π- мезонов равен элементарному заряду e = 1,6⋅10-19 Кл. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273mв (140МэВ), масса π0-мезона равна 264mв (135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтрального π-мезона равен нулю (S = 0). Все три частицы нестабильны. Время жизни заряженных мезонов составляет 2,6⋅10-8 c, π0-мезона − 0,8⋅10-16 c.

Подавляющая часть заряженных π-мезонов распадается по схеме:

(8.3.3)

где μ+ и μ- − положительный и отрицательный мюоны,

и − соответственно мюонное нейтрино и антинейтрино.

В среднем 98,8% π0- мезонов распадается на два γ- кванта:

(8.3.4)

Вернёмся к описанию обменного взаимодействия между нуклонами.

В результате виртуальных процессов

(8.3.5)

(8.3.6)

(8.3.7)

нуклон оказывается окружённым облаком виртуальных π-мезонов, образующих поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, которое осуществляется по одной из следующих схем:

1. 

Протон испускает виртуальный π+-мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Каждый из взаимодействующих нуклонов проводит часть времени в заряженном состоянии, а часть – в нейтральном.

2.

Протон и нейтрон обмениваются π0-мезонами.

3.

Теперь мы имеем возможность объяснить существование магнитного момента у нейтрона и аномальную величину магнитного момента протона.

В соответствии с процессом (8.3.6) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии (р + π-). Орбитальное движение π--мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона (2,79 μя вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением π+-мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (n + π+) (8.3.5).

к к к