Понятие о ядерных силах

Если атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов, то как объяснить устойчивость ядер? Одноименно заряженные протоны, находясь на очень малых расстояниях в атомном ядре, должны с огромной силой отталкиваться друг от друга. Несмотря на это, ядра атомов — чрезвычайно прочные образования.

Так, например, чтобы разорвать ядро гелия на отдельные протоны и нейтроны, необходимо затратить в сотни тысяч раз больше энергии, чем для отрыва обоих его электронов от ядра. Значит, внутри ядра действуют чрезвычайно большие силы притяжения между нуклонами, во много раз превышающие электрические силы. Такими силами не могут быть гравитационные силы, действующие в соответствии с законом всемирного тяготения, так как их величина во много раз меньше сил электрического отталкивания протонов. Следовательно, ядерные силы представляют собой новый вид сил. Это самые сильные из всех известных взаимодействий в природе.

Уже из описанных выше опытов Резерфорда по рассеянию а-частиц атомными ядрами следует, что ядерные силы действуют только на очень малых расстояниях, не более 10^-14 м. Взаимодействие между нуклонами изучают по рассеянию нуклонов на нуклонах. Бомбардируя ядра атомов водорода протонами или нейтронами и исследуя отклонения летящих частиц, изучают силы взаимодействия между двумя протонами и между протоном и нейтроном. Используются также в качестве мишени дейтроны.

Исследования показали, что ядерные силы притяжения действуют между любыми двумя нуклонами на расстояниях между центрами частиц около 2*10^-15 м и резко спадают при увеличении расстояния; при расстояниях более 3*10^-15 м они уже практически равны нулю. Когда же нуклоны при столкновении сближаются до расстояния 0,5*10^-15 м, ядерные силы переходят, в силы отталкивания. Таким образом, взаимодействие двух нуклонов внешне напоминает взаимодействие двух молекул, но силы и энергия взаимодействия нуклонов в миллионы раз больше, а расстояния в миллионы раз меньше.

Очень малый радиус действия ядерных сил означает, что внутри ядра, содержащего несколько нуклонов, каждый из них может взаимодействовать только с ближайшими к нему нуклонами, а не со всеми нуклонами ядра. Если это так, то плотность вещества во всех ядрах должна быть примерно одинаковой и не должна возрастать по мере увеличения числа нуклонов в ядрах. Действительно, плотность ядерного вещества как легких, так и тяжелых ядер почти одинакова и составляет около 10¹⁷ кг/м³ ядерного вещества весил бы 100 млн. т.

Можно заметить некоторое сходство атомного ядра с каплей жидкости. Нуклоны в ядре, как и молекулы в жидкости, взаимодействуют только со своими ближайшими соседями. Плотность ядра, как и капли, не зависит от размера. Поверхностные нуклоны односторонне связаны с внутренними, и под действием сил поверхностного натяжения ядро, как и капля, должно принимать сферическую форму.

В возбужденном ядре нуклоны колеблются, подобно молекулам в нагретой капле. Многочисленные столкновения могут привести к тому, что какой-нибудь из них получит энергию, достаточную для преодоления ядерных сил, и вылетит из ядра, подобно молекуле жидкости при испарении. Когда заряженная частица, например, протон или α-частица, находится на расстоянии, превышающем радиус действия ядерных сил, ядро действует на нее просто как положительно заряженная капля; на нейтрон же при этом ядро не действует.

Капельная модель ядра позволяет рассчитывать радиусы ядер и наглядно объяснить некоторые свойства ядер.

Опыт показывает, что ядра гелия ⁴₂He обладают особенно большой прочностью. Поэтому при радиоактивном распаде из ядер тяжелых элементов часто выбрасываются α-частицы. Следовательно, внутри ядра наибольшие силы притяжения действуют между двумя протонами и двумя нейтронами. Вообще, ядра, состоящие из равного числа протонов и нейтронов, оказываются наиболее прочными, если число протонов в них не слишком велико. При большом числе протонов в ядре силы электрического отталкивания, действующие, в отличие от ядерных сил, между всеми протонами ядра (а не только между ближайшими), делают его менее прочным. Более устойчивыми оказываются ядра, в которых нейтронов больше, чем протонов.

В настоящее время природа ядерных сил недостаточно ясна. Установлено, что они являются так называемыми обменными силами. Обменные силы носят квантовый характер и не имеют аналогии в обычной физике. Нуклоны связываются между собой третьей частицей, которой они постоянно обмениваются. В 1935 г. японский физик X. Юкава показал, что теоретические значения сил взаимодействия нуклонов совпадают с данными экспериментов, если предположить, что нуклоны обмениваются частицами, масса которых примерно в 250 раз больше массы электрона. Эти частицы впоследствии были названы π-мезонами или пионами.

Предсказанные частицы действительно удалось обнаружить в 1947 г. с помощью толстослойных фотопластинок английскому физику С. Пауэллу при изучении космических лучей на больших высотах.

Масса покоя пиона примерно в 270 раз больше массы электрона. Пионы бывают трех видов: положительные π+, отрицательные π- и нейтральные π0. Взаимодействие между однородными нуклонами осуществляется нейтральными π-мезонами, а взаимодействие между различными нуклонами — заряженными π-мезонами. Обмениваясь заряженными π-мезонами, протон и нейтрон непрерывно превращаются друг в друга. Протон, отдавая нейтрону положительный -мезон, сам превращается в нейтрон, а исходный нейтрон, поглощая этот π-мезон, превращается в протон. Аналогично происходит взаимодействие посредством отрицательного π-мезона. Взаимные превращения нейтрона и протона подтверждаются опытами по рассеянию потока нейтронов на протонах.

Свободные пионы могут образоваться в результате столкновения протона высокой энергии с другим протоном или нейтроном. Они возникают при бомбардировке атомных ядер космическими частицами и в ускорителях при бомбардировке ядер протонами. Однако менее чем за 10^-7 с свободные пионы распадаются на другие частицы.