Взаємодія нуклонів і поняття про властивості і природу ядерних сил

До складу атомного ядра входить Z протонів і A-Z нейтронів. Незважаючи на те, що між протонами діють сили кулонівського відштовхування, атомні ядра є досить стійкими системами. Це вказує на те, що в ядрах атомів діють специфічні сили притягання, які називають ядерними силами. Ядерні сили не можуть бути зведені ні до кулонівських, ні до молекулярних, ні до магнітних, ні до гравітаційних сил.

Основні властивості ядерних сил:

1. Ядерні сили є силами притягання.

2. Ядерні сили досить значні, тому таку взаємодію називають сильною. Енергія зв’язку, що припадає на один нуклон у ядрі, досягає 7-8,5 MeB. Сили взаємодії ядра з електронами атома забезпечують енергію зв’язку від десятків до тисяч електрон-вольт, а сили зв’язку між атомами в молекулах забезпечують енергію зв’язку в кілька електрон-вольт.

3. Ядерні сили є короткодіючими на від­міну від електромагнітних і гравітаційних сил. Радіус дії ядерних сил приблизно дорівнює розміру нуклона . При ядерні сили практично дорівнюють нулю.

4. Ядерні сили мають властивість зарядової незалежності, тобто величина ядер­них сил не залежить від електричного заряду взаємодіючих нуклонів. Ядерні взаємодії між двома протонами або між двома нейтронами, або між протоном і нейтроном однакові.

5. Ядерні сили мають властивість насичення, тобто кожен нуклон в ядрі взаємодіє лише з обмеженою кількістю найближчих до нього нуклонів. Насичення проявляється в тому, що питома енергія зв’язку нуклонів у ядрі при збільшенні числа нуклонів не зростає, а залишається приблизно сталою (якщо не враховувати легкі ядра).

Властивості насичення ядерних сил приводять до такого важливого висновку: взаємодія між нуклонами не зводиться тільки до сил притягання. На відстанях між нуклонами притягання між ними переходить у відштовхування. За відсутності у ядрі сили відштовхування між нуклонами ядра повинні б колапсувати, тобто стискатись у точку.

6. Ядерні сили залежать від орієнтації спінів нуклонів, які взаємодіють. Система з протона і нейтрона утворює ядро-дейт­рон лише у випадку, коли спіни протона і нейтрона паралельні. Якщо ж спіни протилежно напрямлені, то нейтрон і протон ядра не утворюють.

7. Величина ядерних сил також залежить від взаємної орієнтації спіна та орбітального моменту кожного нуклона.

8. Ядерні сили не є центральними силами, тобто силами, які можна уявити такими, що діють вздовж лінії, яка з’єднує центри взаємодіючих нуклонів.

Для пояснення властивостей ядерних сил – насичення і короткодії – В. Гей­зенберг висунув гіпотезу про те, що ядерні сили є „обмінні сили”, тобто що ядерні сили між двома нуклонами забезпечуються третьою частинкою.

Довжина хвилі обмінної частинки повинна відповідати радіусу дії ядерних сил. Виходячи із формули де Бройля

,

можна оцінити масу обмінної частинки:

.

Ця маса повинна у 300 разів перевищувати масу електрона.

У 1935 р. японський фізик Х.Юкава висунув гіпотезу про те, що ядерні сили зумовлені невідомою на той час частинкою, маса якої становить 200-300 мас елек­трона. Оскільки ці гіпотетичні частинки за величиною маси займали проміжне місце між масою електрона і протона, то їх назвали мезонами („мезос” - грецьке слово – серед­ній). Такі частинки дійсно було виявлено у 1947 році в космічному випромінюванні.

Виявилось, що існує три типи -мезонів: . Заряди і за абсолютною величиною дорівнюють заряду електрона, маса зарядженого мезона , маса -мезона . Спін - мезонів дорівнює нулю.

Ядерну взаємодію двох нуклонів, що знаходяться на відстані радіуса дії
ядерних сил, можна представити у такий спосіб. Один нуклон випускає -мезон, а другий нуклон його поглинає упродовж с (час прольоту частинки з швидкістю світла відстані між нуклонами – ядерний час). Частинки, які існують лише в області дії ядерних сил протягом ядерного часу, називаються віртуальними.

Розглянемо обмінну взаємодію між нуклонами. В результаті віртуальних процесів

,

,

нуклон виявляється оточеним хмарою віртуальних -мезонів, які утворюють поле ядерних сил. Поглинання цих мезонів іншим нуклоном приводить до сильної взаємодії між нуклонами, яка здійснюється за однією із таких схем:

1) .

Протон випускає віртуальний - мезон і перетворюється в нейтрон. Мезон поглинається нейтроном, який внаслідок цього перетворюється у протон. Потім такий процес відбувається у зворотному напрямку. Кожний із взаємодіючих нуклонів частину часу проводить в зарядженому стані, а частину в нейтральному.

2) .

Нейтрон і протон обмінюються -мезонами.

3) ,

.

Два протони або два нуклони обмінюються нейтральними -мезонами.

Перша із цих трьох схем обміну - мезонами нуклонів експериментально підтверджується при вивченні розсіяння нейтронів на протонах.

Безперечно, процес взаємодії між нуклонами значно складніший і наведені схеми є не що інше, як намагання унаочнити дії обмінних сил. Обмінні сили – це суто квантово-механічні поняття.

Складний характер ядерних сил і значні труднощі, що виникають при роз­в’язанні рівнянь руху всіх нуклонів у ядрі, є причиною того, що донині не створена єдина послідовна теорія атомного ядра. Тому сьогодні користуються наближеними ядерними моделями, які досить добре описують лише деякі властивості ядра при використанні порівняно простого математич­ного апарату. З багатьох моделей, кожна з яких описує лише певні властивості ядра, згідно з експериментальними даними, найбільш використовувані дві: краплинна та оболонкова.