Сильное взаимодействие и ядерные силы

Часто понятия «сильное взаимодействие» и «ядерные силы» считают синонимами. Именно так с этими терминами мы и будем обращаться в нашем курсе. Но если вы будете углубленно изучать физику, вы можете столкнуться немного с другим их толкованием.

Так, под «ядерными силами» имеют в виду все виды сил, которые действуют между нуклонами в ядре: электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые. А термин «сильное взаимодействие» относится к взаимодействию целой группы элементарных частиц, в которую входят нуклоны. Эта группа частиц называется адронами.

Исследуя поведение протонов и нейтронов в ядре, выявили, что сильное взаимодействие резко убывает с расстоянием. Оно проявляется только на малых расстояниях, сравнимых с размерами этих протонов и нейтронов. На расстоянии м сильное взаимодействие примерно в 100 раз больше, чем электростатическое, а уже на расстоянии м оно ничтожно малó по сравнению с электростатическим (см. рис. 2).

Рис. 2. Сильное взаимодействие

Все сходится: на малых расстояниях: когда нуклоны находятся в составе ядра, между ними преобладает сила притяжения, обусловленная сильным взаимодействием. Это притяжение велико, но стоит его преодолеть, каким-то образом развести нуклоны на чуть большее расстояние и отделить их друг от друга, как сила притяжения становится почти нулевой и нуклоны разлетаются в стороны. Главное – преодолеть этот барьер.

С такими барьерами, порогами мы сталкиваемся не впервые. Процесс горения протекает похожим образом: при разрыве химических связей и образовании новых выделяется энергия в виде теплоты. Но чтобы этот процесс начался, нужно преодолеть порог: поднести спичку, чтобы разорвались первые связи, и потом уже выделившейся энергии будет достаточно, чтобы преодолевать следующие пороги и поддерживать процесс. Камень, лежащий в ложбине на вершине горы, обладает потенциальной энергией относительно подножья, но, чтобы он с этой горы скатился, нужно начальное воздействие для преодоления порога. Это потом он уже будет катиться и сможет даже выбить другие такие камни из своих ложбин, тем самым спровоцировав лавину.

Аналогия с камнем, который находится в ложбинке, – это не просто удачное сравнение. Состояние камня в ложбинке и протона в ядре действительно можно описать с помощью одной модели, к тому же наглядной.

Рассмотрим потенциальную энергию протона в электрическом поле ядра на разных расстояниях от ядра (см. график рис. 3). Электрическое взаимодействие на большом расстоянии пренебрежимо мало, потенциальную энергию взаимодействия протона с ядром на большом расстоянии будем считать нулевой. По мере приближения к положительно заряженному ядру возрастает сила отталкивания и потенциальная энергия увеличивается. А в какой-то момент начинают проявляться силы притяжения и потенциальная энергия немного уменьшается.