Ядерные силы

Особенности ядерных сил. Огромная энергия связи нукло­нов в ядрах (по сравнению с энергией связи электронов в атоме) означает, что между нуклонами действуют мощные ядерные силы притяжения, по сравнению с которыми электромагнит­ные силы отталкивания в сотни раз слабее.

Отличительными особенностями ядерных сил являются сле­дующие.

1.Эти силы являются короткодействующими с радиусом дей­ствия ~10^{-13 см. На существенно меньших расстояниях при­тяжение нуклонов сменяется их отталкиванием.}

2.Они обладают зарядовой независимостью, что проявляется в одинаковости сил взаимодействия нуклонов п—п, р-р, п—р.

3.Эти силы не являются центральными. Их, образно говоря, нельзя представить направленными вдоль прямой, проходя­щей через центры взаимодействующих нуклонов.

4.Обладают свойством насыщения: каждый нуклон в ядре взаи­модействует с ограниченным числом ближайших нуклонов.Это проявляется практически в независимости удельной энер­гии связи от массового числа А.

Механизм взаимодействия нуклонов. Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется по­средством силовых полей. Так, покоящийся электрический за­ряд создает вокруг себя электрическое поле, которое воздейст­вует на другой заряд с некоторой силой.

Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля: всякому полю должна соот­ветствовать определенная частица — квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодейст­вующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодейст­вий частиц и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуще­ствляются путем обмена фотонами).

При взаимодействии нуклонов квантами поля являются π-мезоны, существование которых было предсказано Юкавой (1935). По его оценке эти частицы занимали промежуточное положе­ние по массе между электроном и нуклоном. И такие частицы были экспериментально обнаружены.

Квантовая природа подобных процессов взаимодействия за­ключается в том, что они могут происходить только благодаря со­отношению неопределенностей. По классическим законам такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии.

Квантовая теория этот запрет устраняет. Согласно соотношению неопределенностей энергия—время ис­пущенный π-мезон с энергией m_πс ² (а это есть величина Е) мо­жет существовать только конечное время, которое не больше, чем

По истечении этого времени π-мезон поглощается испустившим его нуклоном. Расстояние, на которое π-мезон удаляется от нуклона, при этом составляет

что равно комптоновской длине волны π-мезона

_с = _с/2π.

Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называ­ют виртуальными.

Если поблизости от нуклона нет других частиц, то все испу­щенные нуклоном виртуальные л-мезоны поглощаются этим же нуклоном. В этом случае говорят, что одиночный нуклон всегда окружен так называемой «мезонной шубой». Это облако виртуальных π-мезонов, которые безостановочно испускаются и поглощаются нуклоном, удаляясь от него в среднем на рас­стояние l не более, чем комптоновская длина волны. Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начи­нают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуаль­ными мезонами — возникает ядерное взаимодействие. В этом и состоит механизм взаимодействия нуклонов. Радиус действия ядерных сил имеет порядок комптоновской длины волны. Из опыта известно, что этот радиус поряд­ка 10^{-13 см}, что позволило оценить массу π-мезона: m_π ~ 270 m_е.

Модели ядер.

В теории атомного ядра очень важную роль играют модели, достаточно хорошо описывающие определенную сово­купность ядерных свойств и допускающие сравнительно про­стую математическую трактовку. При этом каждая модель обладает, естественно, ограниченными возможностями и не пре­тендует на полное описание ядра.

Кратко рассмотрим две модели ядра: капельную и оболочечную.

Капельная модель. Эта простейшая модель была предложе­на М. Борном (1936). В ней атомное ядро рассматривается как капля заряженной несжимаемой жидкости с очень высокой плотностью (~10¹⁴ г/см3). Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра и помогла объяснить ряд других явлений, в частности процесс деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель. Эта модель, предложенная Гепперт-Майер и Йенсоном (1950), является более реалистичной. В данной модели считается, что каждый нуклон движется в усредненном поле остальных нуклонов ядра. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполненные нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненные оболочки образуют осо­бо устойчивые структуры. Таковыми являются ядра, имеющие, в соответствии с опытом, число протонов, либо нейтронов (либо оба эти числа) 2, 8, 207 28, 50, 82, 126. Эти числа и соответствующие им ядра называют магическими.