Электромагнитное и гравитационное взаимодействие протонов

Сильное взаимодействие

Деятельность человека зависит от наличия источников энергии. Энергия нужна для отопления, для движения транспорта, для информационных технологий, на производстве, в сельском хозяйстве. Поэтому вопрос энергетики – один из самых важных в жизни любого государства.

Основной источник энергии – это топливо. Автомобили на бензиновых и дизельных двигателях используют энергию сгорания топлива; электромобили, как и другие электроприборы, расходуют электроэнергию, которую получают преимущественно преобразованием энергии сгорания топлива на электростанциях. Запасы топлива ограничены, поэтому остро стоит вопрос: где еще брать энергию? Мы уже знаем, что люди догадались извлекать энергию из атомного ядра. Оно состоит из положительно заряженных частиц, которые каким-то образом держатся вместе. Но если атомное ядро все-таки разделить на части, эти части будут отталкиваться и с большой скоростью разлетаться друг от друга – вот и кинетическая энергия, которую можно использовать.

Идея, конечно, отличная. Тем более что любое вещество состоит из атомов, поэтому источник кажется почти неисчерпаемым. Но как эта идея реализуется? Как расщепить атомное ядро, любого ли атома ядро можно расщепить и сколько энергии при этом будет выделяться? И вообще, чтобы ядро расщепить, нужно понять, за счет чего достигается его устойчивость в обычных условиях (см. рис. 1). Когда мы исследуем эти процессы и построим их модель, то сможем использовать атомную энергию.

Рис. 1. Строение ядра

Что это за силы, которые держат протоны вместе в составе атомного ядра? Те силы, которые мы уже изучили, на эту роль не подходят. Силы упругости, трения и т. д. мы рассматривали на макроуровне и объясняли межмолекулярным взаимодействием, а здесь речь о взаимодействии частиц внутри атомного ядра.

Может быть, они держатся благодаря гравитационному притяжению? Хотя расстояние между протонами малó (чем меньше расстояние, тем сильнее притяжение), все равно гравитационного притяжения недостаточно, чтобы удержать протоны в ядре.

Электромагнитное и гравитационное взаимодействие протонов

Сравним силы электрического отталкивания и гравитационного притяжения двух протонов, которые находятся на расстоянии друг от друга. Сила электрического взаимодействия по модулю равна:

Сила гравитационного взаимодействия по модулю равна:

Найдем их отношение:

Как видим, квадрат расстояния сократился, значит, отношение этих сил не зависит от расстояния. G, k – известные постоянные, массу и заряд протона тоже можем посмотреть в таблице. Вычислим отношение сил:

Как видим, гравитационное притяжение пренебрежимо мало на фоне электрического отталкивания, а значит, не может его компенсировать.

Значит, протоны держатся вместе за счет какого-то взаимодействия, с которым мы еще не сталкивались. Нейтроны не подвержены электростатическому отталкиванию, но этому новому для нас взаимодействию они тоже подвержены, за счет него они тоже удерживаются в составе ядра.

В сравнении с силой гравитационного притяжения сила отталкивания протонов в ядре огромна. Такой же большой должна быть и сила, которая их удерживает. Выявленное взаимодействие так и назвали, сильное взаимодействие.