Свойства ядерных сил. Ядерные силы — это мощные силы притяжения между нуклонами в ядре, препятствующие кулоновским силам отталкивания и обеспечивающие стабильность ядер

Ядерные силы — это мощные силы притяжения между нуклонами в ядре, препятствующие кулоновским силам отталкивания и обеспечивающие стабильность ядер. Перечислим характерные особенности ядерных сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими. Радиус действия этих сил R~10^–15 м. При r~R — это силы притяжения, а при очень малых расстояниях r <<R силы притяжения заменяются силами отталкивания.

2. Ядерные силы зарядово независимы. Это означает, что энергия взаимодействия пар (n, n), (p, n), (p, p) одинакова: W(n, n)=W(p, n)=W(p, p).

Чтобы убедиться в этом сравним энергию связи ядер трития и гелия . В составе ядра трития два нейтрона и один протон. Число взаимодействующих пар равно трем: (n, n), (p, n), (p, p). Энергия связи трития

.

(36.6)

Ядро состоит из двух протонов и одного нейтрона. Здесь также можно выделить три взаимодействующих пары: (p, p), (p, n), (p, n), поэтому энергия связи :

.

(36.7)

где — кулоновская энергия отталкивания между двумя протонами, которая уменьшает энергию связи. В предположении зарядовой независимости ядерных сил можно найти разность энергий связи:

.

(36.8)

Используя соотношение (36.1), можем записать

.

(36.8)

Расчеты по формулам (36.8) и (36.9) дают очень близкие значения DW, что и свидетельствует о зарядовой независимости ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от ориентации спинов нуклонов. Это свойство ядерных сил проверено экспериментально в опытах по рассеянию поляризованного пучка[1] нейтронов на ядрах, ориентированных с помощью сильных магнитных полей.

4. Ядерные силы характеризуются свойством насыщения. Это свойство характерно также для химических сил: атом может образовывать химические связи лишь с ограниченным, строго определенным числом других атомов. Свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всеми остальными атомами в ядре, а лишь с ближайшими своими соседями. Действительно, энергия связи оказывается пропорциональной массовому числу A, а не числу всевозможных пар нуклонов . Это означает, что число взаимодействующих пар в ядре меньше, чем число теоретически возможных. В этом и проявляется свойство насыщения ядерных сил.

5. Ядерные силы носят обменный характер. Взаимодействие между двумя нуклонами осуществляется обменом частицами — p-мезонами. p‑мезон был теоретически предсказан в 1935 г. Х. Юкавой и был обнаружен в составе космических лучей в 1947 г. Существует три типа p-мезонов: p⁺, p^– и p⁰, т.е. два заряженных и один нейтральный мезон. Массы зараженных мезонов одинаковы: , где m_e — масса электрона. Время жизни p⁺ и p^– мезонов равно 2,6×10^–8 с, а p⁰-мезона — 8×10^–17 с.

Рассмотрим теперь механизм обмена нуклонов p-мезонами.

1. Взаимодействие путем обмена p⁺-мезоном:

p+nDn+p⁺+nDn+p.

Протон испускает p⁺-мезон, превращаясь в нейтрон; p⁺-мезон поглощается другим нейтроном и затем этот процесс идет в обратном направлении.

2. Взаимодействие путем обмена p^–-мезоном:

p+nDp+p^–+pDn+p.

3. Взаимодействие путем обмена нейтральным p⁰-мезоном:

p+nDn+p⁰+nDp+n;

p+pDp+p⁰+pDp+p.

n+nDn+p⁰+nDn+n.

Экспериментально обменный характер ядерного взаимодействия был подтвержден в опытах по прохождению пучка нейтронов через газообразный водород. После выхода из образца в пучке нейтронов были обнаружены протоны, которые имеют ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Их появление объясняется так: нейтрон, пролетая вблизи ядра атома водорода (т.е. протона), поглощает p⁺-мезон и превращается в протон n+p⁺®p.