9.2 Природа ядерних сил

Між нуклонами в ядрі діють такі сили:

- сили гравітаційного притягування, але вони настільки малі, що не можуть забезпечити досить велику енергію зв'язку, яка спостеріга­ється експериментально;

- сили електростатичної природи також не можуть забезпечити зв'язок, а напроти приводять до відштовхування однойменно заря­джених протонів і не діють на нейтрони;

- ядерні сили, які мають обмінну природу. Така гіпотеза вперше була запропонована у 1934 році радянським фізиком І.Є.Таммом (1895­1971) і розвинута японським фізиком ХЛОкавою.

Ідея про обмінну природу ядерних сил запозичена із квантової електродинаміки, де електромагнітна взаємодія між частинками пояс­нюється обміном фотонами - частинками з нульовою масою спокою. Юкава для пояснення великих значень енергії зв'язку атомних ядер припустив, що нуклони повинні обмінюватись частинками з ненульо-вою масою спокою. По його оцінкам маса цих частинок повинна скла­дати 200+300 те, тобто мати проміжне значення між масою електрона і масою нуклонів. Вони були названі мезонами від грецького слова мезос- середній. Такі частинки були виявлені у 1947 році в космічно­му випромінювання і були названі я-мезонами, або просто піонами. Були виявлені позитивні ті, негативні я' і нейтральні л° піони. Заряд позитивних піонів дорівнює заряду електрона. Маси заряджених піо-нів 273'Піе, нейтрального - 264* гд, дійсно лежать в межах, передбаче­них Юкавою. Спіни всіх піонів дорівнюють 0.

Розглянемо процес обміну піонами між нуклонами, а) Між протоном (р) і нейтроном (п) з участю тС -піона:

р п

п —»  п+ п

п я+—> п

п р

Протон випромінює п+ - піон, перетворюючись у нейтрон. Цей піон поглинається нейтроном. Утворюється протон. Далі процес іде в зво­ротному напрямку. Схематично його можна записати так

р + п<->п + 7ї++п<->п + р.

(9.2)б) Між протоном (р) і нейтроном (п) з участю я" -піона: п р р -»  я р р        тг-> р Р п

Схематично

п + рер + ]["+рер + п. (9.3)

Видно, що при обміні зарядженими тонами кожний нуклон частину часу знаходиться в зарядовому стані, а частину в нейтрально­му.

в) Між протоном і нейтроном нейтральним піоном: Р п р ->  тЄ п р        ти0—* п Р п

Схематично

р + пнр + лЧпор + п. (9.4) Аналогічно зображається обмін між однаковими нуклонами

р + р<-»р + тг°+р^4р + р. (9.5)

п + п<->п + 7ї0+п<->п-І-п. (9.6) Таким чином кожний нуклон безперервно випромінює і по­глинає піони, утворюючи навколо себе піонні хмари.

Розглянемо рад експериментальних фактів та їх пояснення з точки зору піонної теорії ядерних сил.

- Зарядова незалежність ядерних сил, тобто сили зв'язку між р-р, р-п, п-п однакові. Це спостерігається в дослідах по розсіюванню одних нуклонів на інших. По тонній теорії принципової різниці між прото­нами і нейтронами для взаємодії між собою немає.

- Насичений характер ядерних сил заключається в тому, що кожний нуклон утворює зв'язок з обмеженим числом сусідніх нуклонів. Дійс-но, обмінна взаємодія тонами може здійснюватись тільки з найбли-ближчими нуклонами, і коли є перекриття піонних хмар.

- Наявність магнітних моментів не тільки у протонів, а і у нейтронів тонна модель пояснює тим, що кожний нуклон оточений тонами, частина з яких можуть бути зарядженими. Така система може мати магнітний момент, аналогічно існуванню магнітного моменту у нейт­ральних атомів.

- Кінцевий радіус дії ядерних сил випливає із ненульової маси спо­кою піонів. Схеми (9.2)-(9.6) на перший погляд протирічать закону збереження енергії. Дійсно, була якась частинка, потім утворилась така ж і ще деяка (піон) здавалось би з нічого. Але якщо випромінений піон буде поглинутий за короткий проміжок часу (у відповідності з

принципом невизначеності Гейзенберга за час Аі <-), експериме-

ДЕ

нтально виявити це порушення закону збереження неможливо. Оці­нимо радіус дії ядерних сил. Нехай піони рухаються із швидкістю V = 108 м/с близькою до швидкості світла протягом максимально мо­жливого часу Ді. Врахуємо співвідношення Ейнштейна ДЕ = щ, с2. Одержуємо

г = у.ц=-!^ь      ">8 ^">-34 -3.10-»,.

шя-с2    273 9Д10-31 9 1016

Це значення добре узгоджується з розмірами атомних ядер.

Таким чином, основні властивості ядерних сил вдасться пояс­нити нуклон-піонною взаємодією.