Ядерные силы

Как же одноименно заряженные протоны удерживаются в ядре? Ведь силы их электрического отталкивания на столь малых расстояниях огромны! Оказывается, между любой парой нуклонов, независимо от их электрического заряда, действуют еще более мощные ядерные силы притяжения.

Классическая физика знала только о двух типах взаимодействий: гравитационном и электромагнитном. Ядерные силы — это проявление особого типа взаимодействий: так называемого сильного взаимодействия (Подробнее о сильном взаимодействии мы будем говорить в других статьях).

Отличительная особенность ядерных сил — это то, что они действуют только на очень малых расстояниях. Действие электромагнитных и гравитационных сил, хотя и убывает с расстоянием, но простирается сколь угодно далеко. А ядерное притяжение резко обрывается, когда расстояние между центрами нуклонов достигает определённой величины, которая называется радиусом действия ядерных сил. Это расстояние чуть больше диаметра нуклона, то есть нуклоны должны подойти друг к другу почти вплотную, чтобы ядерное притяжение сработало.

Взаимодействие нуклонов в ядре описывает модель Юкавы, предложенная японским теоретиком Юкавой в 1935 году.

В этой модели предполагается, что ядерное притяжение возникает из-за того, что нуклоны обмениваются, словно мячиками, особыми частицами, которые впоследствии были названы пи-мезонами, или пионами (они были открыты в 1947 году в космических лучах). По массе они примерно в 270 раз тяжелее электрона.

Каждый нуклон создаёт вокруг себя облако виртуальных пи-мезонов, рождая их «из ничего» на короткое время. Согласно соотношению неопределенностей, время жизни виртуальной частицы тем меньше, чем больше её масса (и, значит, энергия покоя).

Для виртуального пи-мезона время жизни порядка 10^-23 секунды. За это время он может удалиться от породившего его нуклона на очень малое расстояние — оно-то и определяет радиус действия ядерных сил.

Пи-мезоны бывают трёх видов: два заряженных (π⁺ и π^-) и один нейтральный (π⁰). Испуская π⁺-мезон, протон превращается в нейтрон. Нейтрон, поглощая π⁺-мезон, превращается в протон.

 

Нейтрон, испуская π^--мезон, превращается в протон, а протон, поглощая π^--мезон, превращается в нейтрон.

 

Только π⁰-мезоны не вызывают никаких превращений. Два протона (как и два нейтрона) могут взаимодействовать только через нейтральный пи-мезон. А протон с нейтроном — через заряженные и нейтральные пи-мезоны. Таким образом, протоны в ядре непрерывно превращаются в нейтроны, а нейтроны — в протоны. Поэтому в составе ядра вообще нет принципиальной разницы между протонами и нейтронами (неизменно только общее число протонов и нейтронов). Их можно рассматривать как два состояния одной частицы — нуклона.

Если на этом расстоянии нет других нуклонов, то все виртуальные пи-мезоны поглощаются нуклоном-родителем. Если же имеются другие нуклоны, то становится возможным обмен пи-мезонами — и возникает ядерное притяжение нуклонов.

Можно ли поймать виртуальный пи-мезон? Да, если «легализовать» его самостоятельное существование, то есть передать ему энергию, превышающую его энергию покоя (аналогично тому, как можно обнаружить частицу под потенциальным барьером, сообщив ей при измерении достаточную энергию). На ускорителях при бомбардировке ядер протонами рождается много пи-мезонов.