Взаємодія нуклонів і поняття про властивості і природу ядерних сил

До складу атомного ядра входить Z протонів і A-Z нейтронів. Незважаючи на те, що між протонами діють сили кулонівського відштовхування, атомні ядра є досить стійкими системами. Це вказує на те, що в ядрах атомів діють специфічні сили притягання, які називають ядерними силами. Ядерні сили не можуть бути зведені ні до кулонівських, ні до молекулярних, ні до магнітних, ні до гравітаційних сил.

Основні властивості ядерних сил:

1. Ядерні сили є силами притягання.

2. Ядерні сили досить значні, тому таку взаємодію називають сильною. Енергія зв’язку, що припадає на один нуклон у ядрі, досягає 7-8,5 MeB. Сили взаємодії ядра з електронами атома забезпечують енергію зв’язку від десятків до тисяч електрон-вольт, а сили зв’язку між атомами в молекулах забезпечують енергію зв’язку в кілька електрон-вольт.

3. Ядерні сили є короткодіючими на від­міну від електромагнітних і гравітаційних сил. Радіус дії ядерних сил приблизно дорівнює розміру нуклона . При ядерні сили практично дорівнюють нулю.

4. Ядерні сили мають властивість зарядової незалежності, тобто величина ядер­них сил не залежить від електричного заряду взаємодіючих нуклонів. Ядерні взаємодії між двома протонами або між двома нейтронами, або між протоном і нейтроном однакові.

5. Ядерні сили мають властивість насичення, тобто кожен нуклон в ядрі взаємодіє лише з обмеженою кількістю найближчих до нього нуклонів. Насичення проявляється в тому, що питома енергія зв’язку нуклонів у ядрі при збільшенні числа нуклонів не зростає, а залишається приблизно сталою (якщо не враховувати легкі ядра).

Властивості насичення ядерних сил приводять до такого важливого висновку: взаємодія між нуклонами не зводиться тільки до сил притягання. На відстанях між нуклонами притягання між ними переходить у відштовхування. За відсутності у ядрі сили відштовхування між нуклонами ядра повинні б колапсувати, тобто стискатись у точку.

6. Ядерні сили залежать від орієнтації спінів нуклонів, які взаємодіють. Система з протона і нейтрона утворює ядро-дейт­рон лише у випадку, коли спіни протона і нейтрона паралельні. Якщо ж спіни протилежно напрямлені, то нейтрон і протон ядра не утворюють.

7. Величина ядерних сил також залежить від взаємної орієнтації спіна та орбітального моменту кожного нуклона.

8. Ядерні сили не є центральними силами, тобто силами, які можна уявити такими, що діють вздовж лінії, яка з’єднує центри взаємодіючих нуклонів.

Для пояснення властивостей ядерних сил – насичення і короткодії – В. Гей­зенберг висунув гіпотезу про те, що ядерні сили є „обмінні сили”, тобто що ядерні сили між двома нуклонами забезпечуються третьою частинкою.

Довжина хвилі обмінної частинки повинна відповідати радіусу дії ядерних сил. Виходячи із формули де Бройля

,

можна оцінити масу обмінної частинки:

.

Ця маса повинна у 300 разів перевищувати масу електрона.

У 1935 р. японський фізик Х.Юкава висунув гіпотезу про те, що ядерні сили зумовлені невідомою на той час частинкою, маса якої становить 200-300 мас елек­трона. Оскільки ці гіпотетичні частинки за величиною маси займали проміжне місце між масою електрона і протона, то їх назвали мезонами („мезос” - грецьке слово – серед­ній). Такі частинки дійсно було виявлено у 1947 році в космічному випромінюванні.

Виявилось, що існує три типи -мезонів: . Заряди і за абсолютною величиною дорівнюють заряду електрона, маса зарядженого мезона , маса -мезона . Спін - мезонів дорівнює нулю.

Ядерну взаємодію двох нуклонів, що знаходяться на відстані радіуса дії
ядерних сил, можна представити у такий спосіб. Один нуклон випускає -мезон, а другий нуклон його поглинає упродовж с (час прольоту частинки з швидкістю світла відстані між нуклонами – ядерний час). Частинки, які існують лише в області дії ядерних сил протягом ядерного часу, називаються віртуальними.

Розглянемо обмінну взаємодію між нуклонами. В результаті віртуальних процесів

,

,

нуклон виявляється оточеним хмарою віртуальних -мезонів, які утворюють поле ядерних сил. Поглинання цих мезонів іншим нуклоном приводить до сильної взаємодії між нуклонами, яка здійснюється за однією із таких схем:

1) .

Протон випускає віртуальний - мезон і перетворюється в нейтрон. Мезон поглинається нейтроном, який внаслідок цього перетворюється у протон. Потім такий процес відбувається у зворотному напрямку. Кожний із взаємодіючих нуклонів частину часу проводить в зарядженому стані, а частину в нейтральному.

2) .

Нейтрон і протон обмінюються -мезонами.

3) ,

.

Два протони або два нуклони обмінюються нейтральними -мезонами.

Перша із цих трьох схем обміну - мезонами нуклонів експериментально підтверджується при вивченні розсіяння нейтронів на протонах.

Безперечно, процес взаємодії між нуклонами значно складніший і наведені схеми є не що інше, як намагання унаочнити дії обмінних сил. Обмінні сили – це суто квантово-механічні поняття.

Складний характер ядерних сил і значні труднощі, що виникають при роз­в’язанні рівнянь руху всіх нуклонів у ядрі, є причиною того, що донині не створена єдина послідовна теорія атомного ядра. Тому сьогодні користуються наближеними ядерними моделями, які досить добре описують лише деякі властивості ядра при використанні порівняно простого математич­ного апарату. З багатьох моделей, кожна з яких описує лише певні властивості ядра, згідно з експериментальними даними, найбільш використовувані дві: краплинна та оболонкова.

Краплинна модель ядра

(1936 р., Н. Бор, Я. Френкель) є першою моделлю. Вона ґрунтується на аналогії між поведінкою нуклонів у ядрі та молекул в краплині рідини. В обох випадках сили, що діють між складовими частинами ко­роткодіючі та мають властивість насичення. Рідина має сталу густину, ядерна речовина також характеризується сталою густиною, незалежною від числа нуклонів у ядрі. Об’єм краплини, як і об’єм ядра, пропорційний до числа частинок, що в них знаходяться.

При отриманні певної енергії краплина ядерної рідини переходить у збуджений стан. Отримана енергія в результаті зіткнень нуклонів швидко перерозподіляється між ними. Проте можуть виникнути такі умови, коли отримана енергія концентрується на поверхневому нуклоні або групі нуклонів. Якщо ця енергія більша від енергії зв’язку частинки в ядрі, частинка може подолати поверхневі сили ядерного притягання і вийти з ядра. Такий процес аналогічний випаровуванню молекули з поверхні краплини рідини.

Істотна відмінність ядра від краплини рідини в цій моделі в тому, що вона трактує ядро як краплину електрично зарядженої нестискуваної рідини (з такою самою густиною, як ядерна), яка підлягає законам квантової механіки. Краплинна модель ядра дозволила отримати напівемпіричну формулу для енергії зв’язку нуклонів у ядрі, пояснила механізм реакцій поділу ядер. Однак не змогла пояснити, наприклад, підвищену стійкість ядер, які містять магічні числа протонів і нейтронів.

Оболонкова модель ядра

(1949-50 р., німецький фізик Х. Йенсен, американський фізик М. Гепперт-Майєр) базується на припущенні, що нуклони в ядрі розташовуються на дискретних рівнях (оболонках), заповнюючи їх згідно з принципом Паулі. Стійкість ядер залежить від ступеня заповнення таких оболонок. Вважається, що ядра з повністю заповненими оболонками найбільш стійкі. Дослідами підтверджено існування найбільш стійких (магічних) ядер. Оболонкова модель ядра дозволила пояснити спіни і магнітні мо­менти ядер, різну стійкість атомних ядер, періодичність зміни їх властивостей. Нові експериментальні дані про властивості атомних ядер, які появились в результаті подальших досліджень, виходили за рамки обох теорій. Так виникла узагальнена модель (синтез краплинної і оболонкової) – оптична модель ядра (пояснює взаємодію ядер з елементарними частинками і та ін.).

НЄМЕЦ ОЛЕГ ФЕДОРОВИЧ

(нар.1922 р.)

Визначив ступінь спінової залежності ядерних сил.

КЛЮЧАРЬОВ ОЛЕКСІЙ ПАВЛОВИЧ

(нар.1910 р.)

При вивченні розсіяння повільних протонів ядрами (1957-1964 рр.) виявив немонотонну залежність радіуса ядерних взаємодій від масового числа.

ІВАНЕНКО ДМИТРО ДМИТРОВИЧ

(нар.1904 р.)

Показав в 1934 р. разом з І.Є. Таммом можливість взаємодії через частинки, що мають масу спокою і заклав основи першої польової нефеноменологічної теорії парних (електронно-нейтринних) ядерних сил.

НЄМЕЦ ОЛЕГ ФЕДОРОВИЧ

(нар.1922 р.)

Експериментально обґрунтував оптичну модель ядра для складних частинок.