Ядерні сили: властивості. Між якими частками діють ядерні сили?

У фізиці поняттям «сила» позначають міру взаємодії матеріальних утворень між собою, включаючи взаємодії частин речовини (макроскопічних тіл, елементарних частинок) один з одним і з фізичними полями (електромагнітним, гравітаційним). Всього відомо чотири типи взаємодії в природі: сильне, слабке, електромагнітне й гравітаційне, і кожному відповідає свій вид сил. Першому з них відповідають ядерні сили, що діють усередині атомних ядер.

Що об'єднує ядра?

Загальновідомо, що ядро атома є крихітним, його розмір на чотири-п'ять десяткових порядків менше розміру самого атома. У зв'язку з цим постає питання: чому воно настільки мало? Адже атоми, що складаються з крихітних частинок, все ж набагато більше, ніж частинки, які вони містять. Навпаки, ядра не сильно відрізняються за розміром від нуклонів (протонів і нейтронів), з яких вони зроблені. Є причина цього або це випадковість? Між тим, відомо, що саме електричні сили утримують негативно заряджені електрони поблизу атомних ядер. Яка ж сила або сили утримують частинки ядра разом? Цю задачу виконують ядерні сили, які є мірою сильних взаємодій.

Сильна ядерна взаємодія

Якби в природі були тільки гравітаційні і електричні сили, тобто ті, з якими ми стикаємося в повсякденному житті, то атомні ядра, що складаються з безлічі позитивно заряджених протонів, були б нестабільні: електричні сили, що штовхають протони один від одного будуть у багато мільйонів разів сильніше, ніж будь-які гравітаційні сили, що притягають їх один до одного. Ядерні сили забезпечують тяжіння ще більш сильне, ніж електричне відштовхування, хоча лише тінь їх істинної величини проявляється в структурі ядра. Коли ми вивчаємо будову самих протонів і нейтронів, то бачимо справжні можливості того явища, яке відоме як сильна ядерна взаємодія. Ядерні сили є його прояв.




На малюнку вище показано, що двома протилежними силами в ядрі є електричне відштовхування між позитивно зарядженими протонами і сила ядерної взаємодії, яка притягує протони (і нейтрони) разом. Якщо число протонів і нейтронів не занадто відрізняється, то другі сили переважають перші.

Протони - аналоги атомів, а ядра - аналоги молекул?

Між якими частками діють ядерні сили? Насамперед між нуклонами (протонами і нейтронами) в ядрі. Врешті-решт вони діють між частинками (кварками, глюонами, антикварками) всередині протона або нейтрона. Це не дивно, коли ми визнаємо, що протони і нейтрони є внутрішньо складними. В атомі крихітні ядра і ще більш дрібні електрони знаходяться відносно далеко один від одного в порівнянні з їх розмірами, а електричні сили, що утримують їх в атомі, діють досить просто. Але в молекулах відстань між атомами порівнянно з розмірами атомів, так що внутрішня складність останніх вступає в гру. Різноманітна і складна ситуація, викликана частковою компенсацією внутрішньоатомних електричних сил, породжує процеси, в яких електрони можуть переходити від одного атома до іншого. Це робить фізику молекул набагато багатше і складніше, ніж у атомів. Аналогічним чином і відстань між протонами і нейтронами в ядрі порівнянно з їх розмірами - і також, як і з молекулами, властивості ядерних сил, що утримують ядра разом, набагато складніше, ніж просте тяжіння протонів і нейтронів.

Немає ядра без нейтрона, крім як у водню

Відомо, що ядра деяких хімічних елементів стабільні, а в інших вони безперервно розпадаються, причому діапазон швидкостей цього розпаду вельми широкий. Чому ж припиняють свою дію сили, що утримують нуклони в ядрах? Давайте подивимося, що ми можемо дізнатися з простих міркувань про те, які є властивості ядерних сил. Одне з них те, що всі ядра, за винятком найбільш поширеного ізотопу водню (який має лише один протон), містять нейтрони; тобто немає ядра з кількома протонами, які не містять нейтронів (см. рис. нижче). Отже, ясно, що нейтрони відіграють важливу роль у наданні допомоги протонам триматися разом. На рис. вище показано легкі стабільні або майже стійкі ядра разом з нейтроном. Останній, як і тритій, показані пунктиром, вказує, що вони в кінцевому підсумку розпадаються. Інші комбінації з малим числом протонів і нейтронів не утворюють ядра зовсім, або утворюють надзвичайно нестабільні ядра. Крім того, показано курсивом альтернативні назви, часто даються деяким з цих об'єктів; Наприклад, ядро гелію-4 часто називають -частинкою, назву, дане йому, коли воно було спочатку виявлено у перших дослідженнях радіоактивності в 1890 роках.

Нейтрони в ролі пастухів протонів

Навпаки, немає ядра, зробленого тільки з нейтронів без протонів; більшість легких ядер, таких як кисню і кремнію, мають приблизно те ж саме число нейтронів і протонів (малюнок 2). Великі ядра з великими масами, як у золота і радію, мають дещо більше нейтронів, ніж протонів. Це говорить про дві речі: 1. Не тільки нейтрони необхідні, щоб протони трималися разом, але і протони потрібні, щоб утримати нейтрони теж разом. 2. Якщо кількість протонів і нейтронів стає дуже великим, то електричне відштовхування протонів має бути скомпенсоване додаванням кількох додаткових нейтронів. Останнє твердження проілюстровано на малюнку нижче. На малюнку вище показано стабільні і майже стійкі атомні ядра як функція P (числа протонів) і N (числа нейтронів). Лінія, показана чорними крапками позначає стабільні ядра. Будь-яке зміщення від чорної лінії вгору або вниз означає зменшення житті ядер - поблизу неї термін життя ядер складає мільйони років або більше, в міру видалення всередину синього, коричневого або жовтого областей (різні кольори відповідає різним механізмам ядерного розпаду) час їхнього життя стає все коротшим, аж до часток секунди. Зверніть увагу, що стабільні ядра мають P і N, приблизно рівні для малих P і N, а N поступово стає більше, ніж P більш ніж у півтора рази. Зазначимо також, що група стабільних і довгоіснуючих нестабільних ядер залишається в досить вузькій смузі для всіх значень P аж до 82. При більшому їх числі відомі ядра в принципі є нестабільними (хоча і можуть існувати мільйони років). Мабуть, зазначений вище механізм стабілізації протонів у ядрах за рахунок додавання до них нейтронів в цій області не має стовідсоткової ефективності.

Розмір атома залежить від його маси електронів

Як же впливають аналізовані сили на будову атомного ядра? Ядерні сили впливають насамперед на його розмір. Чому ж все-таки ядра так малі в порівнянні з атомами? Щоб з'ясувати це, давайте почнемо з найпростішого ядра, яке має як протон, так і нейтрон: це другий найбільш поширеною ізотоп водню, атом якого містить один електрон (як і всі ізотопи водню) і ядро з одного протона і одного нейтрона. Цей ізотоп часто називають "дейтерій", а його ядро (см. малюнок 2) іноді називають "дейтрон." Як ми можемо пояснити, що тримає дейтрон разом? Ну, можна уявити собі, що він не так вже відрізняється від атома звичайного водню, який також містить дві частинки (протон і електрон). На рис. вище показано, що в атомі водню-ядро і електрон дуже далекі один від одного, в тому сенсі, що атом набагато більше, ніж ядро (а електрон ще менше.) Але в дейтроне відстань між протоном і нейтроном порівнянно з їх розмірами. Це частково пояснює, чому ядерні сили є набагато більш складними, ніж сили в атомі. Відомо, що електрони мають невелику масу порівняно з протонами і нейтронами. Звідси випливає, що

маса атома, по суті близька до маси його ядра,

розмір атома (по суті розмір електронного хмари) обернено пропорційний масі електронів і обернено пропорційний загальної електромагнітної сили; принцип невизначеності квантової механіки грає вирішальну роль.

А якщо ядерні сили аналогічні електромагнітним

Що ж з дейтроном? Він так само, як і атом, зроблений із двох об'єктів, але вони майже однакової маси (маси нейтрона і протона відрізняються лише частини приблизно на одну 1500-ю частину), так що обидві частинки в рівній мірі важливі у визначенні маси дейтрона і його розміру. Тепер припустимо, що ядерна сила тягне протон до нейтрону так само, як електромагнітні сили (це не зовсім так, але уявіть собі на мить); а потім, за аналогією з воднем, ми очікуємо, розмір дейтрона назад пропорційний масі протона або нейтрона, і обернено пропорційним величині ядерної силі. Якщо її величина була такою ж (на певній відстані), як у електромагнітної сили, то це буде означати, що так як протон приблизно в 1850 разів важча за електрон, то дейтрон (і дійсно будь-ядро) має бути принаймні в тисячу разів менше, ніж у водню.

Що дає облік суттєвої різниці ядерних і електромагнітних сил

Але ми вже здогадалися, що ядерна сила набагато більше електромагнітної (на тому ж відстані), тому що, якщо це не так, вона була б не в змозі запобігти електромагнітне відштовхування між протонами аж до розпаду ядра. Так що протон і нейтрон під її дією зближуються разом ще більш щільно. І тому не дивно, що дейтрон та інші ядер не просто в одну тисячу, але в сто тисяч разів менше, ніж атоми! Знову ж таки, це тільки тому, що

протони і нейтрони майже в 2000 разів важче, ніж електрони,

на цих відстанях, велика ядерна сила між протонами і нейтронами в ядрі у багато разів більше, ніж відповідні електромагнітні сили (в тому числі електромагнітного відштовхування між протонами в ядрі.)

Ця наївна думка дає приблизно правильну відповідь! Але це не повністю відображає складність взаємодії між протоном і нейтроном. Одна з очевидних проблем полягає в тому, що сила, подібна електромагнітної, але з більшою притягаючою або відразливою здатністю, повинна очевидно проявлятися в повсякденному житті, але ми не спостерігаємо нічого подібного. Так що, що-то в цій силі повинно відрізнятися від електричних сил.

Короткий діапазон ядерної сили

Що їх відрізняє, так це те, що утримують від розпаду атомне ядро ядерні сили є дуже важливими і великими для протонів і нейтронів, які перебувають на дуже короткій відстані один від одного, але на певній відстані (так званому "діапазоні" сили), вони падають дуже швидко, набагато швидше, ніж електромагнітні. Діапазон, виявляється, може також бути розміром з помірно велике ядро, тільки в кілька разів більше, ніж протон. Якщо помістити протон і нейтрон на відстані, порівнянному з цим діапазоном, вони будуть притягатися один до одного і утворюють дейтон; якщо рознести їх на більшу відстань, вони навряд чи будуть відчувати якесь тяжіння взагалі. Насправді, якщо їх помістити занадто близько один до одного, так, що вони почнуть перекриватися, то вони будуть насправді відштовхуються один від одного. В цьому і проявляється складність такого поняття, як ядерні сили. Фізика продовжує безперервно розвиватися в напрямку пояснення механізму їх дії.

Фізичний механізм ядерної взаємодії

У всякого матеріального процесу, включаючи і взаємодія між нуклонами, повинні бути матеріальні ж переносники. Ними є кванти ядерного поля – пі-мезони (піони), із-за обміну якими і виникає притягання між нуклонами. Згідно з принципами квантової механіки, пі-мезони, виникаючи і тут же зникаючи, утворюють навколо «голого» нуклона щось ніби хмари, званого мезонной шубою (згадайте про електронних хмар в атомах). Коли два нуклона, оточені такими шубами, виявляються на відстані близько 10 -15 м, відбувається обмін півоніями подібно обміну валентних електронів в атомах при утворенні молекул, і між нуклонами виникає тяжіння. Якщо ж відстані між нуклонами стають менше 07•10 -15 м, то вони починають обмінюватися новими частинками – т. зв. і -мезонами, внаслідок чого між нуклонами виникає не притягання, а відштовхування.

Ядерні сили: будова ядра від найпростішого до більшого

Резюмуючи все вищесказане, можна відзначити:

сильна ядерна взаємодія набагато, набагато слабкіше, ніж електромагнетизм на відстанях, значно більших, ніж розмір типового ядра, так що ми не стикаємося з ним в повсякденному житті; але

на коротких відстанях, порівнянних з ядром, воно стає набагато сильніше - сила тяжіння (за умови, що відстань не надто коротке), здатна подолати електричне відштовхування між протонами.

Отже, ця сила має значення тільки на відстанях, порівнянних з розмірами ядра. На малюнку нижче показаний вигляд її залежності від відстані між нуклонами. Великі ядра утримуються разом за допомогою більш-менш тієї ж сили, що тримає дейтрон разом, але деталі процесу ускладнюються, так що їх непросто описати. Вони також не в повній мірі зрозумілі. Хоча основні обриси фізики ядра були добре вивчені протягом десятиліть, багато важливі деталі все ще активно досліджуються.