1. Ядерные силы велики по абсолютной величине . Они относятся к самым сильным из всех известных взаимодействий в природе.

До сих пор нам было известно четыре вида взаимодействия:

а) сильные (ядерные) взаимодействия;

б) электромагнитные взаимодействия;

в) слабые взаимодействия, особенно ясно наблюдаемые у частиц, не проявляющихся в сильных и электромагнитных взаимодействиях (нейтрино);

г) гравитационные взаимодействия.

Для примера достаточно сказать, что обусловленная ядерными силами энергия связи простейшего ядра - дейтрона - равна 2,26 Мэв, в то время как обусловленная электромагнитными силами энергия связи простейшего атома - водорода - равна 13,6 эв.

2. Ядерные силы обладают свойством притяжения на расстояниях в области 10 -13 см, правда, на существенно меньших расстояниях переходят в силы отталкивания. Это свойство объясняют наличием у ядерных сил отталкивающей сердцевины. Оно было обнаружено при анализе протон- протонного рассеяния при высоких энергиях. Свойство притяжения ядерных сил следует из одного существования атомных ядер.

3. Ядерные силы являются короткодействующими . Радиус их действия имеет порядок 10 -13 см. Свойство короткодействия было выведено из сравнения энергий связи дейтрона и α -частицы. Однако, оно следует уже из опытов Резерфорда по рассеянию α -частиц ядрами, где оценка радиуса ядра ~10 -12 см.

4. Ядерные силы носят обменный характер . Обменность является существенно квантовым свойством, благодаря которому нуклоны при столкновении могут передавать друг другу свои заряды, спины и даже координаты. Существование обменных сил прямо следует из опытов по рассеянию протонов высоких энергий на протонах, когда в обратном потоке рассеянных протонов обнаруживаются другие частицы – нейтроны.

5. Ядерное взаимодействие зависит не только от расстояния, но и от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц , а также от ориентации спинов относительно оси, соединяющей частицы. Эта зависимость ядерных сил от спина вытекает из опытов по рассеянию медленных нейтронов на орто и параводороде.

Существование такой зависимости следует также из наличия квадрупольного момента, следовательно, ядерное взаимодействие является не центральным, а тензорным, т.е. оно зависит от взаимной ориентации суммарного спина и проекции спина. Например, при ориентации спинов n и p энергия связи дейтрона 2.23 Мэв.

6. Из свойств зеркальных ядер (зеркальными называются ядра у которых нейтроны заменены протонами, а протоны нейтронами) следует, что силы взаимодействия между (р, р), (n, n) или (n, р) одинаковы. Т.е. существует свойство зарядовой симметрии ядерных сил . Это свойство ядерных сил носит фундаментальный характер и указывает на глубокую симметрию, существующую между двумя частицами: протоном и нейтроном. Оно получило название зарядовой независимости (или симметрии) или изотопической инвариантности и позволило рассматривать протон и нейтрон как два состояния одной и той же частицы - нуклона. Изотопический спин был введен впервые Гейзенбергом чисто формально и принято считать, что он равен Т=-1/2 – когда нуклон находится в состоянии нейтрона, и Т=+1/2 когда нуклон находится в состоянии протона. Предположим, что существует какое-то трехмерное пространство, названное изотопическим, не имеющее отношения к обычному декартовому пространству, при этом каждая частица находится в начале координат этого пространства, где она не может двигаться поступательно, а только вращается и имеет соответственно в этом пространстве собственный момент количества движения (спин) . Протон и нейтрон представляют собой частицу по-разному ориентированную в изотопическом пространстве и нейтрон переходит в протон при повороте на 180 градусов. Изотопическая инвариантность означает, что взаимодействие в любых двух парах нуклонов одинаково, если эти пары находятся в одинаковых состояниях, т.е. ядерное взаимодействие инвариантно относительно поворотов в изотопическом пространстве. Данное свойство ядерных сил носит название изотопической инвариантности.

7.Ядерные силы обладают свойством насыщения . Свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре – А, а не А 2 , т.е. каждая частица в ядре взаимодействует не со всеми окружающими нуклонами, а только с ограниченным их числом. Указанная особенность ядерных сил следует также и из стабильности легких ядер. Нельзя, например, добавлять к дейтрону все новые и новые частицы, известна только одна такая комбинация с добавочным нейтроном – тритий. Протон, таким образом, может образовывать связанные состояния не более чем с двумя нейтронами

8. Еще в 1935г. японский физик Юкава, развивая идеи Тамма, предположил, что должны существовать какие-то другие частицы, ответственные за ядерные силы. Юкава пришел к выводу, что должно существовать поле иного типа, сходное с электромагнитным, но имеющее другую природу, которая предсказала существование частиц, промежуточной массы, т.е. мезонов, позже открытых экспериментально.

Однако, мезонная теория до настоящего времени не смогла удовлетворительно объяснить ядерное взаимодействие. Мезонная теория предполагает существование тройных сил, т.е. действующих между тремя телами и обращающихся в ноль при удалении одного из них в бесконечность. Радиус действия этих сил вдвое меньше радиуса действия обычных парных сил.

На данном этапе мезонная теория не все может объяснить, и потому мы рассмотрим

1. феноменологический подбор потенциала, отвечающего выше перечисленным свойством ядерных сил – это первый подход и остается второй подход.

2. сведение ядерных сил к свойствам мезонного поля.

В данном случае будем рассматривать элементарную теорию дейтрона по первому пути.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ - силы взаимодействия между нуклонами; обеспечивают большую величину энергии связи ядер по сравнению с др. системами. Я. с. являются наиб. важным и распространённым примером сильного взаимодействия (СВ). Когда-то эти понятия были синонимами и сам термин " " был введён для подчёркивания огромной величины Я. с. по сравнению с др. известными в природе силами: эл--магн., слабыми, гравитационными. После открытия p- , r- и др. мезонов, гиперо-нов и др. адронов термин "сильное взаимодействие" стали применять в более широком смысле - как взаимодействие . В 1970-х гг. квантовая хромодинамика (КХД) утвердилась как общепризнанная микроскопич. теория СВ. Согласно этой теории, адроны являются составными частицами, состоящими из кварков и глюонов , а под СВ стали понимать взаимодействие этих фундам. частиц.

С др. стороны, Я. с. как силы взаимодействия между нуклонами включают не только СВ, но и эл--магн., слабое и гравитац. взаимодействия нуклонов. С точки зрения совр. теории, эл--магн. и слабое взаимодействия являются проявлениями одного, более фундаментального, электрослабого взаимодействия . Однако при тех пространственно-временных масштабах (~10 -13 см, ~10 -23 с), с к-рыми обычно имеют дело в атомных ядрах, единая природа эл--магн. и слабых сил практически не проявляется и их можно рассматривать как независимые. Эти взаимодействия, будучи гораздо слабее СВ, в большинстве ядерных процессов малосущественны, но возможны ситуации, когда их роль становится определяющей. Так, эл--магн. взаимодействие (наиб. существ. часть к-рого - кулоновское отталкивание между протонами), в отличие от СВ, является дальнодействующим. Поэтому обусловленная им положит. кулоновская энергия ядра растёт с увеличением числа частиц А в ядре быстрее, чем отрицат. часть ядерной энергии, обусловленная СВ. В результате тяжёлые ядра становятся при больших А нестабильными - сначала по отношению к делению (см. Деление ядер ),а затем и абсолютно нестабильными. Со слабым взаимодействием нуклонов связано такое явление, как несохранение чётности в нуклон-нуклонном рассеянии и в др. ядерных явлениях (см. Несохранение чётности в ядрах) . Гравитац. силы, действующие между нуклонами, пренебрежимо малы во всех ядерных явлениях и существенны только в астрофиз. условиях (см. Нейтронные звёзды ).

Основой Я. с. является сильное взаимодействие нуклонов. Сильное взаимодействие нуклонов в ядрах отличается от взаимодействия свободных нуклонов, однако последнее является фундаментом, на к-ром строится вся и теория Я. с. Это взаимодействие обладает изотопической инвариантностью . Суть её в том, что взаимодействие между 2 нейтронами, 2 протонами или между протоном и нейтроном в одинаковых квантовых состояниях одинаково. Поэтому можно говорить о взаимодействии между нуклонами, не уточняя, о каких нуклонах идёт речь (см. также Изотопическая инвариантность ядерных сил). Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~10 -13 см) и обладают свойством насыщения, к-рое заключается в том, что с увеличением числа нуклонов в ядре уд. энергия связи нуклонов остаётся примерно постоянной (рис. 1). Это приводит к возможности существования ядерной материи .

Поскольку нуклоны в ядре движутся, как правило, со сравнительно небольшими скоростями (в 3-4 раза меньше ), то для построения модели СВ нуклонов в ядрах можно пользоваться нерелятивистской теорией и приближённо описывать его потенциалом, к-рый является ф-цией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитац. потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, потенциал Я. с. зависит от r гораздо сложнее. Кроме того, потенциал Я. с. зависит от спинов нуклонов и орбитального момента L нуклонов.

Нерелятивистский потенциал Я. с. содержит неск. компонентов: центральный V C , тензорный V T , спин-орбитальный V LS и квадратичный спин-орбитальный потенциал V LL . Наиб. важный из них - центральный - является комбинацией сильного отталкивания на малых расстояниях (т.н. отталкивательный кор) и притяжения - на больших (см. рис. к ст. Ядерная материя ).Существуют модели СВ нуклонов с бесконечным ("жёстким") кором (напр., феноменологич. потенциал Хамады - Джонстона), а также более реалистич. модели с конечным ("мягким") кором (напр., потенциал Рейда, рис. 2). С кон. 1950-х гг. было предпринято множество попыток построения потенциала Я. с. на основе полевой теории мезон-нуклонного взаимодействия. Очевидные трудности такой теории связаны с большой силой взаимодействия и неприменимостью теории возмущений и основанных на ней методов. Весьма популярен полуфеноменологич. потенциал "однобозонно-го обмена", основанный на представлениях мезоннуклонной полевой теории, но использующий простейшую модель од-номезонного обмена. При этом оказалось, что для описания притяжения на промежуточных расстояниях необходимо помимо известных мезонов p, р, w,... вводить также обмен несуществующим s-мезоном, к-рый интерпретируют как эфф. учёт обмена двумя p-мезонами. Константы мезон-нуклонного взаимодействия рассматривались как феноменологич. параметры, к-рые подбирались так, чтобы потенциал описывал эксперим. фазы нуклон-нуклонного рассеяния. За короткодействующее отталкивание оказались ответственными w- и r-мезоны, а за дальнодействующее притяжение - пи-мезон . Член однопи-онного обмена вносит вклад в центральный и тензорный потенциалы:

где f p NN - константа пион-нуклонного взаимодействия, т p -масса пиона, l=с /m p =1,4 Фм - комптоновская длина волны пиона, a s 1 , s 2 -спиновые Паули матрицы .Как видно из выражений (1), (2), потенциал однопионного обмена экспоненциально спадает на расстоянии порядка комптоновской длины пиона. Др. члены потенциала одно-бозонного обмена имеют такого же типа экспоненц. факторы, но с комптоновскими длинами соответствующих , к-рые в неск. раз меньше пионной. На таких расстояниях обмен неск. пионами может быть столь же существенным, как и обмен одним тяжёлым мезоном. Это объясняет, почему члены, отвечающие обмену тяжёлыми мезонами, воспринимаются как полуфеноменологические. В то же время вид потенциала Я. с, на больших расстояниях, без сомнения, описывается выражениями (1), (2). Такой асимптотич. вид имеют и все без исключения феноменологич. потенциалы. В настоящее время наиб. точными считают т. н. парижский и боннский потенциалы, к-рые сочетают черты феноменологич. потенциалов с мягким кором и потенциала однобозонного обмена.

Совр. представления о природе СВ, основанные на КХД, поставили задачу расчёта потенциала СВ нуклонов в рамках КХД, но она пока не решена, поскольку не решена и более простая задача о построении теории одного нуклона. Существует неск. кварковых моделей адронов, из к-рых наиб. известна модель мешков в разл. вариантах. Она позволяет качественно понять природу отталкива-тельного кора, оценить его радиус и высоту, но не позволяет рассчитать вид потенциала на больших расстояниях. Под большим вопросом, с точки зрения КХД, оказывается статус мезонов (за исключением p-мезона) в формировании потенциала СВ нуклонов: обмен тяжёлыми мезонами между нуклонами происходит на столь малых расстояниях, что их кварк-глюонная природа становится существенной. Особое место в КХД-теории СВ принадлежит p-мезону. Согласно совр. представлениям, он интерпретируется как коллективное возбуждение , состоящее из большого числа кварк-антикварковых пар (голд-стоуновский бозон , связанный со спонтанным нарушением в КХД киральной симметрии) . Поэтому в большинстве совр. моделей все остальные адроны считают состоящими из небольшого числа (антикварков, глюонов), а я-мезон вводят дополнительно как независимую частицу. С такой точки зрения понятен статус потенциалов (1), (2) как описывающих "хвост" потенциала взаимодействия нуклонов.

Поскольку ср. расстояние между нуклонами в ядре (1,8 Фм) не сильно превышает радиус действия Я. с., то в ядрах существуют многочастичные (прежде всего, 3-частичные) силы, возникающие из-за обмена кварками и глюонами между неск. нуклонами практически одновременно. В терминах адронов это отвечает таким процессам обмена мезонами между, напр., тремя нуклонами, к-рые нельзя свести к совокупности последовательных парных обменов. Гл. роль в формировании 3-частичных сил играет обмен p-мезонами, причём существ. вклад вносят и процессы виртуального возбуждения D-изобары - первого возбуждённого состояния нуклона. Т. о., пионы и D-изоба-ры являются основными ненуклонными степенями свободы, к-рые важны в ядерных процессах. Многочастичные силы в ядрах сравнительно невелики: их вклад в энергию связи не превышает 10-15%. Однако существуют явления, где они играют осн. роль.

Гл. часть эл--магн. взаимодействия нуклонов составляет кулоновское отталкивание между протонами. На больших расстояниях оно определяется только протонов. СВ приводит к тому, что электрич. заряд протона не является точечным, а распределён на расстояниях 1 Фм (среднеквадратичный радиус протона равен 0,8 Фм; см. "Размер" элементарной частицы) . Электрич. взаимодействие на малых расстояниях зависит и от распределения заряда внутри протона. Это распределение совр. теория СВ не может надёжно рассчитать, но оно достаточно хорошо известно из эксперим. данных по рассеянию электронов на протонах. Нейтроны в целом электронейтральны, но из-за СВ распределение заряда внутри нейтрона также существует, что приводит к электрич. взаимодействию между двумя нейтронами и между нейтроном и протоном. Магн. взаимодействие между нейтронами такого же порядка, что и между протонами, из-за большой величины аномального магнитного момента , обусловленного СВ. Менее ясна ситуация со слабым взаимодействием нуклонов. Хотя гамильтониан известен хорошо, СВ приводит к перенормировке соответствующих констант взаимодействия (аналог аномального магн. момента) и возникновению формфакторов . Как и в случае эл--магн. взаимодействия, эффекты слабого взаимодействия не могут быть достоверно рассчитаны, но в этом случае они не известны и экспериментально. Имеющиеся данные о величине эффектов несохранения чётности в 2-нуклонной системе позволяют установить интенсивность этого взаимодействия, но не его структуру. Существует неск. альтернативных моделей слабого взаимодействия нуклонов, к-рые одинаково хорошо описывают 2-нуклонные эксперименты, но приводят к разл. следствиям для атомных ядер.

Лит.: Бор О., Моттельсон Б., Структура атомного ядра, пер. с англ., т. 1-2, М., 1971-77; Калоджеро Ф., Симонов Ю. А., Ядерные силы , насыщение и структура ядер, в сб.: Будущее науки, в. 9, М., 1976. Э. Е. Саперштейн .

(связанных состояний нуклонов). Само существование атомных ядер заставляет предположить, что в ядерных силах имеется существенное притяжение, которое и обеспечивает энергию связиЭнергия связи - разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше по абсолютной величине, чем прочнее система. Энергия связи с обратным знаком равна минимальной работе, которую нужно затратить, чтобы разделить систему на составляющие ее частицы. нуклонов в ядрах порядка нескольких МэВ на . Кроме того, с увеличением числа нуклонов A в ядре на нуклон остается примерно постоянной, а объем ядра растет пропорционально A . Про системы с такими свойствами говорят, что в них имеется насыщение сил, и потому ядерные силы называют насыщающими. Они приводят к возможности существования ядерной материи (Нейтронные звездыНейтронные звезды - компактные астрофизические объекты с массами около 1,4 массы Солнца и радиусами около 10 км, образующиеся из массивных звезд после вспышки сверхновой. Нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов. Нейтронные звезды являются одними из самых интересных астрофизических объектов с физической точки зрения. Для них характерны такие явления и свойства как: сверхтекучесть, сверхпроводимость, сверхсильные магнитные поля, излучение нейтрино, эффекты специальной и общей теории относительности. В недрах нейтронных звезд могут существовать экзотические формы материи (конденсаты различных элементарных частиц, кварковое вещество). ), плотность энергии которой не зависит от полного числа нуклонов и составляет примерно 16 МэВ на нуклон (если пренебречь электромагнитными (кулоновским) и гравитационными взаимодействиями). В общем случае можно представить себе, что ядерные силы – это притяжение только между нуклонами — ближайшими соседями, поэтому и энергия связи ядра пропорциональна числу в ядре.

Обычно предполагают, что потенциал ядерных сил в произвольной системе нуклонов можно свести к сумме потенциалов парных сил, т.е. сил, действующих между парой нуклонов (влиянием всех остальных нуклонов на данную пару пренебрегают). Хотя кроме парных взаимодействий нуклонов наверняка существуют многочастичные нуклонные взаимодействия, последние проявляются значительно слабее и их пока нельзя однозначно выделить в эксперименте. Поэтому под ядерными силами обычно подразумевают парные ядерные силы.

Совершенно иная ситуация возникает в системе, где преимущественно действуют кулоновские или гравитационныеГравитация - (от латинского gravitas - тяжесть), то же, что тяготение. Тяготение — гравитационное взаимодействие), универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи (обычным веществом, любыми полями физическими). Если это взаимодействие относительно слабое и тела движутся медленно по сравнению со скоростью света в вакууме с, то справедлив всемирного тяготения закон Исаака Ньютона. В случае сильных полей и скоростей, сравнимых с c, необходимо пользоваться созданной Альбертом Эйнштейном общей теорией относительности, являющейся обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной относительности теории. силы. Из-за того, что потенциал этих сил очень медленно спадает с расстоянием r между частицами (как 1 / r), во взаимодействии с данной частицей принимают участие не только ближайшие соседи, но и все частицы системы. Поэтому энергия взаимодействия растет гораздо быстрее, чем число частиц, и насыщения сил не возникает. Ненасыщенные свойства гравитационный сил и является причиной гравитационного коллапсаГравитационный коллапс - катастрофически быстрое сжатие массивных тел под действием гравитационных сил. Гравитационным коллапсом может заканчиваться эволюция звезд с массой свыше двух солнечных масс. После исчерпания в таких звездах ядерного горючего они теряют свою механическую устойчивость и начинают с увеличивающейся скоростью сжиматься к центру. Если растущее внутреннее давление останавливает гравитационный коллапс, то центральная область звезды становится сверхплотной нейтронной звездой, что может сопровождаться сбросом оболочки и наблюдаться как вспышка сверхновой звезды. Однако если радиус звезды уменьшился до значения гравитационного радиуса, то никакие силы не могут воспрепятствовать ее дальнейшему сжатию и превращению в черную дыру. массивных звезд.

Ядерные силы описывают при помощи потенциала, который является функцией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитационного потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, ядерный потенциал зависит от r гораздо сложнее. Например, на расстоянии 1 ферми (1 ферми=10 -13 см) ядерное притяжение максимально и превышает кулоновское взаимодействие (потенциал) в несколько десятков раз, а гравитационное — в 10 38 раз, однако с увеличением расстояния до r =6 ферми ядерное притяжение убывает в 200 раз, тогда как кулоновское и гравитационное только в 6 раз.

Из-за такого различия ядерных, кулоновских и гравитационных сил их относительный эффект зависит от полного числа частиц в системе. В ядрах с А?300 несущественны, а кулоновские силы отталкивания пропорциональны квадрату числа протонов (Z 2) и уменьшают полную энергию связи примерно на 25% для средних и тяжелых ядер (А?300, Z ~ А / 2). Кулоновские силы приводят также к спонтанному делению тяжелых ядер, потому что суммарная кулоновская энергия отталкивания в ядрах — продуктах деления — меньше, чем в исходном ядре. Эти же кулоновские силы делают невозможным существование равновесной ядерной материи с примерно одинаковым числом протонов и нейтронов, поскольку энергия связи за счет ядерных сил растет как A , а отталкивание за счет кулоновских сил растет как Z 2 ~ A 2 .

Нейтронная ядерная материя в отсутствие гравитационных сил не может существовать, так как, по теоретическим оценкам, притяжения между нейтронами чуть-чуть не хватает для образования связанного состояния. С ростом числа нуклонов в системе, а следовательно ее массы, гравитационные силы становятся все более важными. При суммарной массе нуклонов, сравнимой с массой нейтронной звезды (), гравитационная энергия превышает 15% массы покоя всех нуклонов (в энергетическом выражении); при этом гравитационные силы создают давление, необходимое для существования нейтронной материи в центре нейтронной звезды.

Еще одно свойство потенциала ядерных сил состоит в том, что если кулоновский и гравитационные потенциалы в нерелятивистском приближении зависят только от зарядов и масс частиц соответственно, то потенциал ядерных сил зависит от гораздо большего числа переменных. Определим эти переменные. Нуклоны обладают , зарядом Q и движутся относительно друг друга с орбитальным моментом количества движения L . Кроме того, за счет ядерных сил возможен обмен зарядом между протонами p и нейтронами n.

Количество различных членов в потенциале ядерных силах зависит от всех комбинаций переменных, но уменьшается за счет изотопической и вращательной инвариантности потенциала ядерных сил. Согласно , существуют два различных типа ядерного взаимодействия: одно для симметричных по заряду состояний пары нуклонов pp или nn (ему соответствует так называемый I =0). Согласно вращательной инвариантности, потенциал ядерных сил зависит от ориентации спинов нуклонов относительно друг друга и определенного направления в системе: спины могут быть параллельными или антипараллельными, соответственно суммарный S равен единице или нулю.

При S =1 в потенциале ядерных сил имеется зависимость от ориентации спина относительно направления линии, соединяющей нуклоны. Соответствующий член в потенциале ядерных сил называется потенциалом тензорных сил. Кроме того, спин S =1 может быть по-разному ориентирован относительно плоскости орбиты нуклонов. Член в потенциале, содержащий эту зависимость, называют потенциалом спин-орбитальных сил. Таким образом, основные составляющие части потенциала ядерных сил включают четыре типа потенциала центральных сил (то есть зависящих только от r — расстояния между нуклонами, но не от направления их движения): два по значению полного спина и два по значению изоспина. Имеются также два тензорных потенциала (I =0,1) и два спин-орбитальных (I =0,1). Кроме того, потенциал ядерных сил может зависеть от L 2 и от P 2 — квадрата импульса нуклонов.

Прямое экспериментальное определение парных ядерных сил состоит в опытах по рассеянию нуклонов (протонов или нейтронов) на нуклонной мишени. Для определения зависимости ядерных сил от ориентации спинов требуются опыты с поляризованными нуклонами и поляризованными мишенями. Эти опыты выполнены, и имеются прецизионные данные в интервале энергий до 1000 МэВ (в лабораторной системе отсчета — системе координат, связанной с покоящимся нуклоном).

На основании экспериментальных данных можно утверждать следующее.

1) Все члены в потенциале ядерных сил сравнимы по величине. Главным остается потенциал центральных сил; спин-орбитальные и тензорные силы оказываются меньше, но всего в несколько раз. Для сравнения заметим, что для кулоновских сил в атоме зависящая от спинов часть потенциала составляет около 1% от центральной части (~ Q 1 Q 2 /r ).

2) Ядерные силы обладают конечным радиусом действия, поэтому их называют короткодействующими по сравнению с кулоновскими или гравитационными.

3) На расстоянии 1-1,5 ферми центральная часть взаимодействия является притягивающей — глубина потенциала притяжения (потенциальной ямы) 30-50 МэВ; однако по законам квантовой механики энергия связанного состояния оказывается гораздо меньше (она отличается от глубины ямы на среднюю кинетическую энергию, равную примерно , где r 0 — ширина ямы притяжения, m — масса нуклона). Из-за малого радиуса действия ядерных сил (1,5-2 ферми) притяжение оказывается достаточным для возникновения только одного связанного состояния протона и нейтрона с параллельными спинами () с энергией связи 2,2 МэВ. Два нейтрона (или два протона) вообще не образуют связанного состояния. Для сравнения укажем, что в молекуле водорода над основным состоянием возникает целый спектр возбужденных колебательных и вращательных состояний.

Заметим еще, что энергию ядер или ядерной материи нельзя определить как энергию связи пары (2,2 МэВ), умноженную на полное число пар или число возможных связей; правильный расчет гораздо сложнее и, напр., приводит к большой энергии связи среднего по массе ядра, даже когда энергия связи пары равна нулю.

4) При больших энергиях нуклонов в экспериментах по рассеянию частиц (что эквивалентно малым расстояниям, r < 1 ферми) все компоненты ядерных сил дают сильное отталкивание («кор», от английского core — сердцевина). Величина потенциала ядерных сил на достигнутых малых расстояниях составляет около 1000 МэВ=1 ГэВ. Наличие кора оказывается решающим фактором для насыщения ядерных сил. Если бы величина отталкивающей части потенциала в к’оре была всего в три раза меньше, то нуклоны могли бы коллапсировать на один или несколько центров и ядерной материи в обычном понимании не существовало.

Схематическое поведение потенциала центральных сил V r как функции r показано на рис 1. Оно несколько напоминает поведение потенциала двух нейтральных атомов. В качестве иллюстрации приведем аналитическую зависимость от расстояния r для потенциала Рида, характеризующего взаимодействие двух нейтронов в состоянии с орбитальным моментом, равным нулю:

где и . Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что нуклоны взаимодействуют как весьма сложные объекты.

Теоретическая интерпретация экспериментов по исследованию ядерн. сил осложнена тем, что еще не создана последовательная теория сильных взаимодействий.

Рис. 1. Схематическое поведение потенциала центральных сил V r как функции r

Разработка теории ядерных сил была начата в 1935 году японским физиком Хидэки ЮкавойЮкава Хидэки (1907-1981) - японский физик, иностранный член АН СССР (1966). Предсказал (1935) существование мезонов, развил основные положения мезонной теории. Предсказал (1936, совместно с С. Сакатой) электронный захват. Нобелевская премия (1949). Золотая медаль им. Михаила Васильевича Ломоносова АН СССР (1964). , который предположил, что ядерные силы возникают за счет того, что нуклоны обмениваются?- мезоном с массой 140 МэВ (? -мезон был открыт 10 лет спустя). Такой механизм объясняет конечный радиус действия ядерных сил (он оказывается равным около ферми) и приблизительную величину притяжения на больших расстояниях (r > 1,5 ферми).

В течение 60-х годов 20 века, когда были открыты более тяжелые (r и w), их также включили в схему обмена между нуклонами. Это позволило качественно объяснить возникновение спин-орбитальных сил и отталкивательного кора.

Для объяснения притяжения нужной силы на расстоянии около 1 ферми вводятся гипотетические скалярные мезоны. В настоящее время вместо скалярных мезонов вводится обмен парой скоррелированных -мезонов.

Расчет энергий связи ядер 3 H, 3 He, 4 He с использованием парных потенциалов проводится теперь с точностью около 3%. Оказалось, что такой расчет систематически приводит к недосвязанности ядер (по сравнению с экспериментом). Например, для 3 H и 3 He расчет дает энергию связи на 20% меньше экспериментальной величины, для 4 He — на 30-40% меньше. Расчеты сечений реакций в трех- четырехнуклонных системах в среднем лучше согласуются с опытом в области малых энергий (до 20 МэВ).

Все это в сочетании с трудностью теоретического объяснения величины кора заставляет признать теоретическую картину ядерных сил не вполне удовлетворительной. Возникшая в последние годы кварк-глюонная картина строения частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (), представляет нуклон как систему из трех валентных кварковКварки - гипотетические фундаментальные частицы, из которых по современным представлениям, состоят все адроны (барионы - из трех кварков, мезоны - из кварка и антикварка). Кварки обладают спином 1 / 2 , барионным зарядом 1 / 3 , электрическими зарядами -2 / 3 , и +1 / 3 , заряда протона, а также специфическим квантовым числом «цвет». Экспериментально (косвенно) обнаружены 6 типов («ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии не наблюдались. , взаимодействующих за счет обмена и находящихся внутри некоторого «пузыря» (обычно называемого кварковым мешком), окруженного давящим на него снаружи вакуумом. В такой картине ядерные силы на малых расстояниях доминирует механизм слипания двух нуклонных мешков с образованием общего шестикваркового менка. Поэтому два нуклона не могут быть рядом, на расстоянии, меньшем размеров общего мешка, что позволяет просто и количественно точно объяснить возникновение отталкивательного кора в ядерных силах (а также и ряд других характеристик яд. сил). Несомненно, кварк-глюонная картина ядерных сил является наиболее фундаментальной, однако в ее конкретном осуществлении делаются только первые шаги.

Дополнительные сведения о ядерных силах смотрите в литературе:

Блатт Дж., Виктор Фредерик ВайскопфВиктор Фредерик Вайскопф (родился в 1908 году) - американский физик-теоретик, иностранный член РАН (1991; иностранный член АН СССР с 1976). Родился в Австрии, работал в Германии и Дании, с 1937 в США. В 1961-65 директор Европейского центра ядерных исследований. Основные труды по физике атомного ядра и элементарных частиц, квантовой теории поля и квантовой электродинамике. , Теоретическая ядерная , перевод с английского, М., 1954; Оге БорОге Бор (родился 19 июня 1922 года, в Копенгагене) - датский физик. Сын Нильса Бора. Член датской АН (1950), Норвежской АН (1962), Шведской АН (1965), Американской академии искусств и наук (1965). Нобелевская премия по физике (1975, совместно с Бенжамином Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером). , , Структура атомного ядра, перевод с английского, т. 1-2, М., 1971-77; Калоджеро Ф., Симонов Ю.А., Ядерные силы, насыщение и структура ядер, в сборнике Будущее науки, в. 9, М., 1976.

Ядерные силы (англ. Nuclear forces) являются силами взаимодействия нуклонов в атомном ядре. Они стремительно убывают с ростом расстояния междунуклонами и становятся практически незаметными на расстояниях выше 10 -12 см.

С точки зрения полевой теории элементарных частиц ядерные силы, в основном, являются силами взаимодействия магнитных полей нуклонов в ближней зоне. На больших расстояниях потенциальная энергия такого взаимодействия убывает по закону 1/r 3 - этим объясняется их короткодействующий характер. На расстоянии (3 ∙10 -13 см) ядерные силы становятся доминирующими, а на расстояниях менее (9,1 ∙10 -14 см) они превращаются в еще более мощные силы отталкивания. График потенциальной энергии взаимодействия электрического и магнитного полей двух протонов демонстрирующий наличие ядерных сил приведен на рисунке.

Протон - протонные, протон - нейтронные и нейтрон - нейтронные взаимодействия будут несколько отличаться поскольку структура магнитных полей протона инейтрона разная.

Существует несколько, основных свойств ядерных сил.

1. Ядерные силы - силы притяжения.

2. Ядерные силы являются коротко действующими. Их действие проявляется только на расстояниях примерно 10-15 м.

При увеличении расстояния между нуклонам я ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия ((1,5 2,2) 1 0 ~15 м),-оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии.

3. Ядерные силы проявляют зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами постоянно и не зависит от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтронного). Это означает, что ядерные силы имеют неэлектронную природу.

Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, это число протонов в одном равно числу нейтронов в другом.

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, то есть каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов остается постоянной. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у а-частицы, которая является очень устойчивой.

5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.

6. Ядерные силы не являются центральными, то есть не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Сложность и неоднозначный характер ядерных сил, а также трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел, не позволили разработать до сегодняшнего дня единую стройную теорию атомного ядра.

35. Радиоактивный распад. Закон радиоактивного превращения.

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») - спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z,массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов . Процесс радиоактивного распада также называютрадиоакти́вностью , а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность - самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность - самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующиеядерные реакции.

акон радиоактивного распада - физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце. Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом,

Сперва закон был сформулирован так :

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

из чего с помощью теоремы Бернулли учёные сделали вывод [ источник не указан 321 день ] :

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Существует несколько формулировок закона, например, в виде дифференциального уравнения:

которое означает, что число распадов , произошедшее за короткий интервал времени , пропорциональнo числу атомов в образце .

Атомное ядро, состоящее из определенного числа протонов и нейтронов, является единым целым благодаря специфическим силам, которые действуют между нуклонами ядра и называются ядерными. Экспериментально доказано, что ядерные силы имеют очень большие значения, намного превышающие силы электростатического отталкивания между протонами. Это проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре намного больше работы сил кулоновского отталкивания. Рассмотрим основные особенности ядерных сил .

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами притяжения . Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10 –15 м. Расстояние порядка (1,5 – 2,2)·10 –15 м называется радиусом действия ядерных сил , с его увеличением ядерные силы быстро уменьшаются. На расстоянии порядка (2-3) м ядерное взаимодействие между нуклонами практически отсутствует.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения , т.е. каждый нуклон взаимодействует только с определенным числом ближайших соседей. Такой характер ядерных сил проявляется в приближенном постоянстве удельной энергии связи нуклонов при зарядовом числе А >40. Действительно, если бы насыщения не было, то удельная энергия связи возрастала бы с увеличением числа нуклонов в ядре.

3. Особенностью ядерных сил является также их зарядовая независимость , т.е. они не зависят от заряда нуклонов, поэтому ядерные взаимодействия между протонами и нейтронами одинаковы. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи зеркальных ядер . Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов другом. Например, энергии связи ядер гелия и тяжелого водорода – трития составляют соответственно 7,72 МэВ и 8,49 МэВ . Разность энергий связи этих ядер, равная 0,77 МэВ, соответствует энергии кулоновского отталкивания двух протонов в ядре . Полагая эту величину равной , можно найти, что среднее расстояние r между протонами в ядре равно 1,9·10 –15 м, что согласуется с величиной радиуса действия ядерных сил.

4. Ядерные силы не являются центральными и зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Это подтверждается различным характером рассеяниянейтронов молекулами орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода спины обоих протонов параллельны друг другу, а в молекуле параводорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтронов на параводороде в 30 раз превышает рассеяние на ортоводороде.

Сложный характер ядерных сил не позволяет разработать единую последовательную теорию ядерного взаимодействия, хотя было предложено много различных подходов. Согласно гипотезе японского физика Х. Юкавы (1907-1981), которую он предложил в 1935 г., ядерные силы обусловлены обменом - мезонами, т.е. элементарными частицами, масса которых приблизительно в 7 раз меньше массы нуклонов . По этой модели нуклон за время m - масса мезона) испускает мезон, который, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, проходит расстояние , после чего поглощается вторым нуклоном. В свою очередь второй нуклон также испускает мезон, который поглощается первым. В модели Х. Юкавы, таким образом, расстояние, на котором взаимодействуют нуклоны, определяется длиной пробега мезонов, что соответствует расстоянию около м и по порядку величины совпадает с радиусом действия ядерных сил.

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны. Модуль заряда - или - мезонов численно равен элементарному заряду e . Масса заряженных - мезонов одинакова и равна (140 МэВ ), масса - мезона равна 264 (135 МэВ ). Спин как заряженных, так и нейтральных - мезонов равен 0. Все три частицы нестабильны. Время жизни - и - мезонов составляет 2,6 с , - мезона – 0,8·10 -16 с . Взаимодействие между нуклонами осуществляется по одной из следующих схеме:

1. Нуклоны обмениваются мезонами: . (22.8)

В этом случае протон испускает - мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон, затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть в нейтральном.

2. Нуклоны обмениваются - мезонами:

3. Нуклоны обмениваются - мезонами:

, (22.10)

Все эти процессы доказаны экспериментально. В частности, первый процесс подтверждается при прохождении пучка нейтронов через водород. В пучке появляются движущиеся протоны, а соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени.

Модели ядра. Под моделью ядра в ядерной физике понимают совокупность физических и математических предположений с помощью которых можно рассчитать характеристики ядерной системы, состоящей из А нуклонов.

Гидродинамическая (капельная) модель ядра В ее основу положено предположение о том, что благодаря большой плотности нуклонов в ядре и чрезвычайно сильному взаимодействию между ними независимое движение отдельных нуклонов является невозможным и ядро представляет собой каплю заряженной жидкости плотностью .

Оболочечная модель ядра В ней предполагается, что каждый нуклон движется независимо от других в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме , создаваемом остальными нуклонами ядра.

Обобщённая модель ядра , объединяет основные положения создателей гидродинамической и оболочечной моделей. В обобщенной модели предполагается, что ядро состоит из внутренней устойчивой части – остова, который образован нуклонами заполненных оболочек, и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами остова. В связи с этим движение остова описывается гидродинамической моделью, а движение внешних нуклонов - оболочечной. За счет взаимодействия с внешними нуклонами остов может деформироваться, а ядро – вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси деформации.

26. Реакции деления атомных ядер. Ядерная энергетика .

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием друг с другом или с другими ядрами или элементарными частицами. Первое сообщение о ядерной реакции принадлежит Э.Резерфорду. В 1919г он обнаружил, что когда - частицы проходят через газообразный азот, некоторые из них поглощаются, причем одновременно происходит испускание протонов. Резерфорд пришел к выводу, что ядра азота превращались в ядра кислорода в результате ядерной реакции вида:

, (22.11)

где − - частица; − протон (водород).

Важным параметром ядерной реакции является ее энергетический выход , который определятся по формуле:

(22.12)

Здесь и - суммы масс покоя частиц до реакции и после нее. При ядерные реакции протекают с поглощением энергии, поэтому они называются эндотермическими, а при − с выделением энергии. В этом случае они называются экзотермическими.

В любой ядерной реакции всегда выполняются законы сохранения :

− электрического заряда ;

− числа нуклонов;

− энергии;

− импульса.

Первые два закона позволяют правильно записывать ядерные реакции даже в тех случаях, когда одна из частиц, участвующих в реакции, или один из его продуктов неизвестны. С помощью законов сохранения энергии и импульса можно определить кинетические энергии частиц, которые образуются в процессе реакции, а также направления их последующего движения.

Для характеристики эндотермических реакций вводится понятие пороговая кинетическая энергия , или порог ядерной реакции , т.е. наименьшая кинетическая энергия налетающей частицы (в системе отсчета, где ядро-мишень покоится), при которой ядерная реакция становится возможной. Из закона сохранения энергии и импульса следует, что пороговая энергия ядерной реакции рассчитывается по формуле:

. (22.13)

Здесь - энергия ядерной реакции (7.12); -масса неподвижного ядра – мишени; − масса налетающей на ядро частицы.

Реакции деления . В 1938г немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами иногда возникают ядра приблизительно вдвое меньшие, чем исходное ядро урана. Это явление было названо делением ядра .

Оно представляет собой первую экспериментально наблюдаемую реакцию ядерных превращений. Примером может служить одна из возможных реакций деления ядра урана-235:

Процесс деления ядер протекает очень быстро за время ~10 -12 с. Энергия, которая выделяется в процессе реакции типа (22.14), составляет примерно 200 МэВ на один акт деления ядра урана-235.

В общем случае реакцию деления ядра урана–235 можно записать в виде:

+нейтроны. (22.15)

Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно этой модели при поглощении нейтрона ядром урана оно переходит в возбужденное состояние (рис. 22.2).

Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результате ядро деформируется, что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия. Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации , то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части, с испусканием нейтронов деления . Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до

критической стадии деления и, испустив - квант, возвращается в основное