Вопрос 4. Ядерные силы и их свойства.

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 центральнымии 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, 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:

(22.6)

(22.7)
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:

. (22.9)

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. Отсутствие математического закона для ядерных сил не позволяет создать и единой теории ядра. Попытки создания такой теории наталкиваются на серьезные трудности. Вот некоторые из них:

1. Недостаточность знаний о силах, действующих между нуклонами.

2. Чрезвычайную громоздкость квантовой задачи многих тел (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел).

Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать с помощью сравнительно простых математических средств определенную совокупность свойств ядра. Ни одна из подобных моделей не может дать абсолютно точное описание ядра. Поэтому приходится пользоваться несколькими моделями.

Под моделью ядра в ядерной физике понимают совокупность физических и математических предположений с помощью которых можно рассчитать характеристики ядерной системы, состоящей из А нуклонов. Было предложено и разработано много моделей разной степени сложности. Мы рассмотрим лишь наиболее известные из них.

Гидродинамическая (капельная) модель ядрабыла разработана в 1939г. Н. Бором и советским ученым Я. Френкелем. 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 . Как и в случае обычной капли жидкости, поверхность ядра может колебаться. Если амплитуда колебаний становится достаточно большой, происходит процесс деления ядра. Капельная модель дала возможность получить формулу для энергии связи нуклонов в ядре, пояснила механизм некоторых ядерных реакций. Однако эта модель не позволяет объяснить большинство спектров возбуждения атомных ядер и особую устойчивость некоторых из них. Это обусловлено тем, что гидродинамическая модель весьма приближенно отражает суть внутреннего строения ядра.

Оболочечная модель ядра разработана в 1940-1950 гг американским физиком М. Гепперт – Майер и немецким физиком Х. Иенсеном. В ней предполагается, что каждый нуклон движется независимо от других в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме , создаваемом остальными нуклонами ядра. В рамках оболочечной модели функция не вычисляется, а подбирается так, чтобы можно было добиться наилучшего согласия с опытными данными.

Глубина потенциальной ямы составляет обычно ~ (40-50) МэВ и не зависит от количества нуклонов в ядре. В соответствии с квантовой теорией нуклоны в поле находятся на определенных дискретных уровнях энергии. Основное предположение создателей оболочечной модели о независимом движении нуклонов в среднем потенциальном поле находится в противоречии с основными положениями разработчиков гидродинамической модели. Поэтому характеристики ядра, которые хорошо описываются гидродинамической моделью (например, значение энергии связи), не находят объяснения в рамках оболочечной модели, и наоборот.

Обобщённая модель ядра, разработанная в 1950-1953гг, 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. Обобщенная модель позволила объяснить основные особенности вращательных и колебательных спектров атомных ядер, а также высокие значения квадрупольного электрического момента у некоторых из них.

Мы рассмотрели основные феноменологические, т.е. описательные, модели ядра. Однако для полного понимания характера ядерных взаимодействий, определяющих свойства и структуру ядра, необходимо создать такую теорию, в которой ядро рассматривалось бы как система взаимодействующих нуклонов.