В

Мезонная теория ядерных сил

максвелловской электродинамике считалось, что взаимодействие между зарядами осуществляется через поле: заряд создает поле, и это поле воздействует на другие заряды. Более тонкая микроскопическая картина электромагнитного взаимодействия была получена в квантовой электродинамике, в которой к электромагнитному полю был применен метод вторичного квантования. В итоге сформировалось представление о том, что взаимодействие между двумя заряженными частицами является результатом обмена фотонами: каждый из зарядов испускает фотоны (кванты переносящего взаимодействие электромагнитного поля), которые затем поглощаются другими зарядами.

Вообще говоря, представление об обменных силах возникло впервые не в ядерной физике, а в квантовой химии. Еще в 1928 году В. Гейзенберг и П. Дирак ввели понятие обменного взаимодействия и применили его для объяснения природы химической связи. В случае химической связи обменные силы допускали наглядную трактовку: взаимодействие переносится массивной заряженной частицей – электроном.

Соответствующая же наглядная картина электромагнитного взаимодействия нуждалась в дополнительном анализе. До начала взаимодействия каждая из заряженных частиц является свободной, а процессы испускания или поглощения кванта свободной частицей запрещены законами сохранения энергии и импульса. Для разрешения этого парадокса было введено понятие виртуальных частиц, существующих лишь в промежуточных, имеющих малую длительность t состояниях, для которых, согласно соотношению неопределенностей , энергия заряженной частицы характеризуется неопределенностью , в пределах которой и должна лежать энергия кванта – переносчика взаимодействия.

В 1932 году В. Гейзенберг, основываясь на аналогии между ядром и молекулой, впервые высказал мысль об обменном характере ядерных сил. В его работе «О строении атомных ядер» содержалась гипотеза о существовании новой частицы, обмен которой обусловливает эти силы: «При сближении p и n до расстояний, сравнимых с ядерным, происходит … перемена места отрицательного заряда. … Это изменение места можно сделать наглядным с помощью представления об электроне, не обладающем спином и подчиняющемся статистике Бозе».

В 1934 году советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм независимо друг от друга предложили первую полевую теорию ядерных сил. В статье, опубликованной в «Nature», Тамм выдвинул гипотезу о том, что ядерное взаимодействие осуществляется через поле, квантами которого являются электронно-нейтринные пары. Иными словами, в основу теории ядерных сил были положены процессы и , которые приводят к обмену нуклонов заряженными комплексами или . Однако вскоре И. Е. Тамм пришел к выводу о слабости возникающих при этом сил и о слишком большом радиусе их действия.

В 1935 году японский физик Х. Юкава предположил, что роль квантов поля ядерных сил играют пока неизвестные нестабильные заряженные или нейтральные частицы. Исходя из известных характеристик ядерных сил (прежде всего, их радиуса действия), Юкава попытался определить, какими свойствами (например, массой) должна обладать частица, обмен которой обусловливает ядерные силы. Пусть промежуточная виртуальная частица – переносчик ядерного взаимодействия обладает массой m. Тогда, – рассуждал Юкава, – при ее испускании или поглощении происходит «нарушение» сохранения энергии на величину . Если эта частица движется между нуклонами со скоростью, близкой к скорости света c, а расстояние между нуклонами равно радиусу действия ядерных сил R_s, то , и из соотношения неопределенностей следует:

,

или

. (19.46)

Подставляя сюда численные значения , c и R_s  (1 – 2)10^13 см, Юкава нашел, что масса промежуточной частицы должна составлять примерно (200 – 300)m_e, где m_e – масса электрона. Итак, гипотетическая частица, обмен которой обусловливает ядерные силы, оказывалась в несколько сот раз массивнее электрона и примерно в десять раз легче нуклонов. Поэтому она и была названа мезоном (от греческого mesos – средний). Позже из свойства зарядовой независимости ядерных сил был сделан вывод, что должно существовать три сорта мезонов – положительные, отрицательные и нейтральные.

К аналогичным выводам приводила и более строгая полевая теория ядерных сил. В этой теории уравнение Клейна-Гордона-Фока (19.31) было интерпретировано как уравнение для потенциала поля ядерных сил. При полевой трактовке функции вводились источники мезонного поля – нуклоны, а уравнение (19.31) обобщалось по образцу уравнения Пуассона:

, (19.47)

где – плотность распределения ядерного заряда, который несут нуклоны. В статическом случае поля, создаваемого покоящимся в начале координат точечным нуклоном с «ядерным зарядом» g, с учетом сферической симметрии задачи уравнение (19.47) переходит в уравнение Юкавы:

, (19.48)

где r  дельта-функция Дирака. Решением этого уравнения является функция

, (19.49)

которая описывает потенциал мезонного поля и носит название потенциала Юкавы. Из (19.49) следует, что радиус действия ядерных сил равен

, (19.50)

откуда для массы мезона получается соотношение , совпадающее с формулой (19.46), выведенной из соотношения неопределенностей.