12.3. Природа ядерных сил

Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетель­ствует о том, что между нуклонами имеется очень ин­тенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на рас­стояниях ~ см друг от друга, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило на­звание сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим от­личительные особенности этих сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими — при расстояниях между нуклонами, превышающих при­мерно см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нук­лонов. Ядерные силы, действующие между двумя про­тонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтон, только в том случае, когда их спины параллельны друг другу.

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодей­ствует с ограниченным числом нуклонов). Это свойство вытекает из того факта, что энергия связи, приходя­щаяся на один нуклон, примерно одинакова для всех ядер, начиная с . Кроме того, на насыщение ядер­ных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов.

Сильное взаимодей­ствие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обме­ниваются частицами, получившими название мезонов. Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рас­смотрим прежде, как выглядит кулоновское взаимодей­ствие с точки зрения квантовой электродинамики.

Взаимодействие между заряженными частицами осу­ществляется через электромагнитное поле. Это поле может быть представлено как совокупность квантов энергии — фотонов. Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например элек­тронами, заключается в обмене фотонами. Каждая ча­стица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фо­тонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а вир­туальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаруже­ны за время их существования. В этом смысле виртуаль­ные частицы можно назвать воображаемыми. Чтобы лучше понять смысл термина «виртуальный», рассмот­рим покоящийся электрон. Процесс создания им в окру­жающем пространстве поля можно представить урав­нением:

. (12.1)

Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое уравнением (12.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажу­щимся. Согласно квантовой механике энергия состоя­ния, существующего время Δt, оказывается определен­ной лишь с точностью ΔE, удовлетворяющей соотноше­нию неопределенностей: . Таким образом, если испущенный элек­троном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени (где ), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено.

Если электрону сообщить дополнительную энергию (например, при соударении его с другим электроном), то вместо виртуального фотона может быть испущен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.

За время Δt виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными рас­стоянием . Энергия фотона может быть сколь угодно мала (частота ω изменяется от 0 до ∞). Поэтому ра­диус действия электромагнитных сил является неогра­ниченным. Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу покоя т₀, то, как легко сообразить, радиус дей­ствия соответствующих сил был бы ограничен вели­чиной:

где — комптоновская длина волны данной частицы (мы положили, что частица — переносчик взаимодействия движется со скоростью с).

В 1934 г. И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается по­средством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц — электрон обладает комптоновской длиной волны см, приблизительно в 200 раз превышающей радиус действия ядерных сил (равный см). Кроме того, величина сил, которые могли бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой. Та­ким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной.

В 1935 г. японский физик X. Юкава высказал гипотезу о том, что в природе существуют частицы с массой, в 200—300 раз боль­шей массы электрона, которые выпол­няют роль переносчиков ядерного взаимодействия по­добно тому, как фотоны являются переносчиками элек­тромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти частицы тяжелыми фотонами. Так как по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впо­следствии были названы мезонами.

В 1936 г. Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой покоя, равной 207 . Вначале полагали, что эти частицы, получившие название µ-мезонов, или мюонов, и есть перенос­чики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впоследствии выяснилось, что µ-мезоны очень слабо вза­имодействуют с нуклонами, так что не могут быть ответственными за ядерные взаимодействия. Только в 1947 г. Оккналини и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезонов— так называемые π-мезоны, или пионы, которые оказались носите­лями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юкавой.

Существуют положительный ( ), отрицательный ( ) и нейтральный ( ) пионы. Заряд - и - мезонов равен элементарному заряду е. Масса заряженных пио­нов одинакова и равна 273 (140 МэВ), масса -ме­зона равна 264 (135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтрального π-мезона равен нулю (s = 0). Все три частицы нестабильны. Время жизни - и -мезонов составляет , -мезона . Подавляющая часть (в среднем 99,97%) заряженных пионов распадается по схеме

( и — положительный и отрицательный мюоны, — нейтрино, — антинейтрино). Остальные 0,03% распа­дов протекают по другим схемам (например, и т. п., причем в случае образуется , т. е. позитрон, а в случае возникает , т. е. элек­трон).

В среднем 98,7% -мезонов распадаются на два γ-кванта:

Остальные 1,3% распадов осуществляются с рождением пары электрон — позитрон и γ кванта )

или двух электронно-позитронных пар ( )

Частицы, называемые µ-мезонами, или мюонами, по современной классификации не относятся к категории мезонов; вместе с электронами и нейтрино они обра­зуют группу лептонов (поэтому вместо термина «µ-мезон» лучше пользоваться термином «мюон»).Мюоны имеют положительный ( ) или отрицательный ( ) заряд, равный элементарному заряду е (нейтрального мюона не существует). Масса мюона равна 207 (106 МэВ), спин — половине (s =1/2)- Мюоны, как и π-мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме:

,

Время жизни обоих мюонов одинаково и равно с.

Вернемся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов:

нуклон оказывается окруженным облаком виртуаль­ных π-мезонов, которые образуют поле ядерных сил.

Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, происхо­дящему по одной из следующих схем:

1)

Протон испускает виртуальный -мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении (рис. 12.3, а). Каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть— в ней­тральном.

2)

Нейтрон и протон обмениваются π-мезонами (рис. 12.3,6).

3) ,

Н уклоны обмениваются -мезонамн (рис. 12.3, в). Первый из этих трех процессов находит эксперимен­тальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водо­род в этом пучке появляются протоны, многие из которых имеют ту же энергию и на­правление движения, что и падающие нейтроны. Соот­ветствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени. Cовершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов. Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, про­летая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превра­щается в нейтрон (рис. 12.4).

Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную мас­се π-мезона, то виртуальный π-мезон может стать реаль­ным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном γ-кванта. При очень больших энергиях соударяющихся частиц от нук­лона может «оторваться» несколько π-мезонов. В кос­мических лучах, где встречаются частицы с энергиями ~ ГэВ, наблюдаются случаи рождения до 20 реаль­ных π-мезонов при одном соударении.

Нейтрон часть вре­мени проводит в виртуальном состоянии (p + ). Орби­тальное движение -мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона (2.79 вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением -мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии ( ).