2.2 Обменный механизм притяжения

Теперь остается выяснить, как из обменной модели получается притяжение. В изолированном нейтроне размер области локализации пиона равен r_h. С малой величиной размера связана большая неопределенность импульса и большая кинетическая энергия. Если к нейтрону приближать протон, то при малых расстояниях между ними у пиона появляется возможность оказываться около другого протона (при этом протон-сосед превращается в нейтрон). Это обстоятельство означает, что размер области локализации пиона при сближении нуклонов увеличивается. Чем ближе нуклоны, тем больше шанс пиону перескочить от одного к другому нуклону. Размер области локализации растет при сближении нуклонов. Неопределенность импульса пиона убывает, а с нею убывает и кинетическая энергия. Можем заключить: чтобы удалить нуклоны друг от друга, придется увеличить энергию системы, т.е. совершить работу. Из проведенных рассуждений вытекает, что из-за возможности перескока пиона от нуклона к нуклону в системе возникает скрепляющая сила. Частица, создающая виртуальное облако и силу взаимодействия, является частицей-переносчиком взаимодействия. Чем больше инвариантная масса частицы-переносчика, тем меньше радиус взаимодействия. Частицей-переносчиком слабого взаимодействия является дабл-ю-бозон (W^–). Его инвариантная масса в 90 раз больше массы протона, т.е. почти в 650 раз больше массы пиона, являющегося переносчиком адронного взаимодействия. По этой причине слабое взаимодействие является более короткодействующим, чем адронное. Радиус слабого взаимодействия имеет порядок 10^-18 м.

Вопрос 4. В чем состоит неточность утверждения: “Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов”?

Механизм ядерного обменного взаимодействия был открыт японским физиком Юкавой в 1934 г. В то время пионы еще не были известны. Но зато из опытов по рассеянию протонов на протонах и нейтронов на протонах был уже определен радиус адронного взаимодействия. Из развитой Юкавой теории и экспериментальных данных об адронном взаимодействии следовало, что в природе должна существовать частица с инвариантной массой, гораздо большей массы электрона и меньшей протона (средней массы, поэтому ее и назвали мезоном  средним). Экспериментальное подтверждение существования мезонов Юкавы имеет сложную и драматическую историю. Примерно в 1937 году в космическом излучении были открыты частицы с массой, близкой к 200 массам электрона. Естественно, их отождествили с мезонами Юкавы. Дальнейшие исследования этих частиц (теперь они известны под названием мюонов, или мю-мезонов) показали, что они очень слабо взаимодействуют с ядрами, и поэтому не могут быть ответственны за большие ядерные силы. Оказалось, что мюоны являются не мезонами, а лептонами. Частицу переносчик адронного взаимодействия нашли лишь через 10 лет  в 1947 году. С составе космического излучения были обнаружены подходящие частицы  пионы. Их масса близка к 270 электронным массам, они сильно взаимодействуют с ядрами.

Задача 4. Какую минимальную энергию должен иметь электрон, чтобы он мог выбить из нейтрона отрицательный пион?