1. Обмінний характер ядерних сил

 Явище насичення і короткодіючий характер ядерних сил вперше були пояснені на основі припущення про обмінний характер ядерних сил, тобто що ці сили виникають між двома частинками завдяки обміну третього часткою. Такий часткою у разі взаємодії нуклонів є, по- Мабуть, мезон. Якщо стан двох взаємодіючих нуклонів залежить від їх просторових r1, r2 і спінових s1, s2 координат, то подібний обмін може здійснюватися трьома різними способами.

      1) нуклони можуть обмінюватися просторовими координатами, зберігаючи незмінними спінові змінні. Ця можливість була розглянута майоран. Сили, що виникають при такій взаємодії, отримали назву сил майоран.

      2) Можливий обмін нуклонів спіновими змінними при незмінних просторових координатах. Цей варіант був розглянутий Бартлеттом. Сили взаємодії нуклонів при такому обміні отримали назву сил Бартлетта.

      3) Можливий одночасний обмін спіновими і просторовими координатами. Виникаючі при цьому обмінні сили відомі під назвою сил Гейзенберга.

      Формальний опис обмінного взаємодії здійснюється шляхом введення в гамільтоніан системи таких операторів, які, діючи на хвильову функцію, викликають перестановку координат або перестановку спінів, або і тих і інших одночасно в залежності від характеру обмінних сил.

Обмінний характер ядерної взаємодії подібний до ковалентного зв'язку між атомами в молекулі, де роль такого «посередника» відіграють валентні електрони

У 1935 р. японський фізик X. Юкава висунув припущення, що природа ядерних сил полягає в їхньому обмінному характері, тобто, за його передбаченням, наявність ядерних сил зумовлює гіпотетична частинка ненульової маси, якою обмінюються між собою нуклони під час взаємодії.

Пізніше, у 1947 р. така частинка була експериментально виявлена і названа пі-мезоном. Встановлено, що залежно від типу взаємодіючої пари нуклонів (протон—протон, нейтрон—нейтрон, протон—нейтрон, нейтрон—протон) існує три види пі-мезонів: позитивний (п+), негативний (п-) і нейтральний (п0). Перші два мають масу спокою, яка дорівнює 274 масам електрона те, що відповідає приблизно 140 МеВ; маса спокою третього дорівнює 264 те, що відповідає приблизно 135 МеВ.

Пі-мезони не входять до складу протонів і нейтронів. Вони лише виявляють себе в ядерній взаємодії як обмінні частинки, завдяки яким відбувається сильна взаємодія в атомному ядрі. Ця взаємодія є чинником об'єднання нуклонів у стабільне атомне ядро. Зв 'язаний стан нуклонів у ядрі характеризується енергією зв'язку, яка витрачається на те, щоб утримувати протони і нейтрони у такому стані. Тобто це енергія, потрібна для виконання роботи проти дії ядерних сил, що утримують нуклони в ядрі у зв'язаному стані. Якщо порівняти масу атомних ядер із сумою мас нуклонів, які їх складають, то з'ясується, що вони не збігаються: маса ядра завжди менша за масу її складових. Тому кажуть, що існує дефект мас Δm, який визначається різницею суми мас Z протонів і N нейтронів та маси ядра mя: Пі-мезони — це кванти ядерного поля, подібні до фотонів, які є квантами електромагнітного поля

Пі-мезони інколи називають піонами