4. Ядерні сили, механізм сильної взаємодії.

Ядерна взаємодія, що визначає величезну енергію зв’язку між нуклонами в ядрі і утримує їх на відстанях ~ 10^-13 см, носить назву сильної взаємодії, яку можна описати за допомогою поля ядерних сил, що мають наступні особливості:

1). Вони є короткодіючими з радіусом дії 10^-13 см.

2). Ядерні сили мають зарядову незалежність – взаємодія між різними нуклонами має одну величину.

3). Ядерні сили не є центральними, тобто вони не напрямлені вздовж лінії, що з’єднує їх центри.

4). Ядерні сили залежать від взаємної орієнтації спінів нуклонів, утримуючи разом нуклони при паралельній орієнтації їх спінів.

5). Ядерні сили мають властивість насичення. Тобто кожний нуклон взаємодіє з обмеженою кількістю нуклонів, що пояснює відносну незалежність питомої енергії зв’язку від числа нуклонів.

Механізм сильної взаємодії полягає в тому, що нуклони віртуально обмінюються частинками, що отримали назву мезонів. Тут ми маємо аналог електромагнітної взаємодії, але з точки зору квантової електродинаміки, яка полягає в наступному:

• Взаємодія між зарядженими частинками здійснюється через електромагнітне поле, яке можна представити як сукупність фотонів, якими обмінюються частинки, що неперервно випромінюють і поглинають їх.

• Головне в тому, що це не просто звичайні реальні фотони, а віртуальні, тобто такі, які згідно квантової механіки не можна виявити під час їх існування.

Розглянемо нерухомий електрон. Процес створення поля навколо нього можна описати рівнянням:

, (5.6)

тобто виходить, що енергія нерухомого електрона менше ніж сума енергій , але в (5.6) порушення закона збереження енергії не може бути виявлено. Дійсно, згідно співвідношення невизначеностей Гейзенберга енергія-час маємо:

, (5.7)

тобто енергія системи може зазнавати неспостерігаємі відхилення , які по тривалості не повинні перевищувати час . За час Δt віртуальний фотон може передати взаємодію між точками, що розділені відстанню

. (5.8)

Якщо врахувати, що ν може змінюватися від 0 до ∞, то l є необмеженим. Якщо би обмін у взаємодіючих електронів відбувався частинками з масою спокою , то радіус дії відповідних сил був би обмежений величиною:

, (5.9)

де λ_k – комптонівська довжина хвилі даної частинки, m – маса випроміненої (поглинутої) частинки.

Подібний механізм був запропонований в 1934 р. радянським вченим Ігорем Євгенієвичем Таммом (1895 – 1971), але в той час крім нуклонів були ще відомі лиш фотон, електрон, позітрон і нейтрино. Для самої важкої частинки – електрона , що майже на три порядка перевищує радіус дії ядерних сил. В 1935 р. японський фізик Х. Юкава припустив, що в природі існують частинки з масою в 200 – 300 разів більшою маси електрона і вони виконують роль переносників ядерної взаємодії, які були названі мезонами (m_e<M<m_p). Такі частинки були виявлені в 1947 р. в космічному випромінюванні – так звані π-мезони (піони) – додатні (π⁺), від’ємні (π^-) і нейтральні (π⁰). Заряд π⁺ і π^- дорівнює е, маса заряджених мезонів – 273m_e (140 МеВ), а π⁰-мезона – 264m_e (135 МеВ), час життя π⁺ і π^—мезонів 2,6·10^-8 сек, а π⁰-мезона – 0,8·10^-16 сек, спін піонів 0. Тоді в результаті наступних віртуальних процесів:

а). ;

б). ; (5.10)

в). ,

кожний нуклон, оточений хмарою віртуальних π-мезонів, утворюючих поле ядерних сил. Поглинання даних π-мезонів іншим нуклоном приводить до сильної взаємодії між ними, яка здійснюється по одній з наступних схем:

1). → протон випромінює π⁺;

2). → нейтрон випромінює π^-;

3). → нуклони обмінюються π⁰-мезонами.

Вказаний механізм сильної взаємодії пояснює і існування магнітного момента у нейтрона і аномальну величину магнітного момента протона ( , замість одного ядерного магнетона). Нейтрон частину часу проводить у віртуальному стані ( ) і тоді орбітальний рух ^--мезона приводить до наявності від’ємного магнітного момента нейтрона, а збільшене значення _р пояснюється орбітальним рухом віртуального ⁺-мезона, коли протон знаходиться в віртуальнму стані ( ).