17.Основы мезонной теории ядерных сил
Согласно классической физике взаимодействие между частицами осуществляется посредством силовых полей. Так, покоящийся электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое воздействует на другой заряд с некоторой силой.
Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства самого поля: всякому полю должна соответствовать определенная частица – квант поля, которая и является переносчиком взаимодействия. Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. Существенно, что обмен частицами лежит в основе вообще всех взаимодействий частиц и является фундаментальным квантовым свойством природы (например, электромагнитные взаимодействия осуществляется путём обмена фотонами).
При взаимодействии нуклонов квантами поля являются π-мезоны, существование которых было предсказано Юкавой (1935 г.). По его оценке эти частицы занимали промежуточное положение по массе между электроном и нуклоном. И такие частицы были экспериментально обнаружены.
Взаимодействие между нуклонами, возникающее в результате обмена квантами массы m, приводит к появлению потенциала U(r):
|
|
|
,
gЯ – константа взаимодействия частиц с полем квантов, переносящих ядерное взаимодействие. |
Квантовая природа подобных процессов взаимодействия заключается в том, что они могут происходить только благодаря соотношению неопределенностей. По классическим законам такие процессы идти не могут в связи с нарушением закона сохранения энергии. Ясно, что, например, покоившийся свободный нейтрон не может самопроизвольно превратиться в нейтрон +π-мезон, суммарная масса которых больше массы нейтрона.
Квантовая теория этот запрет устраняет. Согласно ей энергия состояния системы, существующего время Δt, оказывается определенной лишь с неопределенностью ΔE, удовлетворяющей соотношению ΔE∙Δt ~ ћ. Из этого соотношения следует, что энергия системы может претерпевать отклонения ΔE, длительность которых не должна превышать величины Δt ≈ ћ/ΔE.
В этом случае нарушение закона сохранения энергии при испускании π-мезона обнаружить нельзя.
Согласно соотношению неопределенностей энергия-время испущенный π-мезон с энергией mπc2 (а это есть величина ΔE) может существовать только конечное время, которое не больше, чем:
|
τπ≈ћ/(mπc2), |
|
По истечении этого времени π-мезон поглощается испустившим его нуклоном. Расстояние, на которое π-мезон удаляется от нуклона, при этом составляет:
|
l≈cτπ≈ћ/(mπc2), |
|
что равно комптоновской длине волны π-мезона λc = λc/2π.
Частицы, испускание и поглощение которых происходит с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, называют виртуальными.
Если поблизости от нуклона нет других частиц, то все испущенные нуклоном виртуальные π-мезоны поглощаются этим же нуклоном. В этом случае говорят, что одиночный нуклон всегда окружен так называемой «мезонной шубой». Это облако виртуальных π-мезонов, которые безостановочно испускаются и поглощаются нуклоном, удаляясь от него в среднем на расстояние l не более, чем комптоновская длина волны (2.21).
Когда два нуклона сближаются и их мезонные шубы начинают соприкасаться, создаются условия для обмена виртуальными мезонами — возникает ядерное взаимодействие. В этом и состоит механизм взаимодействия нуклонов. Мы видим, что радиус действия ядерных сил имеет порядок комптоновской длины волны (2.21). Из опыта известно, что этот радиус порядка 10−13 см, что позволяет с помощью (2.21) оценить массу π-мезона: mπ ~ 270me.
Зависимость радиуса действия ядерных сил от массы виртуальных частиц – переносчиков взаимодействия – это фундаментальный квантовый закон. Именно этим законом определяется дальнодействие электромагнитных сил, поскольку кванты электромагнитного поля – виртуальные фотоны являются безмассовыми частицами, которые могут иметь сколь угодно малую энергию.
Если нуклону передать энергию не меньше, чем энергия покоя π-мезона, то один или несколько виртуальных мезонов могут быть превращены в обычные π-мезоны, существующие независимо от нуклона Это происходит, например, при столкновении нуклонов достаточно высоких энергий.