Ядерное (сильное) взаимодействие

Сильные взаимодействия отвечают за устойчивость ядер атомов и распространяются только в пределах размеров ядра. Ядра атомов заряжены положительно. Между протонами p действует кулоновская сила отталкивания. Ядра атомов устойчивы, значит, в ядре должны действовать исключительно мощные силы притяжения, способные преодолеть кулоновскую силу отталкивания, стремящуюся развести протоны в ядре подальше друг от друга. Вот это сильное взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов (общее название протонов и нейтронов), а нуклонов – внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица глюон. Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство – оно обладает конфайнментом (от англ. confinement – ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что частицы всегда удерживаются в бесцветных комбинациях. Один кварк не может существовать сам по себе, потому что тогда он должен иметь цвет. Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон. Зависимость нуклонной силы от расстояния между нуклонами можно показать рис. 3.

Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи E_св.

Энергия связи – работа, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю.

Рис.3. Нуклон-нуклонное взаимодействие

Нуклон-нуклонное взаимодействие обусловливает сильное притяжение, но только на очень малых расстояниях: от 10^-16 до 10^-15 м. На расстоянии больше 10^-15 м взаимодействия практически нет.

С увеличением размера ядра энергия связи уменьшается. Ядра элементов, находящихся в таблице Менделеева после № 109, неустойчивы, и молекулы могут распадаться самопроизвольно.

По формам проявления ядерные силы поистине неисчерпаемы, т.к. выражают всевозможные процессы изменения состояний и превращения адронов (p, n) при высоких энергиях взаимодействия в течение интервалов времени T=10^-21 – 10^-23с. Теория этих процессов интенсивно разрабатывается за последние годы в рамках кварковой теории, которая выдвигает все более сложные кварковые модели адронов. В теории образования Метагалактики в результате большого взрыва допускается, что на первых стадиях её расширения, возможно, существовали в больших количествах первичные кварки и актикварки, которые большей частью аннигилировали с переходом в элементарные частицы. Но небольшое количество кварков, примерно одна миллионая часть от первоначального числа, сохранилось во Вселенной, и может быть, даже из них возникли кварковые звезды.

Слабое взаимодействие

Кроме сильных, в ядре действует еще и слабые силы, через которые легкие частицы (нейтрино и антинейтрино) взаимодействуют с нуклонами. Слабое взаимодействие короткодействующее и характеризует все виды  -распада.  -распад – самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электронов. В основе этого явления лежит способность протонов p и нейтронов n к взаимным превращениям:

n   p + e ^– +  ,

где   – антинейтрино.

₇₉К⁴⁰  20Ca⁴⁰ +  +  .

Подобно тому, как между p и n существует сильное взаимодействие, между электроном е ^– и антинейтрино существует слабое взаимодействие. Это взаимодействие и ответственно за процесс β-распада ядер.

Слабое взаимодействие менее универсально, чем гравитационное или электромагнитное. Оно присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно фотонам. Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны.

В 1967 – 1968 гг. С. Вайнберг и А. Салам создали единую теорию электромагнитного и слабого взаимодействия, она явилась крупным шагом в познании материального единства микропроцессов.

Слабые взаимодействия ответственны за многие микропроцессы, являются необходимой стороной термоядерных реакций в звездах. Возникающие при этом нейтрино уносят значительную часть энергии излучения звезд (до  7 %). Нейтрино обладают огромной проникающей способностью, они слабо поглощаются веществом, постоянно накапливаются в космосе и через создаваемые ими поля тяготения оказывают весьма существенное влияние на пространственно-временные отношения в гигантских масштабах. Но предстоит еще выяснить, как излученные нейтрино вновь возвращаются в циклические процессы развития материи во Вселенной. С появлением больших ускорителей сегодня широкое развитие получили работы по изучению нейтрино и слабых взаимодействий, т.к. мы пока еще очень плохо понимаем природу слабых взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия лежат в основе всех других известных естественных форм движения материи, в том числе возникающих на высших ступенях развития.

При разложении любых сложных форм движения на структурные составляющие обнаруживаются сложные модификации указанных фундаментальных взаимодействий. Например,

¨ в микромире движение существует в виде процессов в вакуумных состояниях полей и представляет собой модификации фундаментальных взаимодействий;

¨ в макромире фундаментальные взаимодействия лежат в основе физических форм движения: теплоты, звука, ядерной реакции, расширения метагалактики, все химические процессы основаны на электромагнитных взаимодействиях в атомах и молекулах и т.д.;

¨ в мегамире все фундаментальные формы взаимодействия взаимопревращаются с выделением огромного количества теплоты. Образованию «черных дыр» предшествует гравитационный коллапс больших масс вещества, при которых под действием сил тяготения вещество неудержимо сжимается.

О формах движения материи в грандиозных масштабах Вселенной мы сейчас можем лишь догадываться на основе сопоставления и отбора наиболее обоснованных космологических моделей, отражающих уровень знаний о мире.