Взаимопревращение нуклонов

Не существует строгой теории ядерных сил. Одной из простейших теорий ядерных сил является так называемая обменная трактовка ядерных сил. Согласно гипотезе Х. Юкавы (1935 г.) в ядрах протоны и нейтроны с колоссальной быстротой как бы обмениваются частицами с массой в 200 – 300 раз большей, чем у электрона. Позднее эти частицы обнаружили и назвали мезонами. Строение нуклона в настоящее время представляется следующим. В центре нуклона находится ядро-керн, радиусом примерно 0,3·10^-15 м. “Керн” окружен “облаками”, состоящими из мезонов. Носителями ядерных сил являются π-мезоны или пионы: π⁺ , π^- и π⁰ – мезоны. Время жизни π⁺ и π^- - мезонов около 2,6·10^-8 с, а π⁰ – мезона примерно 0,8·10^-16 с. В результате виртуальных процессов (они не могут быть обнаружены за время их протекания) происходят следующие превращения:

p ⇄ n + π⁺

n ⇄ p + π^-

p ⇄ p + π⁰

n ⇄ n + π⁰

Таким образом, нуклон окружен облаком виртуальных π-мезонов. Поглощение этих мезонов другими нуклонами в ядре, т.е. обмен π-мезонами объясняет сильное взаимодействие между нуклонами. Время обмена нуклонов π-мезонами можно оценить, исходя из соотношения неопределенностей для энергии и времени

ΔЕ·Δt ≥ ħ,

где ΔЕ = c² – энергия покоя π-мезона, Δt – время обмена, которое не может превышать время жизни мезонов:

.

Если предположить, что за время Δt пион проходит расстояние не более размера ядра 1,5 10^-15 м, со скоростью с = 3 10⁸ м/c, то массу пиона можно оценить из следующих выражений

Δt·с = R; Δt·с ≥ .

Приравнивая , получи приблизительно значение массы пиона

= 250m_e,

т.е. масса пиона в 250 раз больше массы покоя электрона. Если считать известной массу покоя пиона, то можно оценить радиус обмена пионами. Он окажется порядка размера ядра.

Капельная модель ядра

Для объяснения свойств (или совокупности свойств) ядер и ядерных процессов используются различные модельные представления, основанные на внешней аналогии свойств атомного ядра со свойствами соответствующей модели.

Существуют “капельная”, “оболочечная”, “обобщенная” или “коллективная”, “оптическая” модели ядра. Капельная модель позволила объяснить многие явления, например, процесс деления тяжелых ядер (изменение формы ядра при сохранении объема может привести к делению капли-ядра на части).

“Оболочечная” модель предложена для описания движения частиц в ядре, уровней их энергии, заполнения “оболочек”, подобно электронам в атоме. “Обобщенная” модель является более общей, чем 2 предыдущих.

Оптическая модель предложена для описания взаимодействия ядер с налетающими на них частицами. Мы рассмотрим только капельную модель ядра.

Модель ядра – жидкая капля, предложенная Я.И.Френкелем в 1939 г. и развитая Бором, основана на аналогии свойств атомного ядра и положительно заряженной капли жидкости.

Основные положения капельной модели ядра:

1. Ядерные силы между нуклонами и силы взаимодействия между молекулами жидкости имеют малый радиус действия, т.е. являются короткодействующими.

2. Ядерные силы и силы взаимодействия молекул капли жидкости обладают свойством насыщения. Каждый нуклон и молекула взаимодействуют лишь с ближайшими “соседями”.

3. Плотность ядерного вещества как и жидкости приблизительно постоянна.

4. Ядерные частицы, как и молекулы жидкости, обладают определенной подвижностью.

5. Энергия взаимодействия между молекулами жидкости аналогична энергии притяжения нуклонов. С увеличением числа протонов в ядре удельная энергия связи уменьшается за счет действия кулоновских сил, что соответствует снижению устойчивости капли при увеличении ее массы.

6. Нуклоны, находящиеся на “поверхности” ядра, испытывают действие сил, аналогичных силам поверхностного натяжения.

7. При возбуждении ядра энергия распределяется между нуклонами статистическим образом, подобно энергии между молекулами при нагревании жидкости.