получили почти в точности скорость света! Чуть меньше, так как «радиус» нейтрона всё же чуть-чуть больше радиуса протона, да и масса чуть-чуть больше. Речь идёт именно о радиусе орбиты. Размер же нейтрона, согласно рис. 10.2, окажется в два раза больше, то

есть около 1.5368 10−18 [м] . Диаметр ещё вдвое больше и равен примерно 3.07 10−18 [м] . Таков ли реальный нейтрон, мы, конечно же, не знаем. Но давайте попробуем с таким непривычным нейтроном освоиться, поработать.

Сама возможность существования систем частица-античастица доказано опытами по синтезу позитрония, состоящего из позитрона и электрона. Время жизни свободного позитрония очень невелико, исчисляется микросекундами. Время жизни свободного нейтрона, как мы уже отмечали, тоже не бесконечно, около 860 секунд, что намного больше времени жизни позитрония. Это неудивительно, учитывая, что энергия связи в нейтроне на много порядков выше, чем энергия связи в атоме позитрония. Однако в составе ядер, как известно, нейтрон вполне себе стабилен и не склонен к распаду. Принято считать, что причина этого лежит в особых свойствах ядерных сил, якобы имеющих совершенно иную природу, нежели природа электромагнитных сил. Причём одних только сильных ядерных взаимодействий теоретикам не хватило, и пришлось приплести сюда ещё и слабые взаимодействия, иначе все построения разваливались. Что за загадочные силы – никому неведомо, ибо проявляются они только на микроуровне, природа их неясна, законы установлены лишь косвенно. В общем, объяснения ничем не лучше «торсионных полей». Ну что же! Построив элементарные частицы, а затем и нейтрон, мы уже вполне готовы рассмотреть простейшее ядро и слегка «пощупать» эти загадочные ядерные взаимодействия.

§ 10.5. Загадка ядерных сил

Рассмотрим теперь взаимодействие нашего модельного нейтрона с модельным же протоном соответствующего радиуса (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Ядро дейтерия и схема взаимодействия нуклонов

В силу высокой степени неоднородности поля вблизи протона наш "дипольный" нейтрон будет испытывать силу притяжения к любому заряду, в том числе и к протону. Поскольку один нейтрон и один протон образуют ядро дейтерия, параметры которого довольно хорошо изучены, то с него и начнём. Для начала определим дефект массы ядра дейтерия. Масса его mD =2.01355321270 а.е.м. Массы же протона и нейтрона:

mp =1.0072764, mn =1.00866491560. Значит, в СИ mp =1.6726485·10−27 кг. Таким образом, дефект массы mD =0.0023881029 а.е.м. = 0.0039656·10−27 =3.9656·10−30 кг.

195

W = m c2 = 2.22[Мэв]. Поскольку нуклонов два, то энергия на нуклон 1.11 Мэв, что соответствует справочным данным. Посмотрим, на каком расстоянии от протона должен находиться «наш» нейтрон, чтобы дефект массы принял нужное значение. Частицы расположены на расстоянии r друг от друга и каждая влияет на каждую. Поскольку дефект массы, как мы уже выясняли ранее, выражается той же формулой, что и масса, то можем сразу записать:

Глядя на рис.10.3, можно также сказать, что rD во столько раз будет больше rn во сколько

масса нейтрона больше дефекта масс ядра дейтерия, т.е. примерно в 422 раза. Вычисляя r по формуле для дефекта масс, получим:

(10.12) r = − μ0 q2 = 3.24 10−16 [м] .

По соотношению масс и размеров, основываясь на представлениях о само- и взаимоиндукции частиц, получим:

Видим прекрасное совпадение результатов. При этом размер ядра будет равен диаметру этой системы (рис. 10.3), то есть 0.647·10−15 м. Порядок величины тот же, что и для современных оценок размера простых ядер.

Разумеется, хочется посчитать тангенциальную скорость вращения системы протон-нейтрон вокруг центра масс. В данном случае, ввиду большого радиуса окружности вращения по сравнению с размерами частиц, не будем учитывать взаимоиндукцию частиц при круговом движении. Кулоновская же сила заменится на разность сил Кулона действующих между протоном и компонентами нейтрона:

отсюда можно выразить квадрат линейной скорости:

Откуда скорость составит 0.71·106 [м/с]. Вспомним здесь, что скорость вращения электрона по первой орбите атома водорода 2.18·106 [м/с], то есть втрое (а точнее, ровно в корень квадратный из трёх «пи» раз) выше. Таким образом, мы построили как простейшую модель нейтрона, так и простейшую модель ядра дейтерия и показали, что так называемые «ядерные силы» есть не что иное, как суперпозиция сил Кулона, это просто мультипольные электростатические силы. Всё определяется малостью расстояний: на таких расстояниях даже дипольное взаимодействие весьма велико. Поскольку наше

196

ядро получилось вполне «правдоподобным», то возможно, что и вышеописанный нами нейтрон вполне может быть, в самом деле, системой из двух тяжёлых заряженных античастиц, как мы и предположили в начале главы.

Литература

1.Т. И. Трофимова. Курс физики. 9-е издание. М. Академия. 2004.

2.G. A. Miller, "Charge Densities of the Neutron and Proton," Phys. Rev. Lett. 99, 112001 (2007).

3.«Энциклопедия «Кругосвет". Статья "Атомного ядра строение" http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMNOGO_YADRA_STROENI E.html

4.Ю. К. ЗЕМЦОВ, К. В. БЫЧКОВ. Курс лекций по атомной физике.

197