Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЯФ / Учебные пособия / Ким Д.Б., Левит Д.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц.pdf
Скачиваний:
298
Добавлен:
27.03.2016
Размер:
2.66 Mб
Скачать

Как известно, в четно-четных ядрах все нуклоны спарены и спины этих ядер равны нулю. Чтобы перевести четно-четные ядра в возбужденное состояние, надо разорвать связь пары нуклонов, т.е. требуется затрата большой энергии, что приводит к образованию энергетической щели, подобно как в сверхпроводниках. На основе этой аналогии Н.Н. Боголюбов в 1958 г. впервые указал на возможность существования сверхтекучести ядерного вещества. Теорию сверхтекучего состояния ядра построили в 1959 г. С.Т. Беляев и В.Г. Соловьев.

1.6. Ядерные силы

Выше приведены данные, которые показывают, что атомные ядра являются устойчивыми и обладают большой удельной энергией связи (до 8,7 Мэв/нук). Ввиду этого возникает вопрос, действием каких сил обусловлена прочная связь нуклонов внутри ядра.

Известно, что между нуклонами действует гравитационная сила притяжения Fгр , а между электрически заряженными протонами, кроме гравитационной силы, – кулоновская сила отталкивания Fкл, которая намного больше гравитационной (Fкл>> Fгр). Если кроме них нет других сил, то атомное ядро под действием кулоновской силы отталкивания должно распасться. Однако, как выше упомянуто, ядро – устойчивое образование. Следовательно, можно предположить, что внутри ядра, кроме вышеуказанных сил, между нуклонами действуют силы иной природы, которые названы ядерными и которые обусловлены сильным взаимодействием между нуклонами.

Ядерные силы обладают некоторыми особенностями:

1. Они являются короткодействующими силами. Радиус их действия имеет порядок r0 ~1015 м, то есть если радиус действия

сил (r ) больше 1015 м (r > r0 ), то ядерные силы притяжения быстро спадают, а если r << r0 , то притяжение нуклонов сменяется

отталкиванием.

2. Ядерные силы зарядово-независимы, т.е. они действуют между протонами (p p), между нейтронами (n n), а также

23

между протоном и нейтроном (p n) и имеют одинаковую вели-

чину.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода (D – дейтон), только в том случае,

если их спины параллельны друг другу (↑↑).

4.Ядерные силы не являются центральными, т.е. они не направлены вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

5.Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это значит, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении их количества сначала резко возрастает, а затем практически не изменяется.

Теория ядерных сил очень сложна и не имеет законченного вида, который объяснил бы и предсказал все многообразие их свойств.

Первыми данную теорию в виде гипотезы предложили Д.Д. Иваненко и И.Е. Тамм в 1934 г. Их гипотеза, основанная на теории

β-распада Ферми, состояла в том, что ядерное взаимодействие

осуществляется через поле, квантами которого являются элек- тронно-нейтринные пары, и нуклоны обмениваются этими парами между собой. Теория не имела успеха.

В 1935 г. японский физик Юкава, используя известные в то время характеристики ядерных сил и соотношение неопределенностей энергия-время W t , предсказал, что ядерные силы обусловлены тем, что нуклоны обмениваются между собой виртуальными гипотетическими частицами, массы которых составляют порядка 200 300 me ( me масса электрона). Эти гипотетические

частицы назвали мезонами (средние). В квантовой механике виртуальными считаются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. Позже из свойств ядерных сил вывели, что должно существовать три сорта мезонов – положительные, отрицательные и нейтральные, и наблюдаться они должны не только в виртуальном, но и в свободном состоянии. Начались поиски этих частиц.

24

В1937 г. К. Андерсон и С. Недермайер обнаружили в космических лучах частицу с массой примерно 200 me , которую назвали

µ-мезоном (мюоном). Мюон не имел отношения к ядерным силам.

В1947 г. С. Пауэлл и Д. Оккиалини в космических лучах обнаружили новые мезоны, массы которых составляли примерно

270 me . Они были названы π -мезонами (пионами). Пионы суще-

ствуют в виде π+ ,π,π0 . Они являются переносчиками ядерных сил. То есть два нуклона, находясь на малом расстоянии друг от

друга r mc, обмениваются виртуальными пионами. При этом возможны четыре типа обмена:

p p + π0 , n n + π0 , p n + π+ , n p + π.

Масса заряженных пимезонов π± – 273 me (140МэВ), время жизни – 2,6 108 с. Масса пимезона π0 – 246 me , время жизни –

8 1017 с .

Основная идея Юкава о существовании виртуальных частиц состоит в следующем. Из-за соотношения неопределенностей за

время обмена t ~ W виртуальными частицами между нукло-

нами может быть нарушен закон сохранения энергии в пределах W . Допустим, промежуточная виртуальная частица, осуществляющая ядерное взаимодействие, обладает массой m . Тогда при испускании и поглощении энергии происходит «нарушение» зако-

на ее сохранения на величину W = mc2 . Пусть частица движется между нуклонами со скоростью света, а расстояние между нуклонами составляет Rs ( Rs – радиус действия ядерных сил ~ 10-15 м).

Тогда время прохождения частицы t Rs c . Подставляя это значение в соотношение неопределенностей, получим:

mc2

R s

= ,

m

 

1,1 1034

3,4 1028 кг .

 

R c

1015 3 108

 

c

 

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

Масса электрона me = 9,1 1031 кг . Отсюда

25