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 ~10−15 м, то есть если радиус действия

сил (r ) больше 10−15 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 10−8 с. Масса пимезона π0 – 246 me , время жизни –

8 10−17 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:

Масса электрона me = 9,1 10−31 кг . Отсюда

25