2.6 Ядерные силы

Нуклоны в атомных ядрах, несмотря на электростатическое отталкивание существующее между протонами, очень сильно связаны между собой. Об этом свидетельствует высокая стабильность ядер и тот факт, что для расщепления ядра требуется чрезвычайно высокая энергия. Следовательно, при взаимодействии между протонами и нейтронами проявляются особые силы притяжения, намного превосходящие по величине кулоновские. Эти силы называют ядерными силами. Эти силы непохожи ни на какие другие силы в природе (например, силы тяготения или силы электромагнитного поля). Известно, что при равных массах реагирующих веществ, энергия выделяющаяся в типичных ядерных реакциях в миллионы раз больше, чем в химических реакциях. Отсюда следует, что ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре должны быть очень большими по сравнению с силами, связывающими орбитальные электроны в атоме.

Природа ядерных сил составляет одну из важнейших, но до сих пор не решенных проблем современной физики. Тем не менее, уже сейчас можно говорить о некоторых особенностях ядерных сил.

1. Ядерные силы очень велики и действуют на очень коротких расстояниях (радиус их действия ограничен размерами ядер, 10^-15м);

2. Особенностью ядерных сил является их избирательность. Они действуют только между нуклонами;

3. Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами, находящимися в ядре, а только с несколькими соседними (свойство насыщения). Выражением этого свойства ядерных сил является приближенная формула, связывающая радиус ядра с массовым числом

R=r₀ МA^1/3,

Из данного выражения следует, что плотность нуклонов в ядре постоянна.

Несмотря на очень быстрое возрастание ядерных сил с уменьшением расстояния, нуклоны в ядре не уплотнены до геометрически возможных пределов – ядро проницаемо;

4. Согласно представлениям японского ученого Юкавы нуклоны удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обменов -мезонами.

n←→p⁺+ р^- и p⁺←→ n + р⁺ или n←→ n + р⁰ и p⁺←→ p⁺ + р⁰

Рис. Взаимные превращения нуклонов в ядре

Благодаря обмену мезонами протоны в ядре беспрепятственно превращаются в ядре в нейтроны, а нейтроны в протоны.

Таким образом, ядерные силы принадлежат к так называемым обменным квантово-механическим силам, которые могут действовать только в ядре.

2.7 Ядерные модели

Несмотря на то, что в настоящее время существуют различные модели структуры атомного ядра, стройнаая теоримя атомного ядра отсутствует. В то же время используя модели ядра, можно описать некоторые свойства атомного ядра, а в отдельных случаях также количественно описать их. Однако с помощью одной модели невозможно дать объяснения всем свойствам атомного ядра. Наиболее важными являются модель Ферми-газа, модель жидкой капли и оболочечная модель. Последняя в некоторой степени похожа на оболочечную модель атома Бора, поскольку она допускает, что содержащиеся в ядре протоны и нейтроны распределены по оболочкам.

2.7.1 Капельная модель

Первой моделью ядра была капельная модель, развитая в работах Н. Бора, Дж. Уиллера и Я. Френкеля. В этой модели атомное ядро рассматривается как сферическая капля заряженной жидкости. Основанием для такой аналогии послужило то, что плотность ядерного вещества у всех ядер вблизи линии стабильности приблизительно одинакова, что говорит о его несжимаемости. Кроме того, с жидкостью ядерное вещество сближает и свойство насыщения ядерных сил (энергия связи ядер приблизительно пропорциональна массовому числу). Здесь мы встречаемся с явлениями, напоминающими поверхностное натяжение в жидкостях. Внутри ядра плотность примерно постоянна, на границе его действует большая сила, препятствующая выходу из него нуклонов. Энергию связи нуклонов в атомных ядрах можно сравнить с теплотой испарения жидкостей. В рамках капельной модели удалось объяснить многие свойства атомного ядра и получить полуэмпирическую формулу для энергии связи атомных ядер (формула Вайцзеккера), которая позволила понять некоторые закономерности в - и - распадах, делении ядер и грубо оценивать массы и энергии связи новых ядер

Капельная модель подтверждается также делением ядер. Наиболее тяжелые ядра (если они возбуждены могут делиться на две части, освобождая при этом большое количество энергии. Однако ядра делятся не на две равные части и не все расщепляются одинаковым образом. С этой точки зрения атомное ядро ведет себя подобно капле жидкости, которая под внешним воздействием приходит в состояние деформационных колебаний и разваливается на две части. По-видимому и ядро в результате возбуждения удлиняется, что в середине его образуется сужение, которое затем разрывается, и ядро оказывается разделенным. Место образования и разрыва перетяжки, то есть размеры продуктов деления, определяются случайными причинами.