3. Природа ядерных сил

Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетель­ствует о том, что между нуклонами имеется очень ин­тенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на рас­стояниях ~ 10^-13 см друг от друга, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило на­звание сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим от­личительные особенности этих сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими — при расстояниях между нуклонами, превышающих при­мерно 2•10^-13 см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 1•10^-13 см, притяжение нукло­нов заменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нук­лонов. Ядерные силы, действующие между двумя про­тонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине. Это свойство называется, зарядовой независимостью ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтон, только в том случае, когда их спины параллельны друг другу.

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодей­ствует с ограниченным числом нуклонов). Это свойство вытекает из того факта, что энергия связи, приходя­щаяся на один нуклон, примерно одинакова для всех ядер, начиная с ₂Не⁴. Кроме того, на насыщение ядер­ных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов [см. формулу (1.6)].

По современным представлениям сильное взаимодей­ствие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обме­ниваются частицами, получившими название мезонов. Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рас­смотрим прежде, как выглядит кулоновское взаимодей­ствие с точки зрения квантовой электродинамики.

Взаимодействие между заряженными частицами осу­ществляется через электромагнитное поле. Мы знаем, что это поле может быть представлено как совокупность квантов энергии — фотонов. Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например элек­тронами, заключается в обмене фотонами. Каждая ча­стица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фо­тонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаруже­ны за время их существования. В этом смысле виртуаль­ные частицы Можно назвать воображаемыми. Чтобы лучше понять смысл термина «виртуальный», рассмот­рим покоящийся электрон. Процесс создания им в окру­жающем пространстве поля можно представить урав­нением:

е^-е^-+ћω (3.1)

Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превра­щение, описываемое уравнением (3.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажу­щимся. Согласно квантовой механике энергия состоя­ния, существующего время,оказывается определен­ной лишь с точностью , удовлетворяющей соотноше­нию неопределенностей:

(3.2)

Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения , длительность кото­рыхне должна превышать значения, определяемого условием (3.2). Таким образом, если испущенный элек­троном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени= ћ/ɛ (где ɛ =ћω), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено.

Если электрону сообщить дополнительную энергию (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном), то вместо виртуального фотона может быть испущен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.

За время виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными рас­стоянием

.

Энергия фотона ɛ =ћωможет быть сколь угодно мала (частота ω изменяется от 0 до ∞). Поэтому ра­диус действия электромагнитных сил является неогра­ниченным. Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу покоя m₀, то, как легко сообразить, радиус дей­ствия соответствующих сил был бы ограничен вели­чиной:

где — комптоновская длина волны данной частицы (положим, что частица — переносчик взаимодействия, движется со скоростью с).

В 1934 г. И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается по­средством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц — электрон обладает комптоновской длиной волны , приблизительно в 200 раз превышающей радиус действия ядерных сил (равный ~2•10^-13 см). Кроме того, величина сил, которые могли бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой. Та­ким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной.

В 1935 г. Японский физик X. Юкава высказал сме­лую гипотезу о том, что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200—300 раз боль­шей массы электрона, и что эти-то частицы и выпол­няют роль переносчиков ядерного взаимодействия, по­добно тому как фотоны являются переносчиками элек­тромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжелыми фотонами. Так как по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впо­следствии были названы мезонами (греческое μɛσος означает средний).

В 1936 г. Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой покоя, равной 207 m_е. Вначале полагали, что эти частицы, получившие название μ-мезонов, или мюонов, и есть перенос­чики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впоследствии выяснилось, что μ-мезоны очень слабо вза­имодействуют с нуклонами, так что не могут быть ответственными за ядерные взаимодействия. Только в 1947 г. Оккиалини и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезонов — так называемые π-мезоны, или пионы, которые оказались носите­лями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юкавой.

Существуют положительный (π⁺), отрицательный (π^- ) и нейтральный (π⁰) пионы. Заряд π⁺- и π^—мезонов равен элементарному заряду е. Масса заряженных пио­нов одинакова и равна 273 т_е (140Мэв), масса π⁰-ме- зона равна 264 т_е (135Мэв). Спин как заряженных, так и нейтрального π-мезона равен нулю (s= 0). Все три частицы нестабильны. Время жизни π⁺- и π^—мезонов составляет 2,55•10^-8 сек,π⁰-мезона — 2,1 • 10^-18 сек. Подавляющая часть (в среднем 99,97%) заряженных пионов распадается по схеме

π⁺ → μ⁺ + υ, π^- → μ^- + ῦ (3.3)

(μ⁺и μ^—положительный и отрицательный мюоны, υ— нейтрино, ῦ— антинейтрино). Остальные 0,03% распа­дов протекают по другим схемам (например, π → e+ υ, π → π⁰ + e+ υи т. П., причем в случае π⁺ образуется е+, т. Е. позитрон, а в случае π^- возникает е^-, т. Е. элек­трон).

В среднем 98,7% π⁰-мезонов распадаются на два γ-кванта:

π⁰ → γ + γ (3.4)

Остальные 1,3% распадов осуществляются с рождением пары электрон — позитрон и γ-кванта (π⁰→e⁺ + е^- + γ) или двух электронно-позитронных пар (π⁰→е⁺+ е^- +е⁺+ е^-).

Частицы, называемые μ-мезонами, или мюонами, по современной классификации не относятся к категории мезонов; вместе с электронами и нейтрино они обра­зуют группу лептонов (поэтому вместо термина «μ-мезон» лучше пользоваться термином «мюон»).Мюоны имеют положительный (μ⁺) или отрицательный (μ^-) заряд, равный элементарному заряду е (нейтрального мюона не существует). Масса мюона равна 207 m_е (106Мэв), спин — половине (s= ¹/₂). Мюоны, как и π-мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме:

μ⁺ →е⁺+ υ +ῦ, μ^-→е^-+ υ +ῦ. (3.5)

Время жизни обоих мюонов одинаково и равно 2,22•10^-6 сек.

Вернемся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате аналогичных (3.1) виртуальных процессов:

(3.6)

(3.7)

, (3.8)

нуклон оказывается окруженным облаком виртуаль­ных π-мезонов, которые образуют поле ядерных сил.

Рис. 3

Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, происхо­дящему по одной из следующих схем.

1) Протон испускает виртуальный π⁺-мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении (рис. 3, а). Каждый из взаимодействующих нуклонов часть вре­мени проводит в заряженном состоянии, а часть— в ней­тральном.

2)

Нейтрон и протон обмениваются π^--мезонами (рис. 3,б).

3)

Нуклоны обмениваются π⁰-мезонами (рис. 3, в).

Первый из этих трех процессов находит эксперимен­тальное подтверждение в рассеянии нейтронов на про­тонах. При прохождении пучка нейтронов через водород в этом пучке появляютсяпротоны, многие из которыхимеют ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Соответствующее число практи­чески покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени. Совершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов. Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, про­летая вблизи протонов, захватывает один из виртуаль­ных π⁺-мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превра­щается в нейтрон (рис. 4).

Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную мас­се π-мезона, то виртуальный π-мезон может стать реаль­ным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном γ-кванта. При очень больших энергиях соударяющихся частиц от нук­лона может «оторваться» несколько π-мезонов. В кос­мических лучах, где встречаются частицы с энергиями ~ 10⁴Гэв, наблюдаются случаи рождения до 20 реаль­ных π-мезонов при одном соударении.

Рис. 4

В соответствии с процессом (3.7) нейтрон часть вре­мени проводит в виртуальном состоянии (р + π^-). Орби­тальное движение π^—мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона (2.79 μ₀вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением π⁺-мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (п + π⁺).

Заключение

Большой адронный коллайдер - самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям (CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50-175 метров на границе Швейцарии и Франции. На нем физики хотят проверить некоторые положения специальной теории физики элементарных частиц. Был запущен осенью 2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года.

Большой адронный коллайдер – это, действительно, уникальная установка, призванная исследовать очень существенные и очень важные аспекты природы. Прежде всего, это машина, где сталкиваются протоны с энергией 7 ТэВ в каждом пучке. Создавалась она достаточно долго. Первые обсуждения были еще в конце 70-х годов. И вот, наконец, эта установка сделана, и на этом коллайдере созданы четыре экспериментальных установки для исследования этих взаимодействий. Предметом изучения является взаимодействие при сверхвысоких энергиях. И здесь очень важным является то, что, перейдя к энергии в 14 ТэВ, мы переходим очень важный порог. Каждый серьезный ускоритель или коллайдер строился с расчетом на некую физику, которую можно делать на этой машине. Этот коллайдер при энергии взаимодействия в 14 ТэВ позволяет изучать очень важные и абсолютно новые аспекты природы. Достаточно сказать, что вопрос, который задается в связи с этими исследованиями, это вопрос о том, откуда берется масса всяких объектов, нас с вами в том числе, из чего состоит Вселенная в целом. Мы знаем, что на сегодняшний день из известных нам частиц состоит всего 4% вселенной, а остальные 96% – это нечто неизвестное.

Спектр задач чрезвычайно широк и исследования будут продолжаться предположительно 20 лет. На Большом адронном коллайдере будут происходить столкновения элементарных частиц.

Дело в том, что в природе постоянно и повсеместно происходят столкновения частиц, ускоренных естественным образом до таких же или до еще более высоких энергий. Частицы, которые ускорены в природе естественным образом, называются космическими лучами. Поток таких космических лучей, их энергия, достоверно измерены на земле. И получается, что например, только в Солнечной системе природа-матушка уже произвела 1 миллиард полных 10-летних программ Большого адронного коллайдера. Такие столкновения происходят везде, не только в Солнечной системе, и на всех других звездах, на планетах, и вот всесторонний анализ этих данных позволяет… несмотря на бомбардировку, постоянную бомбардировку этими космическими лучами, Земля, Солнце, все другие планеты продолжают существовать.

Источники:

1. Джанколи Д. Д40 Физика: В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989 – 000 с., ил.

2. Матвеев А.Н. М33 Атомная физика: Учеб.пособие для студентов вузов. – М.: Высш. шк., 1989. – 439 с.: ил.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. V, Ч.2. Ядерная физика.

5. Ядерный магнетон. http://ru.wikipedia.org/wiki/%DF%E4%E5%F0%ED%FB%E9_%EC%E0%E3%ED%E5%F2%EE%ED

6. Магнетон Бора http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%BD_%D0%91%D0%BE%D1%80%D0%B0

7. http://pressria.ru/presscenter_online/20080908/151131652.html

1 В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на с². Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы (а. е. м.); а. е. м. = 1,66 • 1(И⁴ г = 931Мэв.

2Нейтрон открыт в 1932 г. английским физиком Д. Чедвиком.

3³Непосредственное наблюдение антиней­трино было осущест­влено в серии опытов Ф. Рейнеса и К. Коуэна (1953—1956). Наблю­далась реакцияῦ + р→n + е⁺, которая является обра­щением реакции (5) распада нейтрона.

4 Дейтерий обозначают также символом D, а тритий — симво­лом Т.

5Ядра снечетнымиZи Nназываются нечетно-нечетными, ядра, у которых одно из чисел, Z иN, четное, а другое нечетное, называются четно-нечетными.

6⁶Имеются в виду массы покоя.

7Для характеристики связи нуклонов в ядре пользуются также величинами, называемыми дефектом масс и упаковочным коэффициентом. Дефектом масс δ называется разность между численным значением массы атома, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом: δ = m_a–A.Упаковочным коэффициентом fназывают отношение дефекта масс к массовому числу: f = δ/А.

Для ₂Не⁴имеем: δ = 0,00260, f= 0,00065.

17