3.4. Ядерные силы.

Классическая и квантовая электродинамика не может объяснить, почему протоны внутри ядра столь прочно связаны, требуется ввести фундаментальные силы нового типа. Для преодоления электростатического отталкивания протонов эти силы должны быть больше электростатических. Они называются ядерными силами или сильным взаимодействием. Отличительные особенности этих сил:

1. Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия имеет порядок 10^-13см. На расстояниях, существенно меньших 10^-13см, притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

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

3. Ядерные силы, зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода дейтрон (или дейтон) только в том случае, если их спины параллельны друг другу.

4. Ядерные силы не являются центральными. Не центральность ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов.

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растет, а остается примерно постоянной. Потенциальную энергию взаимодействия двух нуклонов можно грубо описать кривой показанной на рис.3.5.

Специфической особенностью ядерных сил является то, что потенциальная кривая для этих сил справедлива, если спины нуклонов параллельны, если спины

антипараллельны, то ядерные силы оказываются примерно в два раза слабее.

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, частицами, получившими название мезонов. 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 на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов. Фотоны по средствам, которых осуществляется взаимодействие, являются виртуальными. В качестве примера рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить в виде уравнения

_{Этот же процесс можно представить с помощью диаграммы Феймана:}

С помощью таких диаграмм можно изображать различные процессы. Например, эффект Комптона выглядит на диаграмме следующим образом

Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, нарушается закон сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике

Из этого вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонение Е, длительность которых t не должна превышать значения, определенного этим соотношением. Следовательно, если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени то нарушения закона сохранения не может быть обнаружено.

За это время виртуальный фотон может передать энергию, только на расстоянии

_{Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели бы отличную от нуля массу, то их радиус действия был бы ограничен величиной}

_{где с – комптоновская длина волны данной частицы. Но электрон обладает с=3,86 10-11см, т.е. на два порядка превышающую радиус действия ядерных сил. Поэтому попытка объяснить взаимодействие нуклонов с помощью обмена виртуальными электронами не удалась.}

_{В 1935 г. Хидэки Юкава высказал гипотезу о том, что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой в 200-300 раз большей массы электрона, и что эти частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти частицы тяжелыми фотонами, т.к. по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами. Впоследствии эти частицы были названы мезонами.}

В 1936 г. В космических лучах были обнаружены частицы с массой 207m_e. Эти частицы получили название -мезонов или мюонов. Однако выяснилось, что они слабо взаимодействую с нуклонами. В1947 г. были открыты -мезоны или пионы, которые оказались носителями ядерных сил. Существуют положительный (⁺), отрицательный (^-) и нейтральный (⁰) мезоны. Заряд ⁺ и ^- мезонов равен заряду электрона e. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273m_e (140 МэВ), масса нейтрального пиона 264m_e (135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтрального пионов равен 0 (s= 0). Все три частицы нестабильны. Время жизни ⁺ и ^- мезонов составляет 2,60 10^-8с, ⁰ мезона – 0,8 10^-16с.

Подавляющая часть заряженных пионов распадается по схеме

⁺ и  ^- -положительный и отрицательный мюоны, и -нейтрино и антинейтрино. В среднем 2,5 распада из миллиона протекает по другим схемам, например

_{98,8% 0-мезонов распадется на два -кванта}

_{Частицы, называемые  - мезонами или мюонами принадлежат к классу лептонов. Мюоны имеют положительный и отрицательный заряд равный заряду электрона, нейтрального мюона не бывает. Масса мюонов равна 207me (106 МэВ), спин равен s= ½. Мюоны также нестабильны и распадаются по схеме}

W^- - промежуточный бозон.

Время жизни обоих мюонов одинаково и равно 2,2 10^-6с.

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов

нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных -мезонов, образующих поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, которое осуществляется по одной из следующих схем:

1)

Протон испускает виртуальный ⁺-мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглащается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть – в нейтральном.

2)

В этом случае нейтрон и протон обмениваются ^- мезононами.

3)

первый из трех описанных выше процессов находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах.

Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе -мезон может стать реальным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном -кванта. При очень больших энергиях соударяющихся частиц может возникнуть несколько реальных -мезонов.

Теперь есть возможность объяснить существование магнитного момента у нейтрона и аномального магнитного момента протона. В соответствии с процессом

нейтрон проводит часть времени в виртуальном состоянии Орбитальное движение  ^--мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аналогичная ситуация и у протона.

Лекция 12.