Состав ядра. Нуклоны. Ядерные силы.

Ядерные силы

Хотя в чрезвычайно малом объёме ядра сконцентрированы одноимённые заряды (протоны), между которыми действуют кулоновские силы отталкивания, ядра атомов являются чрезвычайно устойчивыми образованиями. Силы, удерживающие нуклоны в ядре ни электрического, ни гравитационного происхождения. Эти силы получили название ядерных. Взаимодействие между нуклонами в ядре являет пример сильных взаимодействий.

Ядерные силы обладают рядом свойств, некоторые из которых следующие:

1. Ядерные силы являются силами притяжения.
2. Ядерные силы – короткодействующие, радиус действия ядерных сил ≃ 10^-15м, т.е. порядка размера ядра.
3. Ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости. Это означает, что ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном, протоном и протоном одинаковы. На справедливость этого свойства указывает величина энергии связи зеркальных ядер.

Ядра иявляются зеркальными, т.к.Z_H=N_He, аN_H=Z_He. Энергия связи их ядер 8,49 МэВ и 7,72 МэВ. Энергия связи у ядра гелия ниже, т.к. взаимное отталкивание протонов в нем уменьшает энергию связи

4. Ядерные силы не являются центральными, как, например, кулоновские и гравитационные. Нецентральность ядерных сил зависит от ориентации спинов нуклонов – параллельными или антипараллельными они являются. Эксперименты по рассеянию нейтронов на молекулах орто- и параводорода подтверждают это. В молекулах ортоводорода спины обоих протонов в ядре параллельны, а в молекулах пара Н₂– антипараллельны и поток нейтронов на них рассеивается по разному.
5. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов остается примерно постоянной. Примером полного насыщения является α-частица.

Взаимопревращение нуклонов

Не существует строгой теории ядерных сил. Одной из простейших теорий ядерных сил является так называемая обменная трактовка ядерных сил. Согласно гипотезе Х. Юкавы (1935 г.) в ядрах протоны и нейтроны с колоссальной быстротой как бы обмениваются частицами с массой в 200 – 300 раз большей, чем у электрона. Позднее эти частицы обнаружили и назвали мезонами. Строение нуклона в настоящее время представляется следующим. В центре нуклона находится ядро-керн, радиусом примерно 0,3·10^-15м. “Керн” окружен “облаками”, состоящими из мезонов. Носителями ядерных сил являются π-мезоны или пионы: π⁺, π^- и π⁰ – мезоны. Время жизни π⁺и π^- - мезонов около 2,6·10^-8с, а π⁰– мезона примерно 0,8·10^-16с. В результате виртуальных процессов (они не могут быть обнаружены за время их протекания) происходят следующие превращения:

p⇄ n+ π⁺

n⇄ p+ π^-

p⇄p+ π⁰

n⇄n+ π⁰

Таким образом, нуклон окружен облаком виртуальных π-мезонов. Поглощение этих мезонов другими нуклонами в ядре, т.е. обмен π-мезонами объясняет сильное взаимодействие между нуклонами. Время обмена нуклонов π-мезонами можно оценить, исходя из соотношения неопределенностей для энергии и времени

ΔЕ·Δt≥ ħ,

где ΔЕ = c²– энергия покоя π-мезона, Δt– время обмена, которое не может превышать время жизни мезонов:

.

Если предположить, что за время Δtпион проходит расстояние не более размера ядра1,5 10^-15м, со скоростью с = 3 10⁸ м/c, то массу пиона можно оценить из следующих выражений

Δt·с =R; Δt·с ≥.

Приравнивая , получи приблизительно значение массы пиона

= 250m_e,

т.е. масса пиона в 250 раз больше массы покоя электрона. Если считать известной массу покоя пиона, то можно оценить радиус обмена пионами. Он окажется порядка размера ядра.