Какие силы называют ядерными. Ядерные силы. Что объединяет ядра

Атомное ядро, состоящее из определенного числа протонов и нейтронов, является единым целым благодаря специфическим силам, которые действуют между нуклонами ядра и называются ядерными. Экспериментально доказано, что ядерные силы имеют очень большие значения, намного превышающие силы электростатического отталкивания между протонами. Это проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре намного больше работы сил кулоновского отталкивания. Рассмотрим основные особенности ядерных сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами притяжения . Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10 –15 м. Расстояние порядка (1,5 – 2,2)·10 –15 м называется радиусом действия ядерных сил, с его увеличением ядерные силы быстро уменьшаются. На расстоянии порядка (2-3) м ядерное взаимодействие между нуклонами практически отсутствует.

2. Ядерные силы обладают свойством насыщения , т.е. каждый нуклон взаимодействует только с определенным числом ближайших соседей. Такой характер ядерных сил проявляется в приближенном постоянстве удельной энергии связи нуклонов при зарядовом числе А >40. Действительно, если бы насыщения не было, то удельная энергия связи возрастала бы с увеличением числа нуклонов в ядре.

3. Особенностью ядерных сил является также их зарядовая независимость , т.е. они не зависят от заряда нуклонов, поэтому ядерные взаимодействия между протонами и нейтронами одинаковы. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи зеркальных ядер . Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов другом. Например, энергии связи ядер гелия и тяжелого водорода – трития составляют соответственно 7,72 МэВ и 8,49 МэВ . Разность энергий связи этих ядер, равная 0,77 МэВ, соответствует энергии кулоновского отталкивания двух протонов в ядре . Полагая эту величину равной , можно найти, что среднее расстояние r между протонами в ядре равно 1,9·10 –15 м, что согласуется с величиной радиуса действия ядерных сил.

4. Ядерные силы не являются центральными и зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Это подтверждается различным характером рассеяниянейтронов молекулами орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода спины обоих протонов параллельны друг другу, а в молекуле параводорода они антипараллельны. Опыты показали, что рассеяние нейтронов на параводороде в 30 раз превышает рассеяние на ортоводороде.

Сложный характер ядерных сил не позволяет разработать единую последовательную теорию ядерного взаимодействия, хотя было предложено много различных подходов. Согласно гипотезе японского физика Х. Юкавы, которую он предложил в 1935 г., ядерные силы обусловлены обменом - мезонами, т.е. элементарными частицами, масса которых приблизительно в 7 раз меньше массы нуклонов . По этой модели нуклон за время m - масса мезона) испускает мезон, который, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, проходит расстояние , после чего поглощается вторым нуклоном. В свою очередь второй нуклон также испускает мезон, который поглощается первым. В модели Х. Юкавы, таким образом, расстояние, на котором взаимодействуют нуклоны, определяется длиной пробега мезонов, что соответствует расстоянию около м и по порядку величины совпадает с радиусом действия ядерных сил.

Обратимся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. Существуют положительный , отрицательный и нейтральный мезоны. Модуль заряда - или - мезонов численно равен элементарному заряду e . Масса заряженных - мезонов одинакова и равна (140 МэВ ), масса - мезона равна 264 (135 МэВ ). Спин как заряженных, так и нейтральных - мезонов равен 0. Все три частицы нестабильны. Время жизни - и - мезонов составляет 2,6 с , - мезона – 0,8·10 -16 с . Взаимодействие между нуклонами осуществляется по одной из следующих схеме:

(22.7)
1. Нуклоны обмениваются мезонами:

В этом случае протон испускает - мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон, затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Таким образом, каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть в нейтральном.

2. Нуклоны обмениваются - мезонами:

3. Нуклоны обмениваются - мезонами:

. (22.10)

Все эти процессы доказаны экспериментально. В частности, первый процесс подтверждается при прохождении пучка нейтронов через водород. В пучке появляются движущиеся протоны, а соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени.

Модели ядра. Отсутствие математического закона для ядерных сил не позволяет создать и единой теории ядра. Попытки создания такой теории наталкиваются на серьезные трудности. Вот некоторые из них:

1. Недостаточность знаний о силах, действующих между нуклонами.

2. Чрезвычайную громоздкость квантовой задачи многих тел (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел).

Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать с помощью сравнительно простых математических средств определенную совокупность свойств ядра. Ни одна из подобных моделей не может дать абсолютно точное описание ядра. Поэтому приходится пользоваться несколькими моделями.

Под моделью ядра в ядерной физике понимают совокупность физических и математических предположений с помощью которых можно рассчитать характеристики ядерной системы, состоящей из А нуклонов. Было предложено и разработано много моделей разной степени сложности. Мы рассмотрим лишь наиболее известные из них.

Гидродинамическая (капельная) модель ядра была разработана в 1939г. Н. Бором и советским ученым Я. Френкелем. В ее основу положено предположение о том, что благодаря большой плотности нуклонов в ядре и чрезвычайно сильному взаимодействию между ними независимое движение отдельных нуклонов является невозможным и ядро представляет собой каплю заряженной жидкости плотностью . Как и в случае обычной капли жидкости, поверхность ядра может колебаться. Если амплитуда колебаний становится достаточно большой, происходит процесс деления ядра. Капельная модель дала возможность получить формулу для энергии связи нуклонов в ядре, пояснила механизм некоторых ядерных реакций. Однако эта модель не позволяет объяснить большинство спектров возбуждения атомных ядер и особую устойчивость некоторых из них. Это обусловлено тем, что гидродинамическая модель весьма приближенно отражает суть внутреннего строения ядра.

Оболочечная модель ядра разработана в 1940-1950 гг американским физиком М. Гепперт – Майер и немецким физиком Х. Иенсеном. В ней предполагается, что каждый нуклон движется независимо от других в некотором среднем потенциальном поле (потенциальной яме , создаваемом остальными нуклонами ядра. В рамках оболочечной модели функция не вычисляется, а подбирается так, чтобы можно было добиться наилучшего согласия с опытными данными.

Глубина потенциальной ямы составляет обычно ~ (40-50) МэВ и не зависит от количества нуклонов в ядре. В соответствии с квантовой теорией нуклоны в поле находятся на определенных дискретных уровнях энергии. Основное предположение создателей оболочечной модели о независимом движении нуклонов в среднем потенциальном поле находится в противоречии с основными положениями разработчиков гидродинамической модели. Поэтому характеристики ядра, которые хорошо описываются гидродинамической моделью (например, значение энергии связи), не находят объяснения в рамках оболочечной модели, и наоборот.

Обобщённая модель ядра , разработанная в 1950-1953гг, объединяет основные положения создателей гидродинамической и оболочечной моделей. В обобщенной модели предполагается, что ядро состоит из внутренней устойчивой части – остова, который образован нуклонами заполненных оболочек, и внешних нуклонов, движущихся в поле, создаваемом нуклонами остова. В связи с этим движение остова описывается гидродинамической моделью, а движение внешних нуклонов - оболочечной. За счет взаимодействия с внешними нуклонами остов может деформироваться, а ядро – вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси деформации. Обобщенная модель позволила объяснить основные особенности вращательных и колебательных спектров атомных ядер, а также высокие значения квадрупольного электрического момента у некоторых из них.

Мы рассмотрели основные феноменологические, т.е. описательные, модели ядра. Однако для полного понимания характера ядерных взаимодействий, определяющих свойства и структуру ядра, необходимо создать такую теорию, в которой ядро рассматривалось бы как система взаимодействующих нуклонов.

Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие, которое удерживает нуклоны на расстоянии ~ 10" 15 м друг от друга, несмотря на сильное кулоновское отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Наши сведения об этих силах недостаточно подробны. Перечислим то, что известно.

• 1. Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень тесном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).
• 2. Область действия ядерных сил ничтожно мала. Радиус их действия порядка (1н-2) 10" 15 м. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется. Силы, интенсивность которых быстро ослабевает с расстоянием (например, по закону е~ аг / г, где е = 2,71...), называются короткодействующими. Ядерные силы в отличие от гравитационных и электромагнитных сил относятся к короткодействующим силам. Короткодействующий характер ядерных сил следует из малых размеров ядер (
• 3. Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивны. Оценки показывают, что ядерные силы в 100-1000 раз сильнее электромагнитных. Именно поэтому ядерное взаимодействие называют сильным.
• 4. В соответствии с интенсивностью ядерное взаимодействие протекает за время в 100-1000 раз меньшее времени электромагнитного взаимодействия. Характерным временем для ядерного взаимодействия является так называемое ядерное время т я ~ Ю _23 С.

• 5. Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывает, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра, а только с несколькими соседними.
• 6. Ядерные силы зависят от ориентации спина. Так, только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образовывать ядро - дейтрон, при антипа- раллельных спинах интенсивность ядерного взаимодействия недостаточна для образования ядра.
• 7. Ядерные силы имеют нецентральный характер, т.е. интенсивность взаимодействия зависит от взаимного расположения нуклонов относительно направления их спина.
• 8. Важнейшим свойством ядерных сил является зарядовая независимость, т.е. тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: р-р (между двумя протонами), п-р (между нейтроном и протоном) и п-п (между двумя нейтронами). При этом предполагается, что все три случая рассматриваются в эквивалентных условиях (например, по ориентации спина) и что кулоновское отталкивание в первом случае не учитывается.

Эти сведения о свойствах ядерных сил были получены в основном в результате изучения взаимодействия двух нуклонов, в частности рассеяния нейтрона на протоне и протона на протоне при низких и высоких энергиях. Расскажем здесь идею только одного эксперимента такого рода - рассеяние нейтронов высокой энергии (100-200 МэВ) на протонах.

Из классической механики известно, что при центральном соударении двух упругих шаров в бильярде летевший шар останавливается, а стоявший летит вперёд. При нецентральном ударе шары разлетаются в разные стороны и при том так, что угол между направлениями их разлёта составляет 90°. Область возможных отклонений от первоначального направления для обоих шаров заключена в пределах 0 - 90°.

Нейтрон и протон имеют приблизительно одинаковые массы, поэтому их соударение при низких энергиях происходит примерно так же, как и у бильярдных шаров. При высоких энергиях из-за необходимости использования релятивистской механики расчёты осложняются, и результаты получаются не такими простыми, как при низких энергиях. Тем не менее до измерений было ясно, что вперёд должно лететь значительно больше нейтронов, чем протонов.

Это связано с тем, что даже очень интенсивные ядер- ные силы не могут отклонить быстрый нейтрон на большой угол от первоначального направления. Между тем опыт показал, что в направлении первичного пучка летят как нейтроны, так и протоны, и примерно в одинаковых количествах. Объяснить этот результат можно было, только предположив, что в процессе ядерного взаимодействия нейтрон и протон как бы обмениваются электрическими зарядами, после чего нейтрон летит в качестве протона, а протон - в качестве нейтрона. Описанное явление называют рассеянием нуклонов с перезарядкой, а ядерные силы, ответственные за перезарядку, называют обменными. Если такой обмен происходит для каждой пары взаимодействующих нуклонов, то вперёд должны лететь преимущественно протоны, если же обмен происходит только в половине случаев, то вперёд будут лететь как протоны, так и нейтроны (и при том примерно в одинаковых количествах).

Возникает вопрос: в чём заключается механизм обмена зарядом? Впервые идея этого механизма была сформулирована Таммом, который предположил, что в процессе ядерного взаимодействия нуклоны испускают и поглощают заряженные частицы. По предположению Тамма, нейтрон в процессе ядерного взаимодействия с протоном испускает электрон, превращаясь в протон, а протон, поглотивший электрон, становится нейтроном. Однако сам же Тамм показал, что электроны слишком легки для того, чтобы с их помощью можно было одновременно объяснить два основных свойства ядерных сил: короткодей- ствие и большую интенсивность.

Следующий шаг был сделан Юкавой, который показал, какова должна быть масса у подходящей частицы, т.е. фактически предсказал существование в природе заряженных частиц тяжелее электрона. Эти предполагаемые частицы были названы мезонами (от греческого слова «мезос» - средний), что подчёркивает промежуточное значение их массы по сравнению с массами электронов и протонов.

Рассуждения Юкавы можно пояснить с помощью соотношения неопределённостей:

Из (1.8) следует: на короткое время At энергия системы может измениться на величину

Если время At очень мало, то АЕ может быть достаточно большим. Выберем это время таким, чтобы частица, движущаяся со скоростью порядка скорости света с, успевала пролетать расстояние, равное радиусу действия ядерных сил г = (1 -н 2) 10" 15 м:

Подставив это время в (1.9), получим:

Так как энергии Д? = 150МэВ соответствует масса

АЕ , ЛЛ

т = - » 300 т е, полученный результат можно интерпретировать как возникновение на короткое время 0,5 10 -23 с частицы массой 300 т е, которая за время своего существования успевает пролететь расстояние между двумя взаимодействующими нуклонами (1 2)10“ |5 м.

Итак, согласно этой идее (соответствующей современным представлениям), ядерное взаимодействие двух нуклонов, находящихся на расстоянии, равном радиусу действия ядерных сил, заключается в том, что один нуклон испускает частицу массой т ~ 300 т е, а другой поглощает её через ядерное время 10 _23 с. Частицы, которые существуют в районе действия ядерных сил в течение ядерного времени, называют виртуальными. Виртуальные частицы нельзя представлять себе существующими вне области ядерного взаимодействия, отдельно от нуклонов. Для того, чтобы виртуальная частица могла превратиться в реальную, т.е. такую, которая способна отделиться от своих «родителей» нуклонов и вести самостоятельный образ жизни за пределами области ядерного взаимодействия, нуклоны должны обладать достаточным запасом кинетической энергии, часть которой при их столкновении могла бы преобразоваться в массу покоя мезона.

Описанные мезоны получили название я-мезонов. Они были открыты в 1947 г.

Существуют положительный (/г +), отрицательный (я") и нейтральный (я 0) мезоны. Заряд п + и п~ мезонов равен элементарному заряду е = 1,6 10“ 19 Кл. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273 т е (140 МэВ), масса л°-мезона равна 264 т е [ 135 МэВ). Спин как заряженных, так и нейтрального я-мезона равен нулю (7 = 0) . Все три частицы нестабильны. Время жизни заряженных мезонов составляет 2,6 10" 8 с, я°-мезона -0,8 10" 16 с.

Подавляющая часть заряженных я-мезонов распадается по схеме:

где и ц~ - положительный и отрицательный мюоны;

V и v - соответственно мюонное нейтрино и антинейтрино.

В среднем 98,8 % я°-мезонов распадается на два кванта:

Вернёмся к описанию обменного взаимодействия между нуклонами. В результате виртуальных процессов

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

.р + п±>п + 7г + + п±>п+р. Протон испускает виртуальный к + -мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Каждый из взаимодействующих нуклонов проводит часть времени в заряженном состоянии, а часть - в нейтральном.

• 2. п+р^р + п° + п^р + п. Протон и нейтрон обмениваются л-мезонами.
• 3. р + п р + к 0 + п р + п;

р+р^р + 7г°+р^р+р",

П + П^П + 7Г°+П^П + П.

Теперь мы имеем возможность объяснить существование магнитного момента у нейтрона и аномальную величину магнитного момента протона.

В соответствии с процессом (1.13) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии (/? + тт). Орбитальное движение л~ -мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона (2,19р я, вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением л + -мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (/2 + 7Г +) (1.12).

Ядерные силы обеспечивают притяжение - это следует из самого факта существования стабильных ядер, состоящих из протонов и нейтронов.

Ядерные силы велики по абсолютной величине. Их действие на малых расстояниях значительно превосходит действие всех известных в природе сил, в том числе и электромагнитных.

До сих пор нам известно четыре вида взаимодействия:

а) сильные (ядерные) взаимодействия;

б) электромагнитные взаимодействия;

в) слабые взаимодействия, особенно ясно наблюдаемые у частиц, не проявляющих сильных и электромагнитных взаимодействий (нейтрино);

г) гравитационные взаимодействия.

Сравнение сил при этих видах взаимодействия можно получить путем использования системы единиц, в которой характерные константы взаимодействия, соответствующие этим силам (квадраты «зарядов»), безразмерны.

Так, для взаимодействия внутри ядра двух нуклонов, обладающих всеми этими силами, константы взаимодействия имеют порядок:

Ядерные силы обеспечивают существование ядер. Электромагнитные - атомов и молекул. Средняя энергия связи нуклона в ядре равна т. е. где энергия покоя нуклона. Энергия связи электрона в атоме водорода составляет всего т. е. где энергия покоя электрона. Следовательно, в этом масштабе энергии связи относятся как характерные константы:

Слабые взаимодействия ответственны за такие тонкие эффекты, как взаимные превращения пр путем -распада и -захвата (см. § 19), за различные распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

С гравитационными взаимодействиями связана устойчивость космических тел и систем.

Силы взаимодействия второго и четвертого типа убывают с расстоянием, как т. е. довольно медленно и, следовательно, являются дальнодействующими. Взаимодействия же первого и третьего типа убывают с расстоянием очень быстро и поэтому являются короткодействующими.

Ядерные силы короткодействующие. Это следует: а) из опытов Резерфорда по рассеянию -частиц легкими ядрами (для расстояний, превосходящих см, результаты опытов

объясняются чисто кулоновским взаимодействием -частиц с ядром, но при меньших расстояниях наступают отклонения от закона Кулона, обусловленные ядерными силами. Отсюда следует, что радиус действия ядерных сил во всяком случае меньше

б) из изучения -распада тяжелых ядер (см. § 15);

в) из опытов по рассеянию нейтронов на протонах и протонов на протонах.

Остановимся на них несколько подробнее.

Рис. 17. Частица и рассеивающая мишень

При малых энергиях нейтронов рассеяние их в системе центра инерции изотропно. Действительно, классическая частица с импульсом «зацепится» за рассеивающую мишень с радиусом действия ядерных сил если она пролетает на расстояниях, меньших т. е. если компонента ее момента количества движения в направлении, перпендикулярном плоскости траектории не превышает гор (рис. 17).

Но согласно соотношению де Бройля для падающей частицы следовательно,

Однако максимальное значение проекции орбитального момента частицы может быть равно только Поэтому

Таким образом, при значение а при волновая функция, описывающая состояние системы, сферически симметрична в с. ц. и., т. е. в этой системе рассеяние должно быть изотропно.

При рассеяние уже не будет изотропным. Уменьшая энергию падающих нейтронов и тем самым увеличивая можно найти то ее значение, при котором достигается изотропия рассеяния. Это дает оценку радиуса действия ядерных сил.

Максимальная энергия нейтронов, при которой еще наблюдалось сферически симметричное рассеяние, равнялась Это позволило определить верхнюю границу радиуса действия ядерных сил, она оказалась равной см.

Далее, при рассеянии потока протонов на протонной мишени можно рассчитать ожидаемое значение эффективного сечения процесса, если действуют только кулоновские силы. Однако, когда частицы сильно сближаются, ядерные силы начинают преобладать

над кулоновскими, и распределение рассеянных протонов изменяется.

Из таких опытов найдено, что ядерные силы резко спадают с увеличением расстояния между протонами. Область их действия крайне мала и тоже по порядку величины см. К сожалению, результаты опытов по рассеянию нуклонов малых энергий не дают сведений о законе изменения ядерных сил с расстоянием. Детальная форма потенциальной ямы остается неопределенной.

Эксперименты по исследованию свойств двух связанных нуклонов в ядре дейтона также не позволяют одйозначно установить закон изменения потенциала поля ядерных сил с расстоянием. Причина заключается в необычайной малости радиуса действия ядерных сил и очень большой их величине в пределах радиуса действия. В качестве первого приближения к потенциалу, описывающему свойства дейтона можно брать довольно широкий круг различных функций, которые должны достаточно быстро убывать с расстоянием.

Данным опыта грубо удовлетворяют, например, следующие функции.

Рис. 18. Возможные формы потенциальной ямы дейтона: а - прямоугольная яма; экспоненциальная яма; в - форма ямы при потенциале Юкавы; -яма при потенциале с твердой отталкивающей серединой

1. Прямоугольная потенциальная яма (рис. 18,а):

где радиус действия ядерных сил, расстояние между центрами двух взаимодействующих нуклонов.

2. Экспоненциальная функция (рис. 18,б):

3. Мезонный потенциал Юкава (рис. 18,в):

4. Потенциал с твердой отталкивающей серединой (рис. 18,г):

Детальное изучение структуры рассеяния и сравнение с теоретическими расчетами говорит в пользу последней из указанных форм. В настоящее время для расчетов используют и более сложные формы, обеспечивающие лучшее совпадение с данными опыта.

Во всех случаях глубина потенциальной ямы имеет порядок нескольких десятков Значение в случае потенциала с отталкивающей серединой имеет порядок десятых долей Ферми.

Ядерные силы не зависят от электрических зарядов взаимодействующих частиц. Силы взаимодействия между или одинаковы. Это свойство вытекает из следующих фактов.

У легких стабильных ядер, когда электромагнитным отталкиванием еще можно пренебречь, число протонов равно числу нейтронов Следовательно, силы, действующие между ними, равны, иначе существовал бы сдвиг в какую-то сторону (либо либо

Легкие зеркальные ядра (ядра, получающиеся заменой нейтронов на протоны и наоборот, например имеют одинаковые энергетические уровни.

Опыты по рассеянию нейтронов на протонах и протонов на протонах показывают, что величина ядерного притяжения протона с протоном и нейтрона с протоном одна и та же.

Это свойство ядерных сил носит фундаментальный характер и указывает на глубокую симметрию, существующую между двумя частицами: протоном и нейтроном. Оно получило название зарядовой независимости (или симметрии) и позволило рассматривать протон и нейтрон как два состояния одной и той же частицы - нуклона.

Таким образом, у нуклона есть некоторая дополнительная внутренняя степень свободы - зарядовая - по отношению к которой возможны два состояния: протон и нейтрон. Это аналогично спиновым свойствам частиц: спин является также дополнительной к движению в пространстве внутренней степенью свободы частицы, по отношению к которой электрон (или нуклон) имеют только два возможных состояния. Последовательное квантовомеханическое

описание этих двух степеней свободы: зарядовой и спиновой - формально одинаково. Поэтому соответственно принято наглядно описывать зарядовую степень свободы с помощью условного трехмерного пространства, которое называют изотопическим, а состояние частицы (нуклона) в этом пространстве характеризовать изотопическим спином, обозначаемым

Рассмотрим это несколько подробнее, возвращаясь к понятию обыкновенного спина.

Допустим, что имеются два электрона, которые, как известно, совершенно идентичны. Оба они обладают собственным моментом количества движения - спином. Однако направление их вращения обнаружить невозможно. Поместим теперь их во внешнее магнитное поле. Согласно основным постулатам квантовой механики «ось вращения» каждой частицы может занимать только строго определенные положения относительно этого внешнего поля. Спиновая ось у частиц со спином равным может быть ориентирована либо вдоль, либо навстречу направлению поля (рис. 19). Частица с моментом может иметь состояний; у электрона, у которого имеется 2 состояния. Значение проекций спина может быть Это приводит к тому, что частицы в магнитном поле могут иметь теперь разные энергии и появляется возможность отличать их одну от другой. Отсюда видно, что состояние электрона благодаря его магнитным свойствам является дублетным.

Без внешнего магнитного поля нет никакой возможности разделить два возможных состояния электрона; говорят, что состояния «вырождаются» в неразличимые.

С аналогичной ситуацией приходится встречаться и в атоме водорода. Для характеристики состояний атома вводится орбитальное квантовое число характеризующее орбитальный момент количества движения атомов. Атом с данным I может иметь состояний, так как во внешнем поле могут существовать только вполне определенные значения проекций I на направление поля (от - I до Пока внешнего поля нет, состояние -кратновырождено.

Открытие нейтрона привело к мысли о существовании явления, похожего на магнитное вырождение электрона.

Ведь зарядовая независимость ядерных сил означает, что при сильном взаимодействии протон и нейтрон ведут себя как одна и та же частица. Их можно различить только, если принять во внимание, электромагнитное взаимодействие. Если же представить, что электромагнитные сиды могут быть каким-то образом «выключены» (рис. 20, а), то протон и нейтрон станут неразличимыми частицами и даже массы их будут равны (подробнее о равенстве масс; см. § 12). Поэтому цуклон можно рассматривать как «зарядовый дублет», в котором одно состояние представляет протон, а другое - нейтрон. Если включить электромагнитные силы, условно

представленные на рис. 20,б пунктиром, то к прежним зарядово-независимым силам прибавятся электрические силы, зависящие от заряда.

Рис. 19. Ориентация спина электрона в магнитном поле

Рис. 20. Различие между протоном и нейтроном, обусловленное электромагнитным взаимодействием

Энергия заряженных частиц при этом будет отличаться от энергии нейтральных частиц и можно разделить протон и нейтрон. Следовательно, и массы покоя их не будут равными.

Для того чтобы характеризовать состояние нуклона в ядре, Гейзенберг ввел чисто формально понятие об изотопическом спин который по аналогии с квантовыми числами должен определять число вырожденных состояний нуклона, равное Слово «изотопический» выражает тот факт, что протон и нейтрон близки по своим свойствам (изотопы - одинаковые по химическим свойствам атомы, отличающиеся числом нейтронов в ядре).

Слово же «спин» в данном понятии возникло из чисто математической аналогии с обычным спином частицы.

Важно еще раз отметить, что квантовомеханический вектор изотопического спина вводится не в обычном, а в условном пространстве, называемом изотопическим или зарядовым пространством. Последнее, в отличие от обычных осей задается условными осями . В этом пространстве частица не может двигаться поступательно, а только вращается.

Таким образом, изотопический спин следует рассматривать как математическую характеристику, отличающую протон от нейтрона; физически они отливаются разным отношением к электрог магнитному полю.

Изотопический спин нуклона равен и имеет компоненты и по отношению к оси Проекция на эту ось обозначается Условно было принято, что для протона а для нейтрона т. е. протон переходит в нейтрон при повороте изотопического спина на 180° в изотопическом пространстве.

При использовании такого формального приема зарядовая аеаависимость принимает форму закона сохранения: при взаимодействии нуклонов полный изотопический спин и его проекция сохраняются неизменными, т. е.

Этот закон сохранения можно формально рассматривать, как следствие независимости физических законов от поворота в изотопическом пространстве. Однако этот закон сохранения приближенный. Он справедлив в той мере, в какой можно пренебрегать электромагнитными силами и может немного нарушаться, - в меру отношения электромагнитных и ядерных сил. Физический же смысл его заключается в том, что ядерные силы в системах и одинаковы.

Мы вернемся к понятию изотопического спина в главе об элементарных частицах, для которых он приобретает дополнительный смысл.

Ядерные силы зависят от спина. Зависимость ядерных сил от спина вытекает из следующих фактов.

Одно и то же ядро в состояниях с различными спинами обладает различными энергиями связи. Например, энергия связи дей-тона, в котором спины параллельны, равна при антипараллельных спинах устойчивого состояния вообще нет.

Рассеяние нейтронов на протонах чувствительно к ориентации спинов. Была теоретически рассчитана вероятность взаимодействия нейтронов и протонов при предположении, что потенциал взаимодействия не зависит от спина. Оказалось, что полученные из опыта результаты отличаются от теоретических в пять раз.

Расхождение устраняется, если учитывать, что взаимодействие зависит от взаимной ориентации спинов.

Зависимость ядерных сил от ориентации спина проявляется в опыте по рассеянию нейтронов на молекулах орто- и пара-водорода.

Дело в том, что молекулы водорода существуют двух типов: в молекуле орто-водорода спины двух протонов параллельны друг другу, полный спин равен 1 и может иметь три ориентации (так называемое триплетное состояние); в молекуле пара-водорода спины антипараллельны полный спин равен нулю и возможно единственное состояние (так называемое син-глетное состояние),

Соотношение между числом молекул орто- и пара-водорода при комнатной температуре равно Это соотношение определяется числом возможных состояний.

Энергия основного пара-состояния ниже энергии основного орго-состояния. При низких температурах молекулы орто-водорода превращаются в молекулы пара-водорода. В присутствии катализатора это превращение идет достаточно быстро и можно получить жидкий водород в чистом состоянии пара-водорода. В случае

рассеяния нейтронов на орто-водороде, спин нейтрона либо параллелен спинам обоих протонов, либо обоим антипараллелен; т. е. существуют конфигурации:

При рассеянии на пара-водороде спин нейтрона всегда параллелен спину одного протона и антипараллелен спину другого протона; независимо от ориентации молекулы пара-водорода конфигурация имеет характер

Рис. 21 Рассеяние нейтронов на молекулах водорода

Рассмотрим рассеяние как волновой процесс. Если рассеяние зависит от взаимной ориентации спинов, то наблюдаемый интерференционный эффект нейтронных волн, рассеянных обоими протонами, будет существенно различным для процессов рассеяния на молекулах орто- и пара-водорода.

Какова должна быть энергия нейтронов для того, чтобы можно было заметить разницу в рассеянии? В молекуле протоны находятся на расстоянии во много раз превышающем радиус действия ядерных сил. см. Поэтому в силу волновых свойств нейтрона процесс рассеяния может происходить одновременно на обоих протонах, если (рис. 21). Необходимой для этого волне де Бройля

для нейтрона, масса которого эквивалентна энергии

Ядерные силы обладают свойством насыщения. Как уже говорилось в § 4, свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре - А, а не

Указанная особенность ядерных сил следует также из стабильности легких ядер. Нельзя, например, добавлять к дейтону все новые и новые частицы, известна только одна такая комбинация с добавочным нейтроном-тритий. Протон, таким образом, может образовывать связанные состояния не более чем с двумя нейтронами.

Для объяснения насыщения Гейзенбергом было выдвинуто предположение о том, что ядерные силы имеют обменный харак тер.

Ядерные силы имеют обменный характер. Впервые обменный характер был установлен у сил химической связи: связь образуется в результате перехода электронов от одного атома к другому. Электромагнитные силы можно также относить к силам обменным: взаимодействие зарядов объясняется тем, что они обмениваются у-квантами. Однако насыщения в данном случае нет, так как обмен у-квантами не меняет свойств каждой из частиц.

Обменное свойство ядерных сил проявляется в том, что при столкновении нуклоны могут передавать друг другу такие свои характеристики, как заряд, проекции спинов и другие.

Обменный характер подтверждается различными опытами, например результатами измерений углового распределения нейтронов высоких энергий при рассеянии их на протонах. Остановимся на этом подробнее.

В ядерной физике энергию называют высокой, когда волна де Бройля частицы удовлетворяет соотношению т. е.

Для нуклонов длина волны де Бройля связана с кинетической энергией уравнением

и, следовательно, можно назвать высокой кинетическую энергию нуклона, если она значительно больше

Квантовая механика позволяет получить зависимость эффективного сечения рассеяния от энергии падающих нейтронов и угла рассеяния, если известен потенциал взаимодействия.

Расчеты показывают, что для потенциала типа прямоугольной ямы сечение рассеяния должно меняться в зависимости от энергии частиц как а само рассеяние должно происходить в пределах малого угла Следовательно, угловое распределение рассеянных нейтронов в системе центра инерции должно иметь максимум в направлении их движения, а распределение протонов отдачи должно иметь максимум в противоположном направлении.

На опыте же для нейтронов был обнаружен не только пик в угловом распределении, направленный вперед, но и второй пик, в направлении назад (рис. 22).

Рис. 22. Зависимость дифференциального сечения рассеяния нейтронов на протонах от угла рассеяния

Объяснить экспериментальные результаты можно только предположив, что между нуклонами действуют обменные силы и в процессе рассеяния нейтроны и протоны обмениваются своими зарядами, т. е. идет рассеяние с «перезарядкой». При этом часть нейтронов превращается в протоны, и наблюдаются протоны, летящие в направлении падающих нейтронов, так называемые протоны перезарядки. Одновременно часть протонов превращается в нейтроны и регистрируется, как нейтроны, рассеянные назад в с.

Относительная роль обменных и обычных сил определяется по отношению числа нейтронов, летящих назад к числу нейтронов, летящих вперед.

Опираясь на квантовую механику, можно доказать, что существование обменных сил всегда ведет к явлению насыщения, так как частица не может взаимодействовать путем обмена одновременно со многими частицами.

Однако более детальное изучение экспериментов по нуклон-нуклонному рассеянию показывает, что хотя силы взаимодействия и в самом деле имеют обменный характер, смесь обычного потенциала с обменным такова, что не может полностью объяснить насыщение. Обнаруживается и другое свойство ядерных сил. Оказывается, что если на больших расстояниях между нуклонами действуют преимущественно силы притяжения, то при тесном сближении нуклонов (на расстоянии порядка см) возникает резкое отталкивание. Это можно объяснить наличием у нуклонов отталкивающихся друг от друга сердцевин.

Расчеты показывают, что именно эти сердцевины несут главную ответственность за эффект насыщения. В связи с этим ядерное взаимодействие, по-видимому, следует характеризовать не однородным потенциалом типа прямоугольной ямы (рис. сложной функцией с особенностью на малых расстояниях (рис. 18,г).

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ - силы взаимодействия между нуклонами; обеспечивают большую величину энергии связи ядер по сравнению с др. системами. Я. с. являются наиб. важным и распространённым примером сильного взаимодействия (СВ). Когда-то эти понятия были синонимами и сам термин " " был введён для подчёркивания огромной величины Я. с. по сравнению с др. известными в природе силами: эл--магн., слабыми, гравитационными. После открытия p- , r- и др. мезонов, гиперо-нов и др. адронов термин "сильное взаимодействие" стали применять в более широком смысле - как взаимодействие . В 1970-х гг. квантовая хромодинамика (КХД) утвердилась как общепризнанная микроскопич. теория СВ. Согласно этой теории, адроны являются составными частицами, состоящими из кварков и глюонов , а под СВ стали понимать взаимодействие этих фундам. частиц.

С др. стороны, Я. с. как силы взаимодействия между нуклонами включают не только СВ, но и эл--магн., слабое и гравитац. взаимодействия нуклонов. С точки зрения совр. теории, эл--магн. и слабое взаимодействия являются проявлениями одного, более фундаментального, электрослабого взаимодействия . Однако при тех пространственно-временных масштабах (~10 -13 см, ~10 -23 с), с к-рыми обычно имеют дело в атомных ядрах, единая природа эл--магн. и слабых сил практически не проявляется и их можно рассматривать как независимые. Эти взаимодействия, будучи гораздо слабее СВ, в большинстве ядерных процессов малосущественны, но возможны ситуации, когда их роль становится определяющей. Так, эл--магн. взаимодействие (наиб. существ. часть к-рого - кулоновское отталкивание между протонами), в отличие от СВ, является дальнодействующим. Поэтому обусловленная им положит. кулоновская энергия ядра растёт с увеличением числа частиц А в ядре быстрее, чем отрицат. часть ядерной энергии, обусловленная СВ. В результате тяжёлые ядра становятся при больших А нестабильными - сначала по отношению к делению (см. Деление ядер ),а затем и абсолютно нестабильными. Со слабым взаимодействием нуклонов связано такое явление, как несохранение чётности в нуклон-нуклонном рассеянии и в др. ядерных явлениях (см. Несохранение чётности в ядрах) . Гравитац. силы, действующие между нуклонами, пренебрежимо малы во всех ядерных явлениях и существенны только в астрофиз. условиях (см. Нейтронные звёзды ).

Основой Я. с. является сильное взаимодействие нуклонов. Сильное взаимодействие нуклонов в ядрах отличается от взаимодействия свободных нуклонов, однако последнее является фундаментом, на к-ром строится вся и теория Я. с. Это взаимодействие обладает изотопической инвариантностью . Суть её в том, что взаимодействие между 2 нейтронами, 2 протонами или между протоном и нейтроном в одинаковых квантовых состояниях одинаково. Поэтому можно говорить о взаимодействии между нуклонами, не уточняя, о каких нуклонах идёт речь (см. также Изотопическая инвариантность ядерных сил). Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~10 -13 см) и обладают свойством насыщения, к-рое заключается в том, что с увеличением числа нуклонов в ядре уд. энергия связи нуклонов остаётся примерно постоянной (рис. 1). Это приводит к возможности существования ядерной материи .

Поскольку нуклоны в ядре движутся, как правило, со сравнительно небольшими скоростями (в 3-4 раза меньше ), то для построения модели СВ нуклонов в ядрах можно пользоваться нерелятивистской теорией и приближённо описывать его потенциалом, к-рый является ф-цией расстояния r между нуклонами. В отличие от кулоновского и гравитац. потенциалов, обратно пропорциональных расстоянию, потенциал Я. с. зависит от r гораздо сложнее. Кроме того, потенциал Я. с. зависит от спинов нуклонов и орбитального момента L нуклонов.

Нерелятивистский потенциал Я. с. содержит неск. компонентов: центральный V C , тензорный V T , спин-орбитальный V LS и квадратичный спин-орбитальный потенциал V LL . Наиб. важный из них - центральный - является комбинацией сильного отталкивания на малых расстояниях (т.н. отталкивательный кор) и притяжения - на больших (см. рис. к ст. Ядерная материя ).Существуют модели СВ нуклонов с бесконечным ("жёстким") кором (напр., феноменологич. потенциал Хамады - Джонстона), а также более реалистич. модели с конечным ("мягким") кором (напр., потенциал Рейда, рис. 2). С кон. 1950-х гг. было предпринято множество попыток построения потенциала Я. с. на основе полевой теории мезон-нуклонного взаимодействия. Очевидные трудности такой теории связаны с большой силой взаимодействия и неприменимостью теории возмущений и основанных на ней методов. Весьма популярен полуфеноменологич. потенциал "однобозонно-го обмена", основанный на представлениях мезоннуклонной полевой теории, но использующий простейшую модель од-номезонного обмена. При этом оказалось, что для описания притяжения на промежуточных расстояниях необходимо помимо известных мезонов p, р, w,... вводить также обмен несуществующим s-мезоном, к-рый интерпретируют как эфф. учёт обмена двумя p-мезонами. Константы мезон-нуклонного взаимодействия рассматривались как феноменологич. параметры, к-рые подбирались так, чтобы потенциал описывал эксперим. фазы нуклон-нуклонного рассеяния. За короткодействующее отталкивание оказались ответственными w- и r-мезоны, а за дальнодействующее притяжение - пи-мезон . Член однопи-онного обмена вносит вклад в центральный и тензорный потенциалы:

где f p NN - константа пион-нуклонного взаимодействия, т p -масса пиона, l=с /m p =1,4 Фм - комптоновская длина волны пиона, a s 1 , s 2 -спиновые Паули матрицы .Как видно из выражений (1), (2), потенциал однопионного обмена экспоненциально спадает на расстоянии порядка комптоновской длины пиона. Др. члены потенциала одно-бозонного обмена имеют такого же типа экспоненц. факторы, но с комптоновскими длинами соответствующих , к-рые в неск. раз меньше пионной. На таких расстояниях обмен неск. пионами может быть столь же существенным, как и обмен одним тяжёлым мезоном. Это объясняет, почему члены, отвечающие обмену тяжёлыми мезонами, воспринимаются как полуфеноменологические. В то же время вид потенциала Я. с, на больших расстояниях, без сомнения, описывается выражениями (1), (2). Такой асимптотич. вид имеют и все без исключения феноменологич. потенциалы. В настоящее время наиб. точными считают т. н. парижский и боннский потенциалы, к-рые сочетают черты феноменологич. потенциалов с мягким кором и потенциала однобозонного обмена.

Совр. представления о природе СВ, основанные на КХД, поставили задачу расчёта потенциала СВ нуклонов в рамках КХД, но она пока не решена, поскольку не решена и более простая задача о построении теории одного нуклона. Существует неск. кварковых моделей адронов, из к-рых наиб. известна модель мешков в разл. вариантах. Она позволяет качественно понять природу отталкива-тельного кора, оценить его радиус и высоту, но не позволяет рассчитать вид потенциала на больших расстояниях. Под большим вопросом, с точки зрения КХД, оказывается статус мезонов (за исключением p-мезона) в формировании потенциала СВ нуклонов: обмен тяжёлыми мезонами между нуклонами происходит на столь малых расстояниях, что их кварк-глюонная природа становится существенной. Особое место в КХД-теории СВ принадлежит p-мезону. Согласно совр. представлениям, он интерпретируется как коллективное возбуждение , состоящее из большого числа кварк-антикварковых пар (голд-стоуновский бозон , связанный со спонтанным нарушением в КХД киральной симметрии) . Поэтому в большинстве совр. моделей все остальные адроны считают состоящими из небольшого числа (антикварков, глюонов), а я-мезон вводят дополнительно как независимую частицу. С такой точки зрения понятен статус потенциалов (1), (2) как описывающих "хвост" потенциала взаимодействия нуклонов.

Поскольку ср. расстояние между нуклонами в ядре (1,8 Фм) не сильно превышает радиус действия Я. с., то в ядрах существуют многочастичные (прежде всего, 3-частичные) силы, возникающие из-за обмена кварками и глюонами между неск. нуклонами практически одновременно. В терминах адронов это отвечает таким процессам обмена мезонами между, напр., тремя нуклонами, к-рые нельзя свести к совокупности последовательных парных обменов. Гл. роль в формировании 3-частичных сил играет обмен p-мезонами, причём существ. вклад вносят и процессы виртуального возбуждения D-изобары - первого возбуждённого состояния нуклона. Т. о., пионы и D-изоба-ры являются основными ненуклонными степенями свободы, к-рые важны в ядерных процессах. Многочастичные силы в ядрах сравнительно невелики: их вклад в энергию связи не превышает 10-15%. Однако существуют явления, где они играют осн. роль.

Гл. часть эл--магн. взаимодействия нуклонов составляет кулоновское отталкивание между протонами. На больших расстояниях оно определяется только протонов. СВ приводит к тому, что электрич. заряд протона не является точечным, а распределён на расстояниях 1 Фм (среднеквадратичный радиус протона равен 0,8 Фм; см. "Размер" элементарной частицы) . Электрич. взаимодействие на малых расстояниях зависит и от распределения заряда внутри протона. Это распределение совр. теория СВ не может надёжно рассчитать, но оно достаточно хорошо известно из эксперим. данных по рассеянию электронов на протонах. Нейтроны в целом электронейтральны, но из-за СВ распределение заряда внутри нейтрона также существует, что приводит к электрич. взаимодействию между двумя нейтронами и между нейтроном и протоном. Магн. взаимодействие между нейтронами такого же порядка, что и между протонами, из-за большой величины аномального магнитного момента , обусловленного СВ. Менее ясна ситуация со слабым взаимодействием нуклонов. Хотя гамильтониан известен хорошо, СВ приводит к перенормировке соответствующих констант взаимодействия (аналог аномального магн. момента) и возникновению формфакторов . Как и в случае эл--магн. взаимодействия, эффекты слабого взаимодействия не могут быть достоверно рассчитаны, но в этом случае они не известны и экспериментально. Имеющиеся данные о величине эффектов несохранения чётности в 2-нуклонной системе позволяют установить интенсивность этого взаимодействия, но не его структуру. Существует неск. альтернативных моделей слабого взаимодействия нуклонов, к-рые одинаково хорошо описывают 2-нуклонные эксперименты, но приводят к разл. следствиям для атомных ядер.

Лит.: Бор О., Моттельсон Б., Структура атомного ядра, пер. с англ., т. 1-2, М., 1971-77; Калоджеро Ф., Симонов Ю. А., Ядерные силы , насыщение и структура ядер, в сб.: Будущее науки, в. 9, М., 1976. Э. Е. Саперштейн .

1. Ядерные силы велики по абсолютной величине . Они относятся к самым сильным из всех известных взаимодействий в природе.

До сих пор нам было известно четыре вида взаимодействия:

а) сильные (ядерные) взаимодействия;

б) электромагнитные взаимодействия;

в) слабые взаимодействия, особенно ясно наблюдаемые у частиц, не проявляющихся в сильных и электромагнитных взаимодействиях (нейтрино);

г) гравитационные взаимодействия.

Для примера достаточно сказать, что обусловленная ядерными силами энергия связи простейшего ядра - дейтрона - равна 2,26 Мэв, в то время как обусловленная электромагнитными силами энергия связи простейшего атома - водорода - равна 13,6 эв.

2. Ядерные силы обладают свойством притяжения на расстояниях в области 10 -13 см, правда, на существенно меньших расстояниях переходят в силы отталкивания. Это свойство объясняют наличием у ядерных сил отталкивающей сердцевины. Оно было обнаружено при анализе протон- протонного рассеяния при высоких энергиях. Свойство притяжения ядерных сил следует из одного существования атомных ядер.

3. Ядерные силы являются короткодействующими . Радиус их действия имеет порядок 10 -13 см. Свойство короткодействия было выведено из сравнения энергий связи дейтрона и α -частицы. Однако, оно следует уже из опытов Резерфорда по рассеянию α -частиц ядрами, где оценка радиуса ядра ~10 -12 см.

4. Ядерные силы носят обменный характер . Обменность является существенно квантовым свойством, благодаря которому нуклоны при столкновении могут передавать друг другу свои заряды, спины и даже координаты. Существование обменных сил прямо следует из опытов по рассеянию протонов высоких энергий на протонах, когда в обратном потоке рассеянных протонов обнаруживаются другие частицы – нейтроны.

5. Ядерное взаимодействие зависит не только от расстояния, но и от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц , а также от ориентации спинов относительно оси, соединяющей частицы. Эта зависимость ядерных сил от спина вытекает из опытов по рассеянию медленных нейтронов на орто и параводороде.

Существование такой зависимости следует также из наличия квадрупольного момента, следовательно, ядерное взаимодействие является не центральным, а тензорным, т.е. оно зависит от взаимной ориентации суммарного спина и проекции спина. Например, при ориентации спинов n и p энергия связи дейтрона 2.23 Мэв.

6. Из свойств зеркальных ядер (зеркальными называются ядра у которых нейтроны заменены протонами, а протоны нейтронами) следует, что силы взаимодействия между (р, р), (n, n) или (n, р) одинаковы. Т.е. существует свойство зарядовой симметрии ядерных сил . Это свойство ядерных сил носит фундаментальный характер и указывает на глубокую симметрию, существующую между двумя частицами: протоном и нейтроном. Оно получило название зарядовой независимости (или симметрии) или изотопической инвариантности и позволило рассматривать протон и нейтрон как два состояния одной и той же частицы - нуклона. Изотопический спин был введен впервые Гейзенбергом чисто формально и принято считать, что он равен Т=-1/2 – когда нуклон находится в состоянии нейтрона, и Т=+1/2 когда нуклон находится в состоянии протона. Предположим, что существует какое-то трехмерное пространство, названное изотопическим, не имеющее отношения к обычному декартовому пространству, при этом каждая частица находится в начале координат этого пространства, где она не может двигаться поступательно, а только вращается и имеет соответственно в этом пространстве собственный момент количества движения (спин) . Протон и нейтрон представляют собой частицу по-разному ориентированную в изотопическом пространстве и нейтрон переходит в протон при повороте на 180 градусов. Изотопическая инвариантность означает, что взаимодействие в любых двух парах нуклонов одинаково, если эти пары находятся в одинаковых состояниях, т.е. ядерное взаимодействие инвариантно относительно поворотов в изотопическом пространстве. Данное свойство ядерных сил носит название изотопической инвариантности.

7.Ядерные силы обладают свойством насыщения . Свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре – А, а не А 2 , т.е. каждая частица в ядре взаимодействует не со всеми окружающими нуклонами, а только с ограниченным их числом. Указанная особенность ядерных сил следует также и из стабильности легких ядер. Нельзя, например, добавлять к дейтрону все новые и новые частицы, известна только одна такая комбинация с добавочным нейтроном – тритий. Протон, таким образом, может образовывать связанные состояния не более чем с двумя нейтронами

8. Еще в 1935г. японский физик Юкава, развивая идеи Тамма, предположил, что должны существовать какие-то другие частицы, ответственные за ядерные силы. Юкава пришел к выводу, что должно существовать поле иного типа, сходное с электромагнитным, но имеющее другую природу, которая предсказала существование частиц, промежуточной массы, т.е. мезонов, позже открытых экспериментально.

Однако, мезонная теория до настоящего времени не смогла удовлетворительно объяснить ядерное взаимодействие. Мезонная теория предполагает существование тройных сил, т.е. действующих между тремя телами и обращающихся в ноль при удалении одного из них в бесконечность. Радиус действия этих сил вдвое меньше радиуса действия обычных парных сил.

На данном этапе мезонная теория не все может объяснить, и потому мы рассмотрим

1. феноменологический подбор потенциала, отвечающего выше перечисленным свойством ядерных сил – это первый подход и остается второй подход.

2. сведение ядерных сил к свойствам мезонного поля.

В данном случае будем рассматривать элементарную теорию дейтрона по первому пути.