Атомное ядро

Рис. 2
дра с массовым числомА = 240 (удельная энергия связи равна 7,5Мэв) на два ядра с массовыми числами А = 120 (удельная энергия связи равна 8,5Мэв) при­вело бы к высвобождению энергии в 240Мэв. Слияниедвух ядер тяжелого водорода ₁H²в ядро гелия ₂Не⁴ при­вело бы к выделению энергии, равной ~ 24Мэв. Для сравнения: при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода (сгорание угля до СО₂) выделяется энергия, равная ~ 5эв.
В связи с тем, что ядра сА ~ 50—60 являются энер­гетически наиболее выгодными, возникает вопрос: по­чему ядра с иными значениями А оказываются стабиль­ными? Ответ заключается в следующем. Для того чтобы разделиться на несколько частей, тяжелое ядро должно пройти через ряд промежуточных состояний, энергия ко­торых превышает энергию основного состояния ядра. Следовательно, для процесса деления ядру требуется до­полнительная энергия (энергия активации), которая за­тем возвращается обратно, приплюсовываясь к энергии, выделяющейся при делении за счет изменения энергии связи. В обычных условиях ядру неоткуда взять энергию активации, вследствие чего тяжелые ядра не претерпе­вают спонтанного деления. Энергия активации может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им допол­нительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтро­нов лежит в основе действия ядерных реакторов и обыч­ной атомной бомбы.
Что касается легких ядер, то для слияния их в одно ядро они должны подойти друг к другу на весьма близ­кое расстояние (~10^-13 см). Такому сближению ядер препятствует кулоновское отталкивание между ними. Для того чтобы преодолеть это отталкивание, ядра дол­жны двигаться с огромными скоростями, соответствую­щими температурам порядка нескольких сот миллионов градусов. По этой причине процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией. Термоядер­ные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. В зем­ных условиях пока были осуществлены неуправляемые термоядерные реакции при взрывах водородных бомб.

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 кото­рых не 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.