Ядерные силы. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 "сильное взаимодействие" был введён для подчёркивания огромной величины ядерных сил 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 адронов. 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, ядерные силы 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^-13см, ~10^-23с), 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 ядерных сил является сильное взаимодействие нуклонов. Сильное взаимодействие нуклонов в ядрах отличается от взаимодействия свободных нуклонов, однако последнее является фундаментом, на к-ром строится вся ядерная физика 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 скорости света), то для построения модели СВ нуклонов в ядрах можно пользоваться нерелятивистской теорией и приближённо описывать его потенциалом, к-рый является функцией 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 относительного движения нуклонов.

Нерелятивистский потенциал ядерных сил 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 ядерных сил 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 s₁, s₂-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 бозонов, 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 вакуума, 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 кварков (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 зарядами 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 слабого взаимодействия 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.

Литература по ядерным силам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.