Ядерные силы

75,53 + 24,47

Число 35,46 часто называют атомной массой хлора.

Наиболее распространенным элементом в природе является во­дород. Распространенность его изотопов указана в табл. 1.

Таблица 1

Изотоп	Символ	Атомная масса, а.е.м.	Распространенность, %
Водород	1Н1	1,007825	99,99
Дейтерий	1Н2	2,014102	0,01
Тритий	1Н3	3,016090	Незначительна

Средняя атомная масса водорода, таким образом, равна:

99,99• 1,0078 а. е. м. + 0,01 • 2,0141 а. е. м.

А _H = ---------------- ----------------------------------------------------------------- = 1,0079 а. е. м.

99,99+0,01

Согласно закону Кулона положительно заряженные протоны, на­ходящиеся на очень близких расстояниях в атомном ядре, сильно отталкивают друг друга. Так что они должны были бы мгновенно разлететься. Поэтому вряд ли можно объяснить стабильное сущест­вование атомного ядра, если не сделать допущения, что нуклоны в нем подвержены влиянию каких-то мощных сил притяжения. Эти силы считают проявлением так называемого сильного взаимодействия. Их изучал довольно долгое время японский физик Хидеки Юкава. В 1935 г. он понял основные характерные особенности ядерных сил и для их объяснения постулировал существование особой частицы, названной впоследствии пионом. Пион имеет массу покоя 270 т_е (в 270 раз большую массы покоя электрона). Пионы играют важную роль в образовании ядерных сил.

Юкава отметил следующие характерные особенности ядерных сил:

1. Они являются короткодействующими.

2. Они обладают зарядовой независимостью.

3. Они самые мощные из всех известных сил в природе.

4. Они имеют способность к насыщению.

Рассмотрим по отдельности эти характерные особенности ядер­ных сил.

Короткодействующий характер. Эксперименты по рассеянию про­тонов на ядрах показывают, что ядерные силы имеют заметное зна­чение только тогда, когда расстояние между двумя нуклонами ока­зывается порядка 10^-15 м и меньше. Будем бомбардировать атомное ядро протонами и учтем, что радиус действия ядерных сил имеет примерно тот же порядок, что и радиус действия сил кулоновского отталкивания. Как бы близко ни подлетали протоны к ядру, они будут обязательно подвержены силам обоих типов, а потому распределение по углам протонов, рассеянных на ядрах, будет отличным от распре­деления, соответствующего чистому кулоновскому рассеянию.

Падающие протоны, которые не подходят слишком близко к ядру, будут рассеиваться силами электрического отталкивания. Но если энергия падающих протонов достаточно велика, чтобы протон мог преодолеть отталкивающее действие кулоновских сил ядра, - он может подлететь очень близко к ядру и попасть в область действия ядерных сил притяжения. Распределение рассеянных протонов в этом случае будет определяться главным образом ядерными силами, а потому распределение будет отлично от кулоновского.

Кроме того, некоторые эксперименты свидетельствуют о том, что при совсем малых расстояниях порядка 0,5 фм нуклоны оттал­кивают друг друга (рис. 1). При описании ядер очень малые размеры часто выражают в единицах длины, называемых ферми (фм );

1 фм = 10^15 м.

На рисунке 2 показан справа протон, налетающий на ядро. Когда протон находится очень далеко от ядра, вся его энергия кине­тическая. Но по мере приближения протона к ядру он будет все силь­нее отталкиваться положительно заряженным ядром и все больше будет испытывать действие отталкивающих кулоновских сил от ядра. Потенциальная энергия электрона в кулоновском поле ядра равна:

e V = k Ze² / r (1)

По мере увеличения потенциальной энергии кинетическая энергия налетающего протона будет уменьшаться. На рисунке 2 полная энергия изображается отрезком

АВ = АС+СВ,

где А В = Е — полная энергия,

А С = k Ze² / r = U — потенциальная энер­гия,

СВ = К — кинетическая энергия.

Поскольку кривая потенциальной энергии такова, что dV/dr < 0, то электрическая сила

F_e = - e (dV/dr) > 0, (2)

т.е. она действительно отталкивает протон от ядра.

На рисунке 2 показан такой случай, когда полная энергия нале­тающего на ядро протона меньше, чем высота кулоновского потен­циального барьера. По классической механике, когда протон достиг­нет точки В`, в которой его кинетическая энергия в точности будет равна нулю, он испытает «классическое столкновение» с ядром и от­скочит назад, не будучи в состоянии проникнуть сквозь потенциаль­ный барьер и подвергнуться действию короткодействующих ящер­ных сил.

По квантовой механике имеет место туннельный эффект и приближающийся к ядру протон обладает определенной, отличной от нуля вероятностью «протуннелировать» через потенциальный барьер и «упасть» в юкавскую потенциальную яму, описывающую ядерные силы, с потенциалом

V= – g² e^–ar / r, (3)

где а = mc/ħ (m — масса пиона), g — постоянная ядерных сил.