Ядерная физика. Лекция 3. Особенности ядерных сил.
Ядерные силы сильно отличаются от привычных для нас электромагнитных сил.
1. Ядерные силы очень мощные.
Они на 2-3 порядка мощнее электромагнитных сил и на 12 порядков мощнее слабых сил.
2. Ядерные силы являются короткодействующими.
Это означает, что они быстро ослабевают при увеличении расстояния между нуклонами.
Зависимость потенциала ядерного взаимодействия от расстояния приближённо описывается формулой Юкавы.
Согласно этой формуле, потенциал ядерного взаимодействия убывает с расстоянием как экспонента от расстояния:
Такое убывание с расстоянием намного более быстрое, чем убывание кулоновского взаимодействия, и оно объясняется ненулевой массой частицы-переносчика ядерных сил (то есть пи-мезона).
Согласно общему правилу, радиус действия любых сил по порядку величины равен постоянной Планка, делённой на массу частицы-переносчика и на скорость света:
В случае электромагнитных сил, масса частицы-переносчика (фотона) равна нулю, поэтому радиус действия электромагнитных сил бесконечен.
Это означает, что электромагнитное взаимодействие возможно на сколь угодно больших расстояниях.
Так как масса пи-мезона примерно 140 МэВ, то для радиуса действия ядерных сил получим примерно 2 ферми (1 ферми - это 1/10¹⁵ метра).
Отсюда следует, в частности, что если 2 протона удаляются друг от друга на расстояние, большее чем 2,5 ферми, то между ними начинает преобладать кулоновское отталкивание, а не ядерное притяжение.
Отметим, что формула Юкавы описывает лишь зависимость ядерных сил от расстояния.
Но ядерные силы зависят не только от расстояния.
Поэтому формула Юкавы не описывает ядерные силы полностью.
Кроме того, как было сказано, формула Юкавы является приближённой.
Полной же и точной формулы для ядерных сил до сих пор не существует.
3. Ядерные силы являются силами притяжения, а на очень малых расстояниях между нуклонами (меньше 0.5 ферми) силы притяжения сменяются силами отталкивания.
Поэтому, в частности, нуклоны никогда не проникают друг в друга.
4. Ядерные силы зарядово независимы.
Это означает, что ядерные силы, действующие между двумя протонами, или между двумя нейтронами, или между протоном и нейтроном, одинаковы.
То есть ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у нуклонов электрического заряда.
Так как, согласно теории элементарных частиц, нейтроны и протоны различаются лишь проекциями изотопического спина (различие их зарядов - это лишь следствие их различия по изотопическому спину), то свойство зарядовой независимости ядерных сил называют также изотопический инвариантностью.
Чтобы учесть это свойство изотопической инвариантности, в формулу для ядерных сил должно входить слагаемое, пропорциональное скалярному произведению векторов изотопических спинов нуклонов.
5. Ядерные силы обладают способностью к насыщению.
Поэтому, когда нуклон оказывается полностью окружён другими нуклонами, он теряет способность притягивать другие нуклоны.
Нуклоны вне этого ближайшего окружения «не чувствуют» сил притяжения такого (окруженного со всех сторон) нуклона.
Это явление аналогично экранированию в атоме внешнего электрона от ядра.
6. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов.
Нуклоны с антипараллельными спинами притягиваются друг к другу сильнее, чем нуклоны с параллельными спинами.
Зависимость ядерных сил от ориентации спина приводит к так называемому спариванию нуклонов внутри ядра: два одинаковых нуклона с одинаковой энергией и противоположно направленными спинами образуют пару с суммарным спином, равным нулю.
Зависимость ядерных сил от взаимной ориентации спинов нуклона означает, что в формулу для ядерных сил должно входить слагаемое, пропорциональное скалярному произведению спинов нуклонов.
7. Ядерные силы не являются центральными.
Это означает, что их нельзя представить направленными вдоль прямой, проходящей через центры взаимодействующих нуклонов.
Причина нецентральности ядерных сил состоит в том, что они зависят от ориентации спинов нуклонов не только друг относительно друга, но и относительно прямой, соединяющей центры нуклонов.
Поэтому потенциал ядерных сил не является сферически симметричным.
Нецентральной части ядерных сил соответствует тензорное слагаемое в формуле для ядерных сил.
Поэтому эту составляющую ядерных сил называют тензорными силами.
Тензорные силы подобны силам взаимодействия магнитных диполей.