§ 232. Ядерные силы. Мезоны

В § 225 было введено понятие о ядерных силах, т. е. особых силах, действующих между частицами, образующими атомные ядра — нейтронами и протонами. Опыты (например, изучение ядерных реакций, вызываемых быстрыми нейтронами и протонами) привели к заключению, что ядерные силы взаимодействия между парами частиц протон — протон, нейтрон — протон, нейтрон — нейтрон одинаковы. В явлениях, зависящих только от ядерных сил, нейтрон и протон ведут себя одинаково; различие свойств нейтрона и протона, выраженное в чуть большей массе первого и электрическом заряде второго, в таких явлениях не играет заметной роли. Чтобы подчеркнуть тождественность свойств нейтрона и протона по отношению к ядерным силам, эти две частицы объединяют общим термином нуклон. Говоря «нуклон», мы подразумеваем нейтрон или протон.

Наиболее характерной особенностью ядерных сил является короткодействие — они достигают очень большого значения при сближении нуклонов на расстояние порядка , но при увеличении этого расстояния всего в несколько раз так сильно спадают, что практически ими можно пренебречь. В этом отношении ядерные силы не похожи на электрические силы или силы тяготения, которые изменяются плавно (обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами). Они напоминают скорее силы, возникающие при соприкосновении резиновых шариков.

Потенциальную энергию электрического взаимодействия двух протонов можно вычислить по формуле (206.1) с измененным знаком (протоны отталкиваются!). При расстоянии между протонами  имеем ( ):

.

Опыты показывают, что потенциальная энергия ядерного взаимодействия двух нуклонов при сближении до такого расстояния составляет около  (если считать ее равной нулю при бесконечном расстоянии).

Таким образом, на малых расстояниях ядерное взаимодействие округленно на два порядка (т. е. в  раз) сильнее электрического. При больших расстояниях между протонами, например в молекуле  (), положение обратное: ядерное взаимодействие протонов оказывается ничтожно слабым по сравнению с электромагнитным.

Как передается ядерное взаимодействие от одного нуклона к другому?

Теория относительности Эйнштейна утверждает, что никакие взаимодействия между частицами не могут передаваться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Допустим, одна из двух взаимодействующих частиц быстро изменила свое положение. Вторая частица «почувствует» изменение силы взаимодействия, вызванное смещением первой частицы, с запозданием, пропорциональным расстоянию между частицами. Запаздывание может быть много больше длительности перемещения частицы — частица давно остановилась, но в окружающем пространстве еще что-то происходит, что позже скажется на второй частице. Это означает, что существует некоторый агент, переносящий взаимодействие. В случае взаимодействия заряженных частиц такой агент нам хорошо знаком — это электромагнитное поле. Наряду с полями, связанными с электрическими зарядами, существуют и свободные электромагнитные поля — распространяющиеся электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновское и -излучения). Мы знаем, что такие свободные поля являются потоками электромагнитных  квантов — фотонов.

Аналогично, другим видам взаимодействия — всемирному тяготению, ядерному взаимодействию — соответствуют свои поля — поле тяготения (гравитационное поле), поле ядерных сил.

Нуклон создает в окружающем пространстве поле ядерных сил, и это поле действует на другие нуклоны, попадающие в сферу его влияния. Как уже отмечалось, радиус сферы сильного взаимодействия очень мал: .

В 1935 г. японский физик Хидэки Юкава (1907—1981) предположил, что подобно электромагнитному полю ядерное поле бывает не только связанным, но и свободным, т. е. существуют кванты ядерного поля. Он показал, что малый радиус действия ядерного поля связан с тем, что кванты этого поля обладают отличной от нуля массой покоя. Чем больше масса покоя, тем меньше сфера действия сил. Наблюдаемый радиус действия порядка  означает, что масса покоя квантов в 200—300 раз больше массы покоя электрона.

Примерно через 10 лет после предсказания Юкавы при исследовании космических лучей (см. § 237) были открыты частицы, названные пи-мезонами (), которые, как показали дальнейшие исследования, и являются квантами ядерного поля. Существуют три вида -мезонов, различающихся электрическим зарядом: положительно заряженные -мезоны (), нейтральные () и отрицательно заряженные (). Массы покоя -, -, и -мезонов близки и составляют примерно 270 масс покоя электрона. Подобно тому как электромагнитные кванты излучаются при торможении зарядов, ядерные кванты  -мезоны — излучаются при торможении нуклонов, т. е. при соударениях нуклонов друг с другом.

Приведем простейшие примеры реакций рождения -мезонов:

.

Здесь символы  и  обозначают нейтрон и протон; ;  — нуклоны, отличающиеся состоянием движения (величиной и направлением скорости). Указанные реакции, как и вообще все известные физические процессы, удовлетворяют закону сохранения электрического заряда. По закону Эйнштейна излучение -мезона требует затраты энергии, не меньшей энергии покоя -мезона, равной . Ввиду этого процессы рождения -мезонов наблюдаются только при столкновениях частиц, обладающих весьма большой энергией. Пи-мезоны, аналогично световым квантам, способны также поглощаться нуклонами, отдавая им свою кинетическую энергию, энергию покоя и электрический заряд (рис, 414).

Рис. 414. Расщепление ядра углерода при захвате -мезона. Микрофотографии следов частиц, запечатленных в фотоэмульсии (см. § 235). -мезон, затормозившись в фотоэмульсии , притягивается положительно заряженным атомным ядром и захватывается одним из его протонов (). При этом освобождается значительная энергия () и ядро расщепляется. На снимке видны заряженные продукты расщепления — быстрые -частицы и протон; нейтроны следов не оставили. Общее уравнение реакции  

Рис. 415. Два случая распада -мезона, зарегистрированные в фотоэмульсии, -мезон останавливается и распадается по схеме  (левая часть снимка); нейтрино следа не оставляет. Образовавшийся мюон, пройдя путь около , также останавливается и распадается по схеме . Быстрые частицы слабее ионизуют и образуют менее плотные следы — ср. след электрона и начальный участок пути мюона. Заряды частиц в данном опыте определить нельзя, но скорее всего они положительные: в фотоэмульсиях -мезоны обычно поглощаются ядрами, не успевая распасться. Напротив,  -мезоны ядрами отталкиваются и им после торможения остается только распасться

Пи-мезоны не стабильны. Нейтральный -мезон через время порядка   распадается на два -кванта. - и -мезоны в среднем через  () превращаются соответственно в положительный мюон (обозначается ) и нейтрино и на отрицательный мюон () и нейтрино.

Мюоны — это частицы с массой покоя, равной 207 масс покоя электрона, и средним временем жизни . Мюоны превращаются в электрон или позитрон и два нейтрино (рис. 415).

Мюоны были открыты раньше, чем -мезоны, и их вначале приняли за ядерные кванты. Это представление было вскоре отброшено, так как выяснилось, что мюоны крайне слабо взаимодействуют с нуклонами.

Вслед за -мезонами было открыто несколько видов еще более тяжелых и менее стабильных мезонов, сильно взаимодействующих с ядрами. Так же как и -мезоны, их следует считать квантами поля ядерных сил. Как видно, ядерное поле является весьма сложным; полной теории этого поля пока еще нет.