Устойчивость ядра атома. Сильное взаимодействие

 

     Из ядерной модели строения атома, предложенной в 1911 году Резерфордом, возникла ещё одна проблема – объяснение устойчивости ядра атома. Поскольку ядерные частицы – протоны и нейтроны прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать силы притяжения. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра атома. Кандидатов для таких сил притяжения из известных не нашлось. И тогда ввели понятие сильного взаимодействия, которое действует только на расстоянии порядка размера ядра. Что нам скажет об этом общепринятая теория?

     «Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, 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 кулоновское 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. Их радиус имеет порядок 10^-13 см. На расстояниях, существенно меньших 10^-13 см, притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеет одинаковую величину. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжёлого водорода дейтрон (или дейтон) только в том случае, если их спины параллельны друг другу.

4. Ядерные силы не являются центральными. Их нельзя представлять направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Нецентральность ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов.

5. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растёт, а остаётся примерно постоянной. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объёма ядра числу образующих его нуклонов.

        По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов…
      В 1934 году И.Е.Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передаётся посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино.
      В 1935 году японский физик Х.Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существует 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 тяжёлыми фотонами. В связи с тем, что по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впоследствии были названы мезонами (греческое «мезос» означает средний)». (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 3 стр.235-238 «Наука» 1979г.)

     Итак, не найдя объяснения устойчивости ядра атома, с помощью известных сил и взаимодействий, ввели новый вид взаимодействия – сильное поле. По сравнению с известными на то время полями – гравитационным, электрическим, магнитным – сильное взаимодействие обладает удивительным набором свойств. Переносчиками сильного взаимодействия считаются виртуальные мезоны. Опять виртуальные частицы! Вспомним, что «в квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. В этом смысле виртуальные частицы можно назвать воображаемыми».

      А если посмотреть на устойчивость ядра атома, с точки зрения нашего предположения? Существует одна любопытная возможность. Если в момент возникновения ядра атома, протоны и нейтроны потеряют часть своей кинетической энергии, например, в виде фотонов, то какой бы большой не была сила электрического отталкивания между протонами, разлететься в разные стороны они не смогут, так как силы электрического поля могут вызвать лишь перераспределение энергии между потенциальной и кинетической её формами. Добавить энергию электрическое поле не может. Эта энергия должна поступить извне. А до этого ядро атома устойчиво. В таком случае необходимость сильного взаимодействия вообще отпадает. Виртуальные мезоны соответственно тоже не нужны. Наше предположение хорошо согласуется с явлением дефекта массы. Как на дефект массы смотрит общепринятая теория?

     «Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Она равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом». (И.В.Савельев «Курс общей физики» том 3 стр.231 «Наука» 1979г.)

      Итак, при возникновении ядра разница в массах протонов и нейтронов до объединения и после, выделяется в энергию связи нуклонов друг с другом. Но эта энергия выделяется при образовании ядра и покидает его. Тогда получается, что энергия связи нуклонов в ядре атома отрицательна? Ещё один момент. Если ядерные силы короткодействующие, порядка 10^-13 см, то необходимо затратить работу, чтобы только чуть-чуть оторвать протон от ядра, тогда сильное взаимодействие перестанет действовать, и под действием кулоновского отталкивания одноимённых зарядов протон сам вылетит из ядра, причём с приличной энергией. И не надо тратить энергию на работу, «которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом».
      Протон надо только чуть оторвать от ядра, чтобы перестали действовать ядерные силы, и он сам вылетит из атома, а нейтрон? Его необходимо «транспортировать» и тратить энергию. А ведь считается, что энергия связи нуклонов в ядре каждого вида одинакова.
       Не логичнее ли предположить, что при объединении в ядро нуклоны теряют часть своей энергии в виде излучения, и пока они её не получат назад ядро устойчиво? Тогда понятие «энергия связи нуклонов» следует понимать не как «энергия связи», а как недостаток энергии нуклонов в ядре, по сравнению со «свободными» нуклонами. Ядерные силы, удерживающие своим притяжением нуклоны в ядре, вместе со своим удивительным набором свойств и особенностей, становятся ненужными.