Ядерные силы. 
Атомная и ядерная физика: радиоактивность и ионизирующие излучения

Нуклоны в ядре удерживаются ядериыми силами.

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в атомном ядре. Они действуют только на расстояниях порядка ю¹³ см и достигают величины в ЮО+ЮОО раз превышающей силу взаимодействия электрических зарядов. Ядерные силы не зависят от заряда нуклонов. Они обусловлены сильными взаимодействиями.

Сильное взаимодействие — самое сильное из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц. Б сильных взаимодействиях участвуют адроны. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное взаимодействие в — юо раз, его радиус действия чо¹³ см. Частный случай сильного взаимодействия — ядерные силы.

Адроны — элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (барионы и мезоны, включая все резонансы).

Основными свойствами ядерных сил являются: большая интенсивность (следует из большой величины энергии связи, рассчитанной на один Д1У нуклон ? = — = 8 МэВ); малый радиус действия (из размеров ядра); зарядовая независимость; насыщение (из пропорциональности энергии связи массовому числу); спиновая зависимость (из отличия в устойчивости чётно-чётных, нечётных и нечётно-нечётных ядер); тензорный (нецентральный) характер (из существования квадрупольного момента у дейтрона).

Ядерные силы действуют на коротких расстояниях, #<1,4 фм. Они «насыщенные» — отдельный нуклон взаимодействует только с ближайшими нуклонами. Эти силы — силы интенсивного притяжения, они соединяют нуклоны, образуя весьма плотную материю. Но они имеют и отталкивающие свойства. Поэтому на некотором расстоянии между нуклонами (о, 5 фм) притягивающий характер сил меняется на отталкивающий.

Простейшая связанная ядерная система — дейтрон — состоит из нейтрона и протона. Дейтрон имеет квадрупольный момент 0,286 барн, что указывает на то, что дейтрон не является идеально сферическим и силы взаимодействия между двумя нуклонами не являются сферически симметричными. Можно утверждать, что силы между двумя нуклонами имеют два компонента: сферически симметричную центральную силу и асимметричный тензор сил, зависящий от углов между спиновыми осями каждого нуклона и линией, соединяющей их.

Ядерные силы между двумя нуклонами зарядово независимы, т. е. сильное взаимодействие между двумя протонами или двумя нейтронами или нейтроном и протоном одинаковы (они различаются электромагнитными силами).

Анализ масс зеркальных ядер демонстрирует, что сильные (ядерные) силы между нейтроном и протоном одинаковы. Поэтому нейтрон и протон являются двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Для учёта этого явления вводится квантовое число для нуклона (или мезона), называемое изоспином (по аналогии с угловым моментом).

Табл. 4. Типы сил, действующие в природе.

Известные в настоящее время силы (табл. 3) ответственны за все взаимодействия во Вселенной.

• — Сильные взаимодействия ответственны за основной энергетический вклад в связь нуклонов внутри ядра. Радиус действия этих сил очень мал (примерно равен радиусу ядер) и практически отсутствует вне радиуса их действия.
• — Электромагнитные взаимодействия ответственны за энергетический вклад в связь заряженных частиц. Эти силы в сотни раз слабее сильных взаимодействий, но могут проявляться на достаточно больших расстояниях.
• — Слабые взаимодействия ответственны за энергетический вклад в связь элементарных частиц, составляющих нуклоны. В мире элементарных частиц слабые процессы протекают чрезвычайно медленно. Взаимодействия этого типа проявляются при самопроизвольном распаде нуклонов.
• — Гравитационные взаимодействия — слабые взаимодействия, ответственные за энергетический вклад в связь элементарных частиц, составляющих нуклоны. Взаимодействия этого типа проявляются при самопроизвольном распаде нуклонов.

Короткодействие ограничивает действие ядерных сил ближайшим окружением нуклона, в то время как медленно уменьшающееся с расстоянием электростатическое отталкивание протонов действует во всем объёме ядра. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому' большинство тяжёлых ядер радиоактивны. Конечное число элементов в природе — следствие короткодействия ядерных сил. Ядерные силы очень слабо зависят от того, взаимодействует ли протон с протоном, нейтрон с нейтроном или протон с нейтроном.

Два нуклона притягиваются друг к друту, потому что обмениваются между' собой частицей — пи-мезоном (пионом). Один нуклон испускает пимезон, другой его поглощает, а в результате нуклоны притягиваются друг к друту. Пионы примерно в 7 раз легче протонов и в 270 раз тяжелее электронов, т. е. обладают массой, промежуточной между массами протона и электрона; в связи с этим они и были названы мезонами (от греч. mesos — средний, промежуточный). Между радиусом действия ядерных сил и массой пиона Шр существует связь: m_psft/cr_n.

Таким образом, ядерные силы действуют между нуклонами однородно, протоны испытывают дополнительное кулоновское отталкивание, что может дестабилизировать обогащённые протонами ядра. Однако и ядра, обогащенные нейтронами, нестабильны.

Симметричные ядра с равным числом протонов и нейтронов предпочтительны (по крайней мере, для лёгких ядер). Наконец, ядерные силы зависят от выравнивания спинов нуклонов.