ПРИРОДА ЯДЕРНЫХ СИЛ

ПРИРОДА ЯДЕРНЫХ СИЛ

Существование атомных ядер и их огромная прочность возможны лишь потому, что внутри любого ядра действуют ядерные силы. Так как ядра включают в себя одноименно заряженные частицы — протоны, сближенные до расстояний порядка 10^?13 см, то, казалось бы, они должны немедленно разрушаться под влиянием громадного электростатического отталкивания протонов друг от друга. Но мы знаем, что этого не происходит. Только очень тяжелые ядра, стоящие в конце Периодической системы Менделеева, оказываются неустойчивыми и это приводит к радиоактивному распаду. Что же придает прочность атомным ядрам?

Атомные ядра существуют только потому, что между всеми входящими в них частицами действуют могучие ядерные силы.

Исследование этих сил позволило выяснить их главные особенности. Эти силы, естественно, являются силами притяжения. Они обладают зарядовой независимостью, т. е. одинаково сильно притягивают любую пару частиц друг к другу — нейтрон к протону, протон к протону или нейтрон к нейтрону. Уже отсюда видно, что они не могут быть электромагнитными силами. Кроме того, ядерные силы — короткодействующие, они проявляются на расстояниях порядка диаметра одной ядерной частицы (~10^?13 см). Наконец, они обладают свойством насыщения, т. е. наиболее эффективно удерживают не любые, а строго определенные группы ядерных частиц, например, два протона и два нейтрона.

Современные представления о природе ядерных сил, объясняющие все их основные особенности, были созданы академиком Игорем Евгеньевичем Таммом в 1934 г. Он первый понял, что эти силы могут быть только обменными. В это время уже были созданы основные представления о квантовой природе электромагнитного поля, согласно которым взаимодействие двух заряженных частиц осуществляется посредством квантов, испускаемых и поглощаемых заряженными частицами. Таким образом, взаимодействие есть результат обмена промежуточными частицами, создающими электромагнитное поле.

Физическая сущность обменных сил хорошо видна из следующей грубой механической аналогии. Представьте себе груз, достаточно тяжелый, чтобы его не мог долго нести один человек, и такой, что вдвоем его нести очень неудобно. Для того чтобы перенести такой груз на большое расстояние, необходимы по крайней мере два человека. Они будут нести его, поочередно передавая друг другу. Передача груза делает возможным его перенос, но она же связывает обоих грузчиков, объединяет их.

Академик И. Е. Тамм предположил, что не только электромагнитные, но и ядерные силы носят квантовый характер и осуществляются путем переноса каких-то промежуточных частиц, квантов ядерного поля. Предположив, что нуклоны обмениваются электронами и при этом как бы меняются местами (нейтрон, испустив отрицательный электрон, становится протоном; протон, поглотив отрицательный электрон, становится нейтроном), И. Е. Тамм построил строгую математическую теорию ядерных сил. Однако оказалось, что величина этих сил на много порядков меньше их действительного значения.

Вскоре после этого японский физик Юкава доказал, что если масса обменной частицы будет примерно в 300 раз тяжелее электрона, то теория Тамма хорошо описывает все основные особенности ядерных сил. В дальнейшем физики обнаружили частицы, отвечающие за действие ядерных сил. Ими оказались ?-мезоны. Масса ?-мезонов и все их свойства находятся в точном соответствии с теорией Тамма-Юкавы.

И. Е. Тамм первым пришел к парадоксальному выводу о том, что у нейтронов должен быть собственный магнитный момент. В 1934 г, он совместно с С. А. Альтшулером не только теоретически предсказал существование магнитного момента у нейтрона, но и правильно оценил знак этого момента.