Astronet > Yadernye sily

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Na saite

Astrometriya

Astronomicheskie instrumenty

Astronomicheskoe obrazovanie

Astrofizika

Istoriya astronomii

Kosmonavtika, issledovanie kosmosa

Lyubitel'skaya astronomiya

Planety i Solnechnaya sistema

Solnce

Yadernye sily

- sily, deistvuyushie mezhdu nuklonami, predstavlyayut soboi proyavlenie sil'nogo vzaimodeistviya - odnogo iz fundamental'nyh vzaimodeistvii elementarnyh chastic. Svedeniya o Ya.s. polucheny iz dannyh o rasseyanii nuklonov na nuklonah, a takzhe iz issledovanii sv-v atomnyh yader (svyazannyh sostoyanii nuklonov). Samo sushestvovanie atomnyh yader zastavlyaet predpolozhit', chto v Ya.s. imeetsya sushestvennoe prityazhenie, kotoroe i obespechivaet energiyu svyazi nuklonov v yadrah poryadka nesk. MeV na nuklon. Krome togo, s uvelicheniem chisla nuklonov A v yadre energiya svyazi na nuklon ostaetsya primerno postoyannoi, a ob'em yadra rastet proporcional'no A. Pro sistemy s takimi sv-vami govoryat, chto v nih imeetsya nasyshenie sil, i potomu Ya.s. naz. nasyshayushimi. Oni privodyat k vozmozhnosti sushestvovaniya yadernoi materii (sm. Neitronnye zvezdy), plotnost' energii k-roi ne zavisit ot polnogo chisla nuklonov i sostavlyaet primerno 16 MeV na nuklon [esli prenebrech' el.-magn. (kulonovskim) i gravitac. vzaimodeistviyami]. Grubo mozhno predstavit' sebe, chto Ya.s. - eto prityazhenie tol'ko mezhdu nuklonami - blizhaishimi sosedyami, poetomu i energiya svyazi yadra proporcional'na chislu nuklonov v yadre.

Obychno predpolagayut, chto potencial Ya.s. v proizvol'noi sisteme unklonov mozhno svesti k summe potencialov parnyh sil, t.e. sil, deistvuyushih mezhdu paroi nuklonov (vliyaniem vseh ostal'nyh nuklonov na dannuyu paru prenebregayut). Hotya krome parnyh vzaimodeistvii nuklonov navernyaka sushestvuyut mnogochastichnye nuklonnye vzaimodeistviya, poslednie proyavlyayutsya znachitel'no slabee i ih poka nel'zya odnoznachno vydelit' v eksperimente. Poetomu pod Ya.s. obychno podrazumevayut parnye Ya.s.

Sovershenno inaya situaciya voznikaet v sisteme, gde preimushestvenno deistvuyut kulonovskie ili gravitac. sily. Iz-za togo, chto potencial etih sil ochen' medlenno spadaet s rasstoyaniem r mezhdu chasticami (kak 1/r), vo vzaimodeistvii s dannoi chasticei prinimayut uchastie ne tol'ko blizhaishie sosedi, no i vse chasticy sistemy. Poetomu energiya vzaimodeistviya rastet gorazdo 'ystree, chem chislo chastic, i nasysheniya sil ne voznikaet. Nenasyshennye sv-va gravitac. sil i yavl. prichinoi gravitacionnogo kollapsa massivnyh zvezd.

Ya.s. opisyvayut pri pomoshi potenciala, k-ryi yavl. funkciei rasstoyaniya r mezhdu nuklonami. V otlichie ot kulonovskogo i gravitac. potencialov, obratno proporcional'nyh rasstoyaniyu, yadernyi potencial zavisit ot r gorazdo slozhnee. Napr., na rasstoyanii 1 fermi (1 fermi=10^-13 sm) yadernoe prityazhenie maksimal'no i prevyshaet kulonovskoe vzaimodeistvie (potencial) v nesk. desyatkov raz, a gravitacionnoe - v 10³⁸ raz, odnako s uvelicheniem rasstoyaniya do r=6 fermi yadernoe prityazhenie ubyvaet v 200 raz, togda kak kulonovskoe i gravitacionnoe tol'ko v 6 raz.

Iz-za takogo razlichiya yadernyh, kulonovskih i gravitac. sil ih otnositel'nyi effekt zavisit ot polnogo chisla chastic v sisteme. V yadrah s $A\le 300$ gravitac. sily nesushestvenny, a kulonovskie sily ottalkivaniya proporcional'ny kvadratu chisla protonov (Z²) i umen'shayut polnuyu energiyu svyazi primerno na 25% dlya sr. i tyazhelyh yader ( $A\le 100, \;Z\sim A/2$ ). Kulonovskie sily privodyat takzhe k spontannomu deleniyu tyazhelyh yader, potomu chto summarnaya kulonovskaya energiya ottalkivaniya v yadrah - produktah deleniya - men'she, chem v ishodnom yadre. Eti zhe kulonovskie sily delayut nevozmozhnym sushestvovanie ravnovesnoi yadernoi materii s primerno odinakovym chislom protonov i neitronov, poskol'ku energiya svyazi za schet Ya.s. rastet kak A, a ottalkivanie za schet kulonovskih sil rastet kak Z² ~ A².

Neitronnaya yadernaya materiya v otsutstvie gravitac. sil ne mozhet sushestvovat', t.k., po teoretich. ocenkam, prityazheniya mezhdu neitronami chut'-chut' ne hvataet dlya obrazovaniya svyazannogo sostoyaniya. S rostom chisla nuklonov v sisteme, a sledovatel'no ee massy, gravitac. sily stanovyatsya vse bolee vazhnymi. Pri summarnoi masse nuklonov, sravnimoi s massoi neitronnoi zvezdy ( $\sim {\mathfrak M}_\odot$ ), gravitac. energiya prevyshaet 15% massy pokoya vseh nuklonov (v energeticheskom vyrazhenii); pri etom gravitac. sily sozdayut davlenie, neobhodimoe dlya sushestvovaniya neitronnoi materii v centre neitronnoi zvezdy.

Eshe odno svoistvo potenciala Ya.s. sostoit v tom, chto esli kulonovskii i gravitac. potencialy v nerelyativistskom priblizhenii zavisyat tol'ko ot zaryadov i mass chastic sootvetstvenno, to potencial Ya.s. zavisit ot gorazdo bol'shego chislaperemennyh. Opredelim eti peremennye. Nuklony obladayut spinom, zaryadom Q i dvizhutsya otnositel'no drug druga s orbital'nym momentom kolichestva dvizheniya L. Krome togo, za schet Ya.s. vozmozhen obmen zaryadom mezhdu protonami p i neitronami n. Kolichestvo razlichnyh chlenov v potenciale Ya.s. zavisit ot vseh kombinacii peremennyh, no umen'shaetsya za schet izotopicheskoi i vrashatel'noi invariantnosti potenciala Ya.s. Soglasno izotopicheskoi invariantnosti, sushestvuyut dva razlichnyh tipa yadernogo vzaimodeistviya: odno dlya simmetrichnyh po zaryadu sostoyanii pary nuklonov pp ili nn (emu sootvetstvuet t.n. izospin I=0). Soglasno vrashatel'noi invariantnosti, potecial Ya.s. zavisit ot orientacii spinov nuklonov otnositel'no drug druga i opredelennogo napravleniya v sisteme: spiny mogut byt' parallel'nymi ili antiparallel'nymi, sootvetstvenno summarnyi spin S raven edinice ili nulyu. Pri S=1 v potenciale ya.s. imeetsya zavisimost' ot orientacii spina otnositel'no napravleniya linii, soedinyayushei nuklony. Sootvetstvuyushii chlen v potenciale Ya.s. naz. potencialom tenzornyh sil. Krome togo, spin S=1 mozhet byt' po-raznomu orientirovan otnositel'no ploskosti orbity nuklonov. Chlen v potenciale, soderzhashii etu zavisimot', naz. potencialom spin-orbital'nyh sil. T.o., osn. sostavlyayushie chasti potenciala Ya.s. vklyuchayut chetyre tipa potenciala central'nyh sil (t.e. zavisyashih tol'ko ot r - rasstoyaniya mezhdu nuklonami, no ne ot napravleniya ih dvizheniya): dva po znacheniyu polnogo spina i dva po znacheniyu izospina. Imeyutsya takzhe dva tenzornyh potenciala (I=0,1) i dva spin-orbital'nyh (I=0,1). Krome togo, potencial Ya.s. mozhet zaviset' ot L² i ot P² - kvadrata impul'sa nuklonov.

Pryamoe eksperimental'noe opredelenie parnyh Ya.s. sostoit v opytah po rasseyaniyu nuklonov (protonov ili neitronov) na nuklonnoi misheni. Dlya opredeleniya zavisimosti Ya.s. ot orientacii spinov trebuyutsya opyty s polyarizovannymi nuklonami i polyarizovannymi mishenyami. Eti opyty vypolneny, i imeyutsya precizionnye dannye v intervale energii do 1000 MeV (v laboratornoi sisteme otscheta - sisteme koordinat, svyazannoi s pokoyashimsya nuklonom).

Na osnovanii eksperimental'nyh dannyh mozhno utverzhdat' sleduyushee.
1)Vse chleny v potenciale Ya.s. sravnimy po velichine. Glavnym ostaetsya potencial central'nyh sil; spin-orbital'nye i tenzornye sily okazyvayutsya men'she, no vsego v nesk. raz. Dlya sravneniya zametim, chto dlya kulonovskih sil v atome zavisyashaya ot spinov chast' potenciala sostavlyaet ok. 1% ot central'noi chasti (~ Q₁Q₂/r).

2)Ya.s. obladayut konechnym radiusom deistviya, poetomu ih nazyvayut korotkodeistvuyushimi po sravneniyu s kulonovskimi ili gravitacionnymi.

3)Na rasstoyanii 1-1,5 fermi central'naya chast' vzaimodeistviya yavlyaetsya prityagivayushei - glubina potenciala prityazheniya (potencial'noi yamy) 30-50 MeV; odnako po zakonam kvantovoi mehaniki energiya svyazannogo sostoyaniya okazyvaetsya gorazdo men'she (ona otlichaetsya ot glubiny yamy na sr. kinetich. energiyu, ravnuyu primerno $\hbar^2/mr^2_0$ , gde r₀ - shirina yamy prityazheniya, m - massa nuklona). Iz-za malogo radiusa deistviya Ya.s. (1,5-2 fermi) prityazhenie okazyvaetsya dostatochnym dlya vozniknoveniya tol'ko odnogo svyazannogo sostoyaniya protona i neitrona s parallel'nymi spinami (deitron) s energiei svyazi 2,2 MeV. Dva neitrona (ili dva protona) voobshe ne obrazuyut svyazannogo sostoyaniya. Dlya sravneniya ukazhem, chto v molekule vodoroda nad osn. sostoyaniem voznikaet celyi spektr vozbuzhdennyh kolebatel'nyh i vrashatel'nyh sostoyanii.

Zametim eshe, chto energiyu yader ili yadernoi materii nel'zya opredelit' kak energiyu svyazi pary (2,2 MeV), umnozhennuyu na polnoe chislo par ili chislo vozmozhnyh svyazei; pravil'nyi raschet gorazdo slozhnee i, napr., privodit k bol'shoi energii svyazi srednego po masse yadra, dazhe kogda energiya svyazi pary ravna nulyu.

4)Pri bol'shih energiyah nuklonov v eksperimentah po rasseyaniyu chastic (chto ekvivalentno malym rasstoyaniyam, r < 1 fermi) vse komponenty Ya.s. dayut sil'noe ottalkivanie ("kor", ot angl. core - serdcevina). Velichina potenciala Ya.s. na dostignutyh malyh rasstoyaniyah sostavlyaet ok. 1000 MeV=1 GeV. Nalichie kora okazyvaetsya reshayushim faktorom dlya nasysheniya Ya.s. Esli by velichina ottalkivayushei chasti potenciala v k'ore byla vsego v tri raza men'she, to nuklony mogli by kollapsirovat' na odin ili nesk. centrov i yadernoi materii v obychnom ponimanii ne sushestvovalo.

Shematicheskoe povedenie potenciala central'nyh sil V_r kak funkcii r pokazano na ris. Ono neskol'ko napominaet povedenie potenciala dvuh neitral'nyh atomov. V kachestve illyustracii privedem analiticheskuyu zavisimost' ot rasstoyaniya r dlya potenciala Rida, harakterizuyushego vzaimodeistvie dvuh neitronov v sostoyanii s orbital'nym momentom, ravnym nulyu:
$U_r=-10,463\cdot {e^x\over x} - 1650,6\cdot {e^{4x}\over x} + 6484,3\cdot {e^{7x}\over x}$ MeV ,
gde $x=\mu r$ i $\mu=0,7 \mbox{fermi}^{-1}$ . Imeyushiesya eksperimental'nye dannye svidetel'stvuyut o tom, chto nuklony vzaimodeistvuyut kak ves'ma slozhnye ob'ekty.

Teoreticheskaya interpretaciya eksperimentov po issledovaniyu Ya.s. oslozhnena tem, chto eshe ne sozdana posledovatel'naya teoriya sil'nyh vzaimodeistvii.

Razrabotka teorii Ya.s. byla nachata v 1935 g. yapon. fizikom H. Yukavoi, k-ryi predpolozhil, chto Ya.s. voznikayut za schet togo, chto nuklony obmenivayutsya $\pi$ -mezonom s massoi 140 MeV ( $\pi$ -mezon byl otkryt 10 let spustya). Takoi mehanizm ob'yasnyaet konechnyi radius deistviya Ya.s. (on okazyvaetsya ravnym ok. $\hbar/m_\pi c\approx 1,4$ fermi)i priblizitel'nuyu velichinu prityazheniya na bol'shih rasstoyaniyah (r > 1,5 fermi).

V techenie 60-h godov 20 v., kogda byli otkryty bolee tyazhelye mezony ( $\rho$ i $\omega$ ), ih takzhe vklyuchili v shemu obmena mezhdu nuklonami. Eto pozvolilo kachestvenno ob'yasnit' vozniknovenie spin-orbital'nyh sil i ottalkivatel'nogo kora.

Dlya ob'yasneniya prityazheniya nuzhnoi sily na rasstoyanii ok. 1 fermi vvodyatsya gipoteticheskie skalyarnye mezony. V nastoyashee vremya vmesto skalyarnyh mezonov vvoditsya obmen paroi skorrelirovannyh $\pi$ -mezonov.

Raschet energii svyazi yader ³H, ³He, ⁴He s ispol'zovaniem parnyh potencialov provoditsya teper' s tochnost'yu ok. 3%. Okazalos'Yu chto takoi raschet sistematicheski privodit k nedosvyazannosti yader (po sravneniyu s eksperimentom). Naprimer, dlya ³H i ³He raschet daet energiyu svyazi na 20% men'she eksperimental'noi velichiny, dlya ⁴He - na 30-40% men'she. Raschety sechenii reakcii v treh- chetyrehnuklonnyh sistemah v srednem luchshe soglasuyutsya s opytom v oblasti malyh energii (do 20 MeV).

Vse eto v sochetanii s trudnost'yu teoretich. ob'yasneniya velichiny kora zastavlyaet priznat' teoretich. kartinu Ya.s. ne vpolne udovletvoritel'noi. Voznishaya v poslednie gody kvark-glyuonnaya kartina stroeniya chastic, uchastvuyushih v sil'nyh vzaimodeistviyah (adronov), predstavlyaet nuklon kak sistemu iz treh valentnyh kvarkov, vzaimodeistvuyushih za schet obmena glyuonami i nahodyashihsya vnutri nekotorogo "puzyrya" (obychno nazyvaemogo kvarkovym meshkom), okruzhennogo davyashim na nego snaruzhi vakuumom. V takoi kartine Ya.s. na malyh rasstoyaniyah dominiruet mehanizm slipaniya dvuh nuklonnyh meshkov s obrazovaniemobshego shestikvarkovogo menka. Poetomu dva nuklona ne mogut byt' ryadom, na rasstoyanii, men'shem razmerov obshego meshka, chto pozvolyaet prosto i kolichestvenno tochno ob'yasnit' vozniknovenie ottalkivatel'nogo kora v Ya.s. (a takzhe i ryad dr. harakteristik Ya.s.). Nesomnenno, kvark-glyuonnaya kartina Ya.s. yavl. naibolee fundamental'noi, odnako v ee konkretnom osushestvlenii delayutsya tol'ko pervye shagi.

Lit.:
Blatt Dzh., Vaiskopf V., Teoreticheskaya yadernaya fizika, per. s angl., M., 1954; Bor O., Mottel'son B., Struktura atomnogo yadra, per. s angl., t. 1-2, M., 1971-77; Kalodzhero F., Simonov Yu.A., Yadernye sily, nasyshenie i struktura yader, v sb.: Budushee nauki, v. 9, M., 1976.

(Yu.A. Simonov)

Yu. A. Simonov, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

A | B | V | G | D | Z | I | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | E | Ya

Publikacii s klyuchevymi slovami: yadernye sily Publikacii so slovami: yadernye sily
Sm. takzhe: Yadernye sily

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati