Ядерные силы

6. Ядерные силы

Хидэки Юкава
(1907 – 1981)

В квантовой физике взаимодействие между частицами передается с помощью частиц, которые называются переносчиками взаимодействий.

Какие силы связывают протоны и нейтроны в атомном ядре? Ответ на этот вопрос был дан Х. Юкава, который предсказал в 1935 г., что ядерное взаимодействие передаётся с помощью π-мезонов − квантов ядерного поля. π-мезон был обнаружен в 1947 г. в космических лучах. За предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам в 1949 г. Х. Юкава была присуждена Нобелевская премия по физике.

Нуклон-нуклонное взаимодействие можно описать в рамках концепции потенциала.
Радиальная зависимость NN-потенциала V(r) показана на рис. 4. Минимум потенциала при
r ≈ 0.8 Фм, глубина в этой точке − (70–80) МэВ. При r < 0.8 Фм потенциал возрастает. При r > 0.8 Фм отрицательный потенциал приближается с ростом r к нулю. Этот участок NN‑потенциала отвечает силам притяжения. Среднее расстояние между нуклонами в ядре около 2 Фм.

Рис. 4. Радиальная зависимость нуклон-нуклонного потенциала

    Взаимодействие между нуклонами имеет кварк-глюонную природу. На относительно больших расстояниях между адронами (≈1 Фм), т.к. цветные частицы не могут вылетать из адрона, взаимодействие адронов происходит в результате коллективного взаимодействия всех кварков и глюонов одного адрона со всеми кварками и глюонами другого. Переносчиками этого взаимодействия должны быть бесцветные адроны. Такой механизм взаимодействия реализуется только на расстояниях ~ 0.5–2 Фм.
    Нуклон-нуклонные взаимодействия описывают как обмен виртуальными мезонами. Мезоны бесцветны и состоят из кварк-антикварковых пар.
    Концепция мезонного обмена хорошо работает на сравнительно больших расстояниях ≈2 Фм, на которых можно не учитывать внутреннюю структуру мезонов и рассматривать их как точечные частицы.
    На рис. 5 показана диаграмма np-взаимодействия, осуществляемого однопионным обменом. Диаграмма этого же взаимодействия на кварковом уровне представлена на рис. 6. Обмен происходит парой кварков (q

), объединенных в пион.

Рис. 5. Однопионное np-взаимодействие

Диаграмма рис. 6 – простейшая из возможных диаграмм np‑взаимодействия. В него в данном случае вовлечены по одному валентному кварку каждого нуклона – d (нейтрон) и u (протон).
Используя связь между радиусом сил а и массой m переносчика взаимодействия

а = ћ/mc,

которая следует из соотношения неопределенностей для виртуальной частицы, получаем при характерном ядерном расстоянии а ≈ 1.5 Фм

Рис. 6. Кварковая диаграмма np-взаимодействия

Положительные, отрицательные и нейтральные пионы (π⁺, π⁰, π⁻) описывают взаимодействие между nn-, np-, pp-парами на характерных внутриядерных расстояниях 1.5–2.0 Фм.
На меньших расстояниях должен происходить обмен более тяжёлыми мезонами −
ω (m_ωc² = 782 МэВ), η (m_ηc² = 549 МэВ) и ρ (m_ρc² = 770 МэВ). Особую роль в этой области расстояний играет обмен ω‑мезоном. Характер взаимодействия зависит от спина частицы, переносящей взаимодействие. Обмен частицами со спином J = 1 приводит к отталкиванию между нуклонами. Это отталкивание является аналогом отталкивания двух одноимённых зарядов в электростатике. Обмен скалярными мезонами со спином J = 0 приводит к притяжению между нуклонами.

Рис. 7. Диаграммы N-N взаимодействий

Потенциал, создаваемый облаком испускаемых нуклоном мезонов, носит название потенциала Юкавы и имеет вид

где а = ћ/mc, а g_N - ядерный заряд нуклона. Такой радиальной зависимостью характеризуется форма межнуклонного потенциала на участке r > 0.8 Фм (рис. 4). Знак «минус» перед g_N означает притяжение одинаковых ядерных зарядов в отличие от одинаковых электрических. Радиальная зависимость юкавского потенциала переходит в радиальную зависимость кулоновского потенциала (1/r) при нулевой массе m переносчика взаимодействия.