adsby.ru → твори

Які особливості ядерних сил. Ядерні сили і їх властивості. Радіоактивний розпад. Закон радіоактивного перетворення

1.3.1 . Ядро будь-якого атома має складну структуру і складається з годину-тиц, званих нуклонами. Відомо два типи нуклонів - протони і нейтрони .
протони - нуклони масою 1 а.е.м. з позитивним зарядом, рівним одиниці, тобто елементарному заряду електрона.
нейтрони -електронейтральнінуклони масою 1 а.е.м.
*) Строго кажучи, маси спокою протонів і нейтронів кілька від-личать: m р = 1.6726. 10 -24 г, А m n = 1.67439. 10 -24 г. Про це відмінності мова попереду.

1.3.2. Так як маса ядра практичнодорівнює A, заряд ядра - z, а маси протона і нейтрона практично рівні,при таких уявленнях слід прийняти як належне, що ядро електронейтральних стійкого атома складається з z протонів і ( A - z ) Нейтронів.Отже, атом-ний номер елемента - є не що інше як протонний заряд ядра атома, виражений в елементарних зарядах електрона.Іншими словами, z - це число протонів в ядрі атома.

1.3.3 . Наявність в ядрі протонів (часток з електричним зарядом од-ного знака) внаслідок кулонівських сил відштовхування між ними мало б привести до розльоту нуклонів. У реальності цього не відбувається. Існування в природі безлічі стійких ядер призводить до висновку про існування між нуклонами ядра більш потужних, ніж кулонови, ядерних сил тяжіння, які, долаючи кулоновское відштовхування протонів, стягують нуклони в стійку структуру - ядро.

1.3.4. Розміри ядер атомів, визначені за формулою (1.4), є величини порядку 10 -13 см. Звідси перша властивість ядерних сил (в отли-чие від кулонових, гравітаційних та інших) - короткодіючого: ядерні сили діють тільки на малих відстанях, порівнянних по порядку величини з розмірами самих нуклонів.
Навіть не знаючи точно, що за матеріальне утворення є протон або нейтрон, можна оцінити їх ефективнірозміри як ді-діаметром сфери, на поверхні якої ядерне тяжіння двох сусідніх протонів врівноважується їх кулоновским відвернути. Експерименти на прискорювачах з розсіювання ядрами електронів дозволили оце-нить ефективний радіус нуклона R н ≈ 1.21. 10 -13 см.

1.3.5 . З короткодіючого ядерних сил випливає друге їхнє свойс-тво, коротко іменоване насиченням . Це означає, що будь-який нуклон ядра взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з обмеженим числом нуклонів, що є його безпосередніми сусідами.

1.3.6. Третя властивість ядерних сил - їх равнодействие. Оскільки передбачається, що сили взаємодії між нуклонами обох видів є силами однієї природи, то тим самим підтверджується, що на рівних відстанях по-рядка 10 -13 см два протона, два нейтрона або протон з нейтроном взаємо-діють однаково.

1.3.7. Протон у вільному стані (Тобто поза атомних ядер ) стабільний . Нейтрон у вільному стані тривалий час існувати не мо-же: він зазнає розпад на протон, електрон і антинейтриноз пери-одом напіврозпаду T 1/2 = 11.2 хв. за схемою:
o n 1 → 1 p 1 + - 1 e + n
*) Антинейтрино (n) - електронейтральна частинка матерії з нульовою масою спокою.

1.3.8. Отже, будь-який ядро вважається повністю индивидуализирован-ним, якщо відомі дві його основні характеристики - число протонів z і масове число A, оскільки різниця (A - z) визначає число нейтро-нів в ядрі. Індивідуалізовані ядра атомів прийнято в загальному випадку називати нуклідами.
Серед безлічі нуклідів (а їх в даний час відомо більше 2000 - природних і штучних) є такі, у яких одна з двох згаданих характеристик однакова, а інша - відрізняється за величиною.
Нукліди з однаковим z (числом протонів) називають ізотопами. Пос-кольку атомний номер визначає відповідно до Періодичним Зак-ном Д. І. Менделєєва індивідуальність тільки хімічнихвластивостей атома елемента, про ізотопи завжди говорять з посиланням на відповід-ющий хімічний елемент в Періодичної Системі.
Наприклад, 233 U, 234 U, 235 U, 236 U, 238 U, 239 U - все це ізотопи урану, який в Періодичної Системі елементів має порядковий номер z = 92.
ізотопи будь-якого хімічного елемента , Як бачимо , мають рівне чис-ло протонів, але різні числа нейтронів.

Нукліди рівної маси ( A ), але з різними зарядами z називають изобарами . Ізобари, на відміну від ізотопів, - нукліди різних хі-чеських елементів.
приклади. 11 В 5 і 11 С 4 - ізобари нуклідів бору і вуглецю; 7 Li 3 і 7 Ве 4 - ізобари нуклідів літію та берилію; 135 J 53, 135 Xe 54 і 135 Cs 55 - також є изобарами йоду, ксенону і цезію відповідно.

1.3.9 . З формули (1.4) можна оцінити щільність нуклонів в отруту-рах і масову щільність ядерної речовини. Вважаючи ядро сферою з ради-вусом R і з кількістю нуклонів в її обсязі, що дорівнює A, число нуклонів в одиниці об'єму ядра знайдемо як:
N н = A / V я = 3А / 4pR 3 = 3А / 4p (1.21. 10 -13 A 1/3) 3 = 1.348. 10 38 нукл / см 3,
а, так як маса одного нуклона дорівнює 1 а.е.м. = 1.66056. 10 -24 г, То щільність ядерної речовини знайдеться як:
γ яв = Nm н = 1.348. 10 38 .1.66056. 10 -24 ≈ 2.238. 10 14 г / см 3.= 223 800 000 т / см 3
Порядок наведеного розрахунку свідчить про те, що щільність ядерної речовини однакова в ядрах всіх хімічних елементів.
Обсяг. припадає на 1 нуклон в ядрі, V я/ A = 1 / N = 1 / 1.348. 10 38 = 7.421. 10 -39 см 3
- також однаковий для всіх ядер,тому середня відстань між центрами сусідніх нуклонів в будь-якому ядрі (яке можна умовно назвати середнім діаметром нуклона) дорівнюватиме
D н = (V я) 1/3 = (7.421. 10 -39) 1/3 = 1.951. 10 -13 см .

1.3.10. Про щільності розташування протонів і нейтронів в ядрі ато-ма до теперішнього часу мало що відомо. Оскільки протони, в отли-чие від нейтронів, схильні до дії не тільки ядерного і гравітації-ційного тяжіння, але і кулонівського відштовхування, можна припустити, що протонний заряд ядра більш-менш рівномірно розподілений по його поверхні.

В кінці навчання багато старшокласників, їх батьки і тисячі молодих фахівців коштують перед складним вибором - вибором вищого навчального закладу (ВНЗ). Зорієнтуватися і не розгубитися в різноманітті університетів, інститутів і факультетів досить складно. Читайте відгуки про ВНЗ, залишені студентами, викладачами, випускниками, перед тим як отримати. Правильний вибір навчального закладу - запорука успіху в майбутній кар'єрі!

1. Ядерні сили великі за абсолютною величиною. Вони відносяться до найсильнішим з усіх відомих взаємодій в природі.

До сих пір нам було відомо чотири види взаємодії:

а) сильні (ядерні) взаємодії;

б) електромагнітні взаємодії;

в) слабкі взаємодії, особливо ясно простежуються в частинок, що не виявляються в сильних і електромагнітних взаємодіях (нейтрино);

г) гравітаційні взаємодії.

Для прикладу досить сказати, що обумовлена ядерними силами енергія зв'язку найпростішого ядра - дейтрона - дорівнює 2,26 МеВ, в той час як обумовлена електромагнітними силами енергія зв'язку найпростішого атома - водню - дорівнює 13,6 ев.

2. ядерні силимають властивість тяжіння на відстанях в області 10 -13 см, правда, на значно менших відстанях переходять в сили відштовхування. Це властивість пояснюють наявністю у ядерних сил відразливою серцевини. Воно було виявлено при аналізі протон- протонного розсіяння при високих енергіях. Властивість тяжіння ядерних сил випливає з одного існування атомних ядер.

3. ядерні силиє короткодіючими. Радіус їх дії має порядок 10 -13 см. Властивість короткодіючого було виведено з порівняння енергій зв'язку дейтрона і α-частинки. Однак, воно випливає вже з дослідів Резерфорда по розсіюванню α-частинок ядрами, де оцінка радіуса ядра ~ 10 -12 см.

4. Ядерні сили носять обмінний характер. Обмін є істотно квантовим властивістю, завдяки якому нуклони при зіткненні можуть передавати один одному свої заряди, спини і навіть координати. Існування обмінних сил прямо випливає з дослідів з розсіювання протонів високих енергій на протонах, коли в зворотному потоці розсіяних протонів виявляються інші частинки - нейтрони.

5. Ядерне взаємодія залежить не тільки від відстані, але і від взаємної орієнтації спінів взаємодіючих частинок, А також від орієнтації спінів щодо осі, що з'єднує частинки. Ця залежність ядерних сил від спина випливає з дослідів з розсіювання повільних нейтронів на орто і параводорода.

Існування такої залежності слід також з наявності квадрупольного моменту, отже, ядерне взаємодія є не центральним, а тензорним, тобто воно залежить від взаємної орієнтації сумарного спина і проекції спина. Наприклад, при орієнтації спінів n і p енергія зв'язку дейтрона 2.23 МеВ.

6. З властивостей дзеркальних ядер (дзеркальними називаються ядра у яких нейтрони замінені протонами, а протони нейтронами) слід, що сили взаємодії між (р, р), (n, n) або (n, р) однакові. Тобто існує властивість зарядовим симетрії ядерних сил. Це властивість ядерних сил носить фундаментальний характер і вказує на глибоку симетрію, який існує між двома частинками: протоном і нейтроном. Воно отримало назву зарядовим незалежності (або симетрії) або ізотопічний інваріантностіі дозволило розглядати протон і нейтрон як два стани однієї і тієї ж частинки - нуклона. Ізотопічний спин був введений вперше Гейзенбергом чисто формально і прийнято вважати, що він дорівнює Т = -1 / 2 - коли нуклон знаходиться в стані нейтрона, і Т = + 1/2 коли нуклон знаходиться в стані протона. Припустимо, що існує якийсь тривимірний простір, назване ізотопічним, що не має відношення до звичайного Декартових простору, при цьому кожна частка знаходиться на початку координат цього простору, де вона не може рухатися поступально, а тільки обертається і має відповідно в цьому просторі власний момент кількості руху (спін). Протон і нейтрон є частку по-різному орієнтовану в ізотопічному просторіі нейтрон переходить в протон при повороті на 180 градусів. Ізотопічна инвариантность означає, що взаємодія в будь-яких двох парах нуклонів однаково, якщо ці пари перебувають в однакових станах, тобто ядерна взаємодія інваріантної щодо поворотів в ізотопічному просторі. Дана властивість ядерних сил носить назву ізотопічний інваріантності.

7.Ядерні сили мають властивість насичення. Властивість насичення ядерних сил проявляється в тому, що енергія зв'язку ядра пропорційна числу нуклонів в ядрі - А, а не А 2, тобто кожна частка в ядрі взаємодіє не з усіма оточуючими нуклонами, а тільки з обмеженим їх числом. Зазначена особливість ядерних сил слід також і з стабільності легких ядер. Не можна, наприклад, додавати до дейтроні все нові і нові частинки, відома тільки одна такакомбінація з додатковим нейтроном - тритій. Протон, таким чином, може утворювати пов'язані стану не більше ніж з двома нейтронами

8. Ще в 1935 р. японський фізик Юкава, розвиваючи ідеї Тамма, припустив, що повинні існувати якісь інші частинки, відповідальні за ядерні сили. Юкава прийшов до висновку, що повинно існувати поле іншого типу, подібну до електромагнітним, але має іншу природу, яка передбачила існування частинок, проміжної маси, тобто мезонів, пізніше відкритих експериментально.

Однак, мезони теорія до теперішнього часу не змогла задовільно пояснити ядерна взаємодія. Мезони теорія припускає існування потрійних сил, тобто діючих між трьома тілами і звертаються в нуль при видаленні одного з них в нескінченність. Радіус дії цих сил вдвічі менше радіуса дії звичайних парних сил.

На даному етапі мезони теорія не все може пояснити, і тому ми розглянемо

1. феноменологічний підбір потенціалу, що відповідає вище перерахованим властивістю ядерних сил - це перший підхід і залишається другий підхід.

2. зведення ядерних сил до властивостей мезонного поля.

В даному випадку будемо розглядати елементарну теорію дейтрона по першому шляху.

Ядерне взаємодія свідчить про те, що в ядрах існують особливі ядерні сили , Що не зводяться до жодного з типів сил, відомих в класичній фізиці (гравітаційних і електромагнітних).

ядерні сили є короткодіючимисилами. Вони проявляються лише на вельми малих відстанях між нуклонами в ядрі близько 10 -15 м. Довжина (1,5 - 2,2) · 10 -15 м називається радіусом дії ядерних сил.

Ядерні сили виявляють зарядову незалежність : Тяжіння між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів - протонного або нейтронного. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв'язку дзеркальних ядер . Так називаються ядра,в яких однаково загальне число нуклонів,але число протонів в одному дорівнює числу нейтронів іншому. Наприклад, ядра гелію і важкого водню - тритію. Енергії зв'язку цих ядер складають 7,72 МеВ і 8,49 МеВ.

Різниця енергій зв'язку ядер, що дорівнює 0,77 МеВ, відповідає енергії кулонівського відштовхування двох протонів в ядрі. Вважаючи цю величину рівної, можна знайти, що середня відстань rміж протонами в ядрі дорівнює 1,9 · 10 -15 м, що узгоджується з величиною радіуса ядерних сил.

Ядерні сили мають властивість насичення , яке проявляється в тому, що нуклон в ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих до нього сусідніх нуклонів. Саме тому спостерігається лінійна залежність енергій зв'язку ядер від їх масових чисел A. Практично повне насичення ядерних сил досягається у α-частинки, яка є дуже стійким утворенням.

Ядерні сили залежать від орієнтації спініввзаємодіючих нуклонів. Це підтверджується різним характером розсіювання нейтронів молекулами орто- і параводорода. У молекулі ортоводорода спини обох протонів паралельні один одному, а в молекулі параводорода вони антіпараллельни. Досліди показали, що розсіяння нейтронів на параводорода в 30 разів перевищує розсіювання на ортоводорода. Ядерні сили не є центральними.

Отже, перерахуємо загальні властивості ядерних сил :

· Малий радіус дії ядерних сил ( R~ 1 Фм);

· Велика величина ядерного потенціалу U~ 50 МеВ;

· Залежність ядерних сил від спинив взаємодіючих частинок;

· Тензорний характер взаємодії нуклонів;

· Ядерні сили залежать від взаємної орієнтації спинового і орбітального моментів нуклона (спін-орбітальні сили);

· Ядерна взаємодія має властивість насичення;

· Зарядова незалежність ядерних сил;

· Обмінний характер ядерного взаємодії;

· Тяжіння між нуклонами на великих відстанях ( r> 1 Фм), змінюється відштовхуванням на малих ( r < 0,5 Фм).

в заімодействіе між нуклонами виникає в результаті випускання і поглинання квантів ядерного поля – π- мезонів . Вони визначають ядерне поле за аналогією з електромагнітним полем, яке виникає як наслідок обміну фотонами. Взаємодія між нуклонами, що виникає в результаті обміну квантами маси m, Призводить до появи потенціалу Uя ( r):

Для перегляду демонстрацій, натисність відповідну гіперпосиланням:

У фізиці поняттям «сила» позначають міру взаємодії матеріальних утворень між собою, включаючи взаємодії частин речовини (макроскопічних тіл, елементарних частинок) один з одним і з фізичними полями (електромагнітним, гравітаційним). Всього відомо чотири типи взаємодії в природі: сильне, слабке, електромагнітне і гравітаційне, і кожному відповідає свій вид сил. Першому з них відповідають ядерні сили, що діють всередині атомних ядер.

Що об'єднує ядра?

Загальновідомо, що ядро атома є крихітним, його розмір на чотири-п'ять десяткових порядків менше розміру самого атома. У зв'язку з цим виникає очевидне запитання: чому воно настільки мало? Адже атоми, що складаються з крихітних часток, все ж набагато більше, ніж частинки, які вони містять.

Навпаки, ядра не сильно відрізняються за розміром від нуклонів (протонів і нейтронів), з яких вони зроблені. Чи є причина цього або це випадковість?

Тим часом, відомо, що саме електричні сили утримують негативно заряджені електрони поблизу атомних ядер. Яка ж сила або сили утримують частинки ядра разом? Це завдання виконують ядерні сили, що є мірою сильних взаємодій.

Сильне ядерна взаємодія

Якби в природі були тільки гравітаційні і електричні сили, тобто ті, з якими ми стикаємося в повсякденному житті, то атомні ядра, що складаються найчастіше з безлічі позитивно заряджених протонів, були б нестабільні: електричні сили, що штовхають протони один від одного будуть у багато мільйонів разів сильніше, ніж будь-які гравітаційні сили, що притягають їх один до одному. Ядерні сили забезпечують притягання ще більш сильне, ніж електричне відштовхування, хоча лише тінь їх істинної величини проявляється в структурі ядра. Коли ми вивчаємо будову самих протонів і нейтронів, то бачимо справжні можливості того явища, яке відоме як сильне ядерне взаємодія. Ядерні сили є його прояв.

На малюнку вище показано, що двома протилежними силами в ядрі є електричне відштовхування між позитивно зарядженими протонами і сила ядерного взаємодії, яка притягує протони (і нейтрони) разом. Якщо число протонів і нейтронів не надто відрізняється, то другі сили перевершують перші.

Протони - аналоги атомів, а ядра - аналоги молекул?

Між якими частками діють ядерні сили? Перш за все між нуклонами (протонами і нейтронами) в ядрі. Врешті-решт вони діють і між частинками (кварками, глюонами, антикварки) всередині протона або нейтрона. Це не дивно, коли ми визнаємо, що протони і нейтрони є внутрішньо складними.

В атомі крихітні ядра і ще більш дрібні електрони перебувають відносно далеко один від одного в порівнянні з їх розмірами, а електричні сили, які утримують їх в атомі, діють досить просто. Але в молекулах відстань між атомами порівняно з розмірами атомів, так що внутрішня складність останніх вступає в гру. Різноманітна і складна ситуація, викликана частковою компенсацією внутрішньоатомних електричних сил, породжує процеси, в яких електрони можуть насправді перейти від одного атома до іншого. Це робить фізику молекул набагато багатше і складніше, ніж у атомів. Аналогічним чином і відстань між протонами і нейтронами в ядрі можна порівняти з їх розмірами - і також, як і з молекулами, властивості ядерних сил, що утримують ядра разом, набагато складніше, ніж просте тяжіння протонів і нейтронів.

Немає ядра без нейтрона, крім як у водню

Відомо, що ядра деяких хімічних елементів стабільні, а у інших вони безперервно розпадаються, причому діапазон швидкостей цього розпаду досить широкий. Чому ж припиняють свою дію сили, які утримують нуклони в ядрах? Давайте подивимося, що ми можемо дізнатися з простих міркувань про те, які є властивості ядерних сил.

Одне з них те, що всі ядра, за винятком найбільш поширеного ізотопу водню (який має лише один протон), містять нейтрони; тобто немає ядра з декількома протонами, які не містять нейтронів (див. рис. нижче). Отже, ясно, що нейтрони грають важливу роль в наданні допомоги протонам триматися разом.

На рис. вище показані легкі стабільні або майже стійкі ядра разом з нейтроном. Останній, як і тритій, показані пунктиром, що вказує, що вони в кінцевому підсумку розпадаються. Інші комбінації з малим числом протонів і нейтронів не утворюють ядра зовсім, або утворюють надзвичайно нестабільні ядра. Крім того, показані курсивом альтернативні назви, часто даються деяким з цих об'єктів; Наприклад, ядро гелію-4 часто називають α-частинкою, назва, яку дала, коли воно було спочатку виявлено в перших дослідженнях радіоактивності в 1890 роках.

Нейтрони в ролі пастухів протонів

Навпаки, немає ядра, зробленого тільки з нейтронів без протонів; більшість легких ядер, таких як кисню і кремнію, мають приблизно те ж саме число нейтронів і протонів (малюнок 2). Великі ядра з великими масами, як у золота і радію, мають дещо більше нейтронів, ніж протонів.

Це говорить про дві речі:

1. Не тільки нейтрони необхідні, щоб протони трималися разом, але і протони потрібні, щоб утримати нейтрони теж разом.

2. Якщо кількість протонів і нейтронів стає дуже великим, то електричне відштовхування протонів має бути скомпенсировано додаванням кількох додаткових нейтронів.

Останнє твердження проілюстровано на малюнку нижче.

На малюнку вище показані стабільні і майже стійкі атомні ядра як функція P (числа протонів) і N (числа нейтронів). Лінія, показана чорними точками позначає стабільні ядра. Будь-яке зміщення від чорної лінії вгору або вниз означає зменшення життя ядер - поблизу неї термін життя ядер складає мільйони років або більше, в міру віддалення всередину синьою, коричневою або жовтою областей (різні кольори відповідає різним механізмам ядерного розпаду) час їх життя стає все коротшим, аж до часток секунди.

Зверніть увагу, що стабільні ядра мають P і N, приблизно рівні для малих P і N, але N поступово стає більше, ніж P більше ніж у півтора рази. Відзначимо також, що група стабільних і довгоживучих нестабільних ядер залишається в досить вузькій смузі для всіх значень P аж до 82. При більшому їх числі відомі ядра в принципі є нестабільними (хоча і можуть існувати мільйони років). Мабуть, зазначений вище механізм стабілізації протонів в ядрах за рахунок додавання до них нейтронів в цій області не має стовідсоткової ефективності.

Як розмір атома залежить від маси його електронів

Як же впливають розглядаються сили на будову атомного ядра? Ядерні сили впливають насамперед на його розмір. Чому ж все-таки ядра так малі в порівнянні з атомами? Щоб з'ясувати це, давайте почнемо з найпростішого ядра, яке має як протон, так і нейтрон: це другий найбільш поширеною ізотоп водню, атом якого містить один електрон (як і всі ізотопи водню) і ядро з одного протона і одного нейтрона. Цей ізотоп часто називають "дейтерій", а його ядро (див. Рисунок 2) іноді називають "дейтрон." Як ми можемо пояснити, що тримає дейтрон разом? Ну, можна уявити собі, що він не так вже відрізняється від атома звичайного водню, який також містить дві частки (протон і електрон).

На рис. вище показано, що в атомі водню ядро і електрон дуже далекі один від одного, в тому сенсі, що атом набагато більше, ніж ядро (а електрон ще менше.) Але в дейтроні відстань між протоном і нейтроном порівняно з їх розмірами. Це почасти пояснює, чому ядерні сили є набагато складнішими, ніж сили в атомі.

Відомо, що електрони мають невелику масу в порівнянні з протонами і нейтронами. Звідси слідує що

маса атома, по суті близька до маси його ядра,
розмір атома (по суті розмір електронного хмари) обернено пропорційний масі електронів і обернено пропорційний загальної електромагнітної силі; принцип невизначеності квантової механіки грає вирішальну роль.

А якщо ядерні сили аналогічні електромагнітним

Що ж з дейтроні? Він так само, як і атом, зроблений з двох об'єктів, але вони майже однаковою маси (маси нейтрона і протона відрізняються лише частини приблизно на одну 1500-у частину), так що обидві частки в рівній мірі важливі у визначенні маси дейтрона і його розміру . Тепер припустимо, що ядерна сила тягне протон до нейтрону так само, як електромагнітні сили (це не зовсім так, але уявіть собі, на мить); а потім, по аналогії з воднем, ми очікуємо, розмір дейтрона обернено пропорційним масі протона або нейтрона, і обернено пропорційним величині ядерної силі. Якщо її величина була такою ж (на певній відстані), як у електромагнітної сили, то це буде означати, що так як протон приблизно в 1850 разів важче електрон, то дейтрон (і дійсно будь-ядро) має бути принаймні в тисячу разів менше , ніж у водню.

Що дає облік суттєвої різниці ядерних і електромагнітних сил

Але ми вже здогадалися, що ядерна сила набагато більше електромагнітної (на тій же відстані), тому що, якщо це не так, вона була б не в змозі запобігти електромагнітне відштовхування між протонами аж до розпаду ядра. Так що протон і нейтрон під її дією зближуються разом ще більш щільно. І тому не дивно, що дейтрон і інші ядер не просто в одну тисячу, але в сто тисяч разів менше, ніж атоми! Знову ж таки, це тільки тому, що

протони і нейтрони майже в 2000 разів важче, ніж електрони,
на цих відстанях, велика ядерна сила між протонами і нейтронами в ядрі у багато разів більше, ніж відповідні електромагнітні сили (в тому числі електромагнітного відштовхування між протонами в ядрі.)

Ця наївна здогад дає приблизно правильну відповідь! Але це не повністю відображає складність взаємодії між протоном і нейтроном. Одна з очевидних проблем полягає в тому, що сила, подібна електромагнітної, але з більшою притягує або відразливою здатністю, повинна очевидно проявлятися в повсякденному житті, але ми не спостерігаємо нічого подібного. Так що, щось в цій силі повинно відрізнятися від електричних сил.

Короткий діапазон ядерної сили

Що їх відрізняє, так це те, що утримують від розпаду атомне ядро ядерні сили є дуже важливими і великими для протонів і нейтронів, що знаходяться на дуже короткій відстані один від одного, але на певній відстані (так званому "діапазоні" сили), вони падають дуже швидко, набагато швидше, ніж електромагнітні. Діапазон, виявляється, може також бути розміром з помірно велике ядро, тільки в кілька разів більше, ніж протон. Якщо помістити протон і нейтрон на відстані, порівнянному з цим діапазоном, вони будуть притягатися один до одного і утворюють дейтон; якщо їх рознести на більшу відстань, вони навряд чи будуть відчувати якесь тяжіння взагалі. Насправді, якщо їх помістити занадто близько один до одного, так, що вони почнуть перекриватися, то вони будуть насправді відштовхуються одна від одної. В цьому і проявляється складність такого поняття, як ядерні сили. Фізика продовжує безперервно розвиватися в напрямку пояснення механізму їх дії.

Фізичний механізм ядерного взаємодії

У всякого матеріального процесу, включаючи і взаємодія між нуклонами, повинні бути матеріальні же переносники. Ними є кванти ядерного поля - пі-мезони (піони), через обмін якими і виникає тяжіння між нуклонами.

Згідно з принципами квантової механіки, пі-мезони, раз у раз з'являючись і тут же зникаючи, утворюють навколо «голого» нуклона щось на зразок хмари, званого мезонів шубою (згадайте про електронні хмарах в атомах). Коли два нуклона, оточені такими шубами, виявляються на відстані близько 10 -15 м, відбувається обмін півоніями подібно обміну валентними електронами в атомах при утворенні молекул, і між нуклонами виникає тяжіння.

Якщо ж відстані між нуклонами стають менше 0,7 ∙ 10 -15 м, то вони починають обмінюватися новими частинками - т.зв.. ω і ρ-мезонами, внаслідок чого між нуклонами виникає не тяжіння, а відштовхування.

Ядерні сили: будова ядра від найпростішого до більшого

Резюмуючи все вищесказане, можна відзначити:

сильне ядерне взаємодія набагато, набагато слабкіше, ніж електромагнетизм на відстанях, значно більших, ніж розмір типового ядра, так що ми не стикаємося з ним в повсякденному житті; але
на коротких відстанях, порівнянних з ядром, воно стає набагато сильніше - сила тяжіння (за умови, що відстань не надто короткий), здатна подолати електричне відштовхування між протонами.

Отже, ця сила має значення тільки на відстанях, порівнянних з розмірами ядра. На малюнку нижче показаний вид її залежності від відстані між нуклонами.

Великі ядра утримуються разом за допомогою більш-менш тієї ж сили, що тримає дейтрон разом, але деталі процесу ускладнюються, так що їх непросто описати. Вони також не в повній мірі зрозумілі. Хоча основні обриси фізики ядра були добре вивчені протягом десятиліть, багато важливі деталі все ще активно досліджуються.