Какие силы удерживают нуклоны в ядре атома и какими свойствами они обладают
Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?
Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы. Какие же силы удерживают ядро атома?
И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.
Рис. 1: противодействующие силы в ядре атома – электрическое отталкивание протонов и остаточное сильное ядерное взаимодействие протонов и нейтронов
Остаточное сильное ядерное взаимодействие
Если бы в природе существовали только гравитационное и электрическое взаимодействие, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, ядра с множеством протонов просто разлетелись бы: электрические силы, расталкивающие протоны друг от друга, в миллион миллионов миллионов раз превосходили бы их гравитационное притяжение. Так что должна существовать другая сила, обеспечивающая притяжение, пересиливающее электрическое отталкивание. Эта сила – сильное ядерное взаимодействие – хотя в самом ядре можно наблюдать лишь тень её истинного величия. Изучив структуру самих протонов и нейтронов, мы поймём истинные возможности сильного ядерного взаимодействия. А в ядре мы встречаем лишь то, что часто называют «остаточным взаимодействием» – а я буду называть его «остаточное сильное ядерное взаимодействие». Иногда этот термин не используется – его просто называют сильным ядерным взаимодействием, но такое различие делать полезно.
Предупреждение: в итоге получается, что хотя в целом сильное ядерное взаимодействие – сила, действующая между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона – достаточно проста, в каком-то смысле, остаточное сильное ядерное взаимодействие является сложным остатком различных взаимно уничтожающихся эффектов, в связи с чем не существует простой картинки, описывающей всю физику ядра. И это не удивительно, учитывая внутреннюю сложность строения протонов и нейтронов. Тут можно провести некую аналогию между атомами и молекулами.
В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.
После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.
Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.
Схема работы
Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.
И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:
- Чтобы протоны держались вместе, необходимы нейтроны, а чтобы нейтроны держались вместе, необходимы протоны.
- Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, тогда электрическое отталкивание протонов нужно компенсировать добавлением нескольких дополнительных нейтронов.
Иллюстрация последнего утверждения представлена на рис. 3, где показаны стабильные (чёрный) и относительно долгоживущие, но нестабильные (цветные) ядра, в виде графика зависимости количества протонов Z от количества нейтронов N, содержащихся в них. Обратите внимание, что у стабильных ядер Z и N примерно равны при малых значениях, но N постепенно становится больше, чем Z, с их увеличением. Также обратите внимание, что полоса стабильных и долгоживущих ядер остаётся довольно узкой для всех значений Z. Несмотря на потрясающий прогресс ядерной физики за последние 80 лет не существует общепризнанного и простого объяснения этого примечательного факта. Я думаю, его считают странным совпадением.
Рис. 3
Размер ядра
Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.
Как мы видели в предыдущей статье, то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:
- Масса атома практически равна массе его ядра,
- Размер атома (размер электронного облака) обратно пропорционален массе электрона и обратно пропорционален силе электромагнитного взаимодействия; принцип неопределённости квантовой механики играет тут критическую роль.
Что насчёт дейтрона? Он сходным образом состоит из двух объектов, но почти равной массы (масса нейтрона и протона отличается всего на 1/1500, по причинам, которые мы поймём позже), поэтому оба они одинаково важны в определении массы и размера дейтрона. Допустим, у нас была бы новая сила, притягивающая протон к нейтрону, похожая на электромагнитную (на самом деле всё не так, но просто представьте): тогда, по аналогии с водородом, мы бы ожидали, что размер дейтрона будет обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорционален силе нового взаимодействия. Если бы это взаимодействие было таким же сильным, на определённом расстоянии, как электромагнетизм, это означало бы, что, поскольку протон примерно в 1850 раз тяжелее электрона, что дейтрон (и любое ядро) должно быть по меньшей мере в 1000 раз меньше водорода.
Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:
- Протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов,
- На таких расстояниях сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами ядра во много раз сильнее, чем соответствующие электромагнитные силы (включая электромагнитное отталкивание протонов в ядре).
Эта наивная догадка привела нас к почти правильному ответу! Но она не полностью описывает всю сложность взаимодействий между протоном и нейтроном в дейтерии. Одна очевидная проблема – сила, похожая на электромагнетизм, но большая по мощности, очевидно, повлияла бы на повседневную жизнь, а мы ничего такого не наблюдаем. Так что что-то у этого взаимодействия должно отличаться от электрического.
Рис. 4
Малое расстояния действия этой силы
Отличается то, что это остаточное сильное ядерное взаимодействие очень важное и мощное для протонов и нейтронов, расположенных совсем недалеко друг от друга, но на достаточно больших расстояниях (на дистанции действия силы) она начинает очень быстро уменьшаться, гораздо быстрее электромагнитной. Дистанция – по какому-то совпадению – оказывается равной размеру относительно большого ядра, всего в несколько раз больше протона. Если свести протон и нейтрон вместе, на расстояние, сравнимое с этой дистанцией, они притянутся друг к другу и сформируют дейтрон. Если оставить их на большем расстоянии, они вообще почти не почувствуют притяжения. А если свести их очень близко вместе, так, чтобы они накладывались друг на друга, они начнут отталкиваться; чёрт, я предупреждал вас, что остаточное сильное ядерное взаимодействие очень сложное! Короче говоря:
- Остаточное сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее электромагнетизма на расстояниях гораздо больших размера типичного ядра, так что мы не встречаем его в повседневной жизни.
- На коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее – это притяжение (на не слишком малых дистанциях) способно превзойти электрическое отталкивание других протонов.
Более крупные ядра удерживаются более-менее тем же взаимодействием, что удерживает дейтрон, но детали этого процесса сложные и технические, и их нелегко описать. Да их и не до конца ещё понимают. Хотя общие контуры физики ядра хорошо понимают уже много десятилетий, многие важные детали всё ещё исследуют.
Источник
В физике понятием «сила» обозначают меру взаимодействия материальных образований между собой, включая взаимодействия частей вещества (макроскопических тел, элементарных частиц) друг с другом и с физическими полями (электромагнитным, гравитационным). Всего известно четыре типа взаимодействия в природе: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное, и каждому соответствует свой вид сил. Первому из них отвечают ядерные силы, действующие внутри атомных ядер.
Что объединяет ядра?
Общеизвестно, что ядро атома является крошечным, его размер на четыре-пять десятичных порядков меньше размера самого атома. В связи с этим возникает очевидный вопрос: почему оно настолько мало? Ведь атомы, состоящие из крошечных частиц, все же гораздо больше, чем частицы, которые они содержат.
Напротив, ядра не сильно отличаются по размеру от нуклонов (протонов и нейтронов), из которых они сделаны. Есть ли причина этому или это случайность?
Между тем, известно, что именно электрические силы удерживают отрицательно заряженные электроны вблизи атомных ядер. Какая же сила или силы удерживают частицы ядра вместе? Эту задачу выполняют ядерные силы, являющиеся мерой сильных взаимодействий.
Сильное ядерное взаимодействие
Если бы в природе были только гравитационные и электрические силы, т.е. те, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, то атомные ядра, состоящие зачастую из множества положительно заряженных протонов, были бы нестабильны: электрические силы, толкающие протоны друг от друга будут во много миллионов раз сильнее, чем любые гравитационные силы, притягивающие их друг к другу. Ядерные силы обеспечивают притяжение еще более сильное, чем электрическое отталкивание, хотя лишь тень их истинной величины проявляется в структуре ядра. Когда мы изучаем строение самих протонов и нейтронов, то видим истинные возможности того явления, которое известно как сильное ядерное взаимодействие. Ядерные силы есть его проявление.
На рисунке выше показано, что двумя противоположными силами в ядре являются электрическое отталкивание между положительно заряженными протонами и сила ядерного взаимодействия, которая притягивает протоны (и нейтроны) вместе. Если число протонов и нейтронов не слишком отличается, то вторые силы превосходят первые.
Протоны – аналоги атомов, а ядра – аналоги молекул?
Между какими частицами действуют ядерные силы? Прежде всего между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре. В конце концов они действуют и между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона. Это неудивительно, когда мы признаем, что протоны и нейтроны являются внутренне сложными.
В атоме крошечные ядра и еще более мелкие электроны находятся относительно далеко друг от друга по сравнению с их размерами, а электрические силы, удерживающие их в атоме, действуют довольно просто. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размерами атомов, так что внутренняя сложность последних вступает в игру. Разнообразная и сложная ситуация, вызванная частичной компенсацией внутриатомных электрических сил, порождает процессы, в которых электроны могут на самом деле перейти от одного атома к другому. Это делает физику молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Аналогичным образом и расстояние между протонами и нейтронами в ядре сопоставимо с их размерами – и также, как и с молекулами, свойства ядерных сил, удерживающих ядра вместе, намного сложнее, чем простое притяжение протонов и нейтронов.
Нет ядра без нейтрона, кроме как у водорода
Известно, что ядра некоторых химических элементов стабильны, а у других они непрерывно распадаются, причем диапазон скоростей этого распада весьма широк. Почему же прекращают свое действие силы, удерживающие нуклоны в ядрах? Давайте посмотрим, что мы можем узнать из простых соображений о том, какие имеются свойства ядерных сил.
Одно из них то, что все ядра, за исключением наиболее распространенного изотопа водорода (который имеет только один протон), содержат нейтроны; то есть нет ядра с несколькими протонами, которые не содержат нейтронов (см. рис. ниже). Итак, ясно, что нейтроны играют важную роль в оказании помощи протонам держаться вместе.
На рис. выше показаны легкие стабильные или почти устойчивые ядра вместе с нейтроном. Последний, как и тритий, показаны пунктиром, указывающим, что они в конечном итоге распадаются. Другие комбинации с малым числом протонов и нейтронов не образуют ядра вовсе, либо образуют чрезвычайно нестабильные ядра. Кроме того, показаны курсивом альтернативные названия, часто даваемые некоторым из этих объектов; Например, ядро гелия-4 часто называют α-частицей, название, данное ему, когда оно было первоначально обнаружено в первых исследованиях радиоактивности в 1890 годах.
Нейтроны в роли пастухов протонов
Наоборот, нет ядра, сделанного только из нейтронов без протонов; большинство легких ядер, таких как кислорода и кремния, имеют примерно то же самое число нейтронов и протонов (рисунок 2). Большие ядра с большими массами, как у золота и радия, имеют несколько больше нейтронов, чем протонов.
Это говорит о двух вещах:
1. Не только нейтроны необходимы, чтобы протоны держались вместе, но и протоны нужны, чтобы удержать нейтроны тоже вместе.
2. Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, то электрическое отталкивание протонов должно быть скомпенсировано добавлением нескольких дополнительных нейтронов.
Последнее утверждение проиллюстрировано на рисунке ниже.
На рисунке выше показаны стабильные и почти устойчивые атомные ядра как функция P (числа протонов) и N (числа нейтронов). Линия, показанная черными точками обозначает стабильные ядра. Любое смещение от черной линии вверх или вниз означает уменьшение жизни ядер – вблизи нее срок жизни ядер составляет миллионы лет или более, по мере удаления внутрь синей, коричневой или желтой областей (разные цвета соответствует разным механизмам ядерного распада) время их жизни становится все короче, вплоть до долей секунды.
Обратите внимание, что стабильные ядра имеют P и N, примерно равные для малых P и N, но N постепенно становится больше, чем P более чем в полтора раза. Отметим также, что группа стабильных и долгоживущих нестабильных ядер остается в достаточно узкой полосе для всех значений P вплоть до 82. При большем их числе известные ядра в принципе являются нестабильными (хотя и могут существовать миллионы лет). По-видимому, отмеченный выше механизм стабилизации протонов в ядрах за счет добавления к ним нейтронов в этой области не имеет стопроцентной эффективности.
Как размер атома зависит от массы его электронов
Как же влияют рассматриваемые силы на строение атомного ядра? Ядерные силы влияют прежде всего на его размер. Почему же все-таки ядра так малы по сравнению с атомами? Чтобы выяснить это, давайте начнем с простейшего ядра, которое имеет как протон, так и нейтрон: это второй наиболее распространенной изотоп водорода, атом которого содержит один электрон (как и все изотопы водорода) и ядро из одного протона и одного нейтрона. Этот изотоп часто называют “дейтерий”, а его ядро (см. рисунок 2) иногда называют “дейтрон.” Как мы можем объяснить, что держит дейтрон вместе? Ну, можно представить себе, что он не так уж отличается от атома обычного водорода, который также содержит две частицы (протон и электрон).
На рис. выше показано, что в атоме водорода ядро и электрон очень далеки друг от друга, в том смысле, что атом гораздо больше, чем ядро (а электрон еще меньше.) Но в дейтроне расстояние между протоном и нейтроном сравнимо с их размерами. Это отчасти объясняет, почему ядерные силы являются гораздо более сложными, чем силы в атоме.
Известно, что электроны имеют небольшую массу по сравнению с протонами и нейтронами. Отсюда следует, что
- масса атома, по существу близка к массе его ядра,
- размер атома (по существу размер электронного облака) обратно пропорционален массе электронов и обратно пропорционален общей электромагнитной силе; принцип неопределенности квантовой механики играет решающую роль.
А если ядерные силы аналогичны электромагнитным
Что же с дейтроном? Он так же, как и атом, сделан из двух объектов, но они почти одинаковой массы (массы нейтрона и протона отличаются лишь части примерно на одну 1500-ю часть), так что обе частицы в равной степени важны в определении массы дейтрона и его размера. Теперь предположим, что ядерная сила тянет протон к нейтрону так же, как электромагнитные силы (это не совсем так, но представьте себе, на мгновение); а затем, по аналогии с водородом, мы ожидаем, размер дейтрона обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорциональным величине ядерной силе. Если ее величина была такой же (на определенном расстоянии), как у электромагнитной силы, то это будет означать, что так как протон примерно в 1850 раз тяжелее электрон, то дейтрон (и действительно любое ядро) должно быть по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у водорода.
Что дает учет существенной разницы ядерных и электромагнитных сил
Но мы уже догадались, что ядерная сила намного больше электромагнитной (на том же расстоянии), потому что, если это не так, она была бы не в состоянии предотвратить электромагнитное отталкивание между протонами вплоть до распада ядра. Так что протон и нейтрон под ее действием сближаются вместе еще более плотно. И поэтому не удивительно, что дейтрон и другие ядер не просто в одну тысячу, но в сто тысяч раз меньше, чем атомы! Опять же, это только потому, что
- протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее, чем электроны,
- на этих расстояниях, большая ядерная сила между протонами и нейтронами в ядре во много раз больше, чем соответствующие электромагнитные силы (в том числе электромагнитного отталкивания между протонами в ядре.)
Эта наивная догадка дает примерно правильный ответ! Но это не полностью отражает сложность взаимодействия между протоном и нейтроном. Одна из очевидных проблем состоит в том, что сила, подобная электромагнитной, но с большей притягивающей или отталкивающей способностью, должна очевидно проявляться в повседневной жизни, но мы не наблюдаем ничего подобного. Так что, что-то в этой силе должно отличаться от электрических сил.
Короткий диапазон ядерной силы
Что их отличает, так это то, что удерживающие от распада атомное ядро ядерные силы являются очень важными и большими для протонов и нейтронов, находящихся на очень коротком расстоянии друг от друга, но на определенном расстоянии (так называемом “диапазоне” силы), они падают очень быстро, гораздо быстрее, чем электромагнитные. Диапазон, оказывается, может также быть размером с умеренно большое ядро, только в несколько раз больше, чем протон. Если поместить протон и нейтрон на расстоянии, сравнимом с этим диапазоном, они будут притягиваться друг к другу и образуют дейтон; если их разнести на большее расстояние, они едва ли будут ощущать какое-либо притяжение вообще. На самом деле, если их поместить слишком близко друг к другу, так, что они начнут перекрываться, то они будут на самом деле отталкиваются друг от друга. В этом и проявляется сложность такого понятия, как ядерные силы. Физика продолжает непрерывно развиваться в направлении объяснения механизма их действия.
Физический механизм ядерного взаимодействия
У всякого материального процесса, включая и взаимодействие между нуклонами, должны быть материальные же переносчики. Ими являются кванты ядерного поля – пи-мезоны (пионы), из-за обмена которыми и возникает притяжение между нуклонами.
Согласно принципам квантовой механики, пи-мезоны, то и дело возникая и тут же исчезая, образуют вокруг «голого» нуклона что-то вроде облака, называемого мезонной шубой (вспомните об электронных облаках в атомах). Когда два нуклона, окруженные такими шубами, оказываются на расстоянии порядка 10-15 м, происходит обмен пионами подобно обмену валентными электронами в атомах при образовании молекул, и между нуклонами возникает притяжение.
Если же расстояния между нуклонами становятся меньше 0,7∙10-15 м, то они начинают обмениваться новыми частицами – т.наз. ω и ρ-мезонами, вследствие чего между нуклонами возникает не притяжение, а отталкивание.
Ядерные силы: строение ядра от простейшего к большему
Резюмируя все вышесказанное, можно отметить:
- сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее, чем электромагнетизм на расстояниях, значительно больших, чем размер типичного ядра, так что мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни; но
- на коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее – сила притяжения (при условии, что расстояние не слишком короткое), способна преодолеть электрическое отталкивание между протонами.
Итак, эта сила имеет значение только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра. На рисунке ниже показан вид ее зависимости от расстояния между нуклонами.
Большие ядра удерживаются вместе с помощью более или менее той же силы, что держит дейтрон вместе, но детали процесса усложняются, так что их непросто описать. Они также не в полной мере понятны. Хотя основные очертания физики ядра были хорошо изучены в течение десятилетий, многие важные детали все еще активно исследуются.
Источник