Изследване на атомното ядро и ядрените сили
Разказва японски
физикът Ryoyu Uchiyama.
Електрическият заряд на неутроните е нула. Следователно електрическите сили не действат между неутроните, както и между неутроните и протоните. Сред известните досега сили единственият претендент за ролята на силите, свързващи нуклоните в ядрото, може да бъде силата на универсалната гравитация. Но изчислението показва, че гравитационното привличане на нуклони един към друг е незначително, то не е в състояние да ограничи отблъскването на протоните. Оказва се, че според първоначалните познания нуклоните не могат да бъдат силно свързани в ядрото. Нещо повече, те трябваше да се разпръснат със страшна сила във всички посоки. В действителност обаче те са много здраво свързани помежду си, образувайки стабилни атомни ядра. От това следва, че в природата има някои нови, неизвестни досега сили (те започнаха да се наричат ядрени). Тъй като задоволителното теоретично обяснение на механизма на действие на тези сили е дадено за първи път от японския физик Юкава, тези сили се наричат още сили на Юкава.
Нека да преминем мислено към средата на 30-те години и да се запознаем с отличителните черти на ядрените сили, които вече са известни от експеримента.
Тяхната величина може да се представи чрез сравняване на силата на електрическото отблъскване на два протона в ядрото със силата на тяхното ядрено привличане. Оказва се, че когато разстоянието между два протона е около 10 -13 сантиметра (средното разстояние между нуклоните), ядрената сила на привличане е около 40 пъти по-голяма от силата на електростатичното отблъскване на протоните. На тази основа ядрените сили се наричат силни и говорят за силно взаимодействие между нуклоните. Това е първата характеристика на ядрените сили .
Когато разстоянието между нуклоните стане повече от 10 -13 сантиметра, ядрените сили много бързо, почти веднага, изчезват. С други думи, радиусът на действие на тези сили е приблизително 10 -13 сантиметра. А електрическите и гравитационните сили, обратно пропорционални на квадрата на разстоянието, макар и да отслабват с увеличаване на разстоянието, но, формално казано, изчезват само на безкрайно голямо разстояние от източника на сила, тоест те имат безкрайно голям радиус на действие. Ограниченият обхват е втората характеристика на ядрените сили.
Преминавайки към историята на формирането на теорията на ядрените сили, които имат двете гореспоменати характеристики, нека започнем, като разгледаме как механизмът на електростатичното взаимодействие на телата е обяснен в класическата физика. Преди въвеждането във физиката концепцията за фотон се аргументира по следния начин. Един от протоните, например протон А, изпълняващ едва забележими вибрации в определен ритъм, излъчва електромагнитна вълна, която, разпространявайки се във всички посоки от А, достига до друг протон - Б. Под негово влияние протон В започва да трепти и от своя страна излъчва в космоса електромагнитна вълна. Вълната от протон В, достигайки протон А, променя характера на своето движение. И така нататък, ad infinitum. В резултат на такъв безкрайно повтарящ се обмен между частици А и В възниква електростатична сила на отблъскване.
Отчитането на съществуването на фотони модифицира описаната картина на взаимодействие: вместо да обменят електромагнитни вълни, сега частиците обменят фотони. Ясно можете да си представите, че те са хвърлени от специално подготвени топки (фотони), в резултат на такъв обмен между партньори А и В се получава електростатично взаимодействие. Ясно е, че колкото по-често се обменят топки, толкова по-интензивно е взаимното влияние на А върху Б. С други думи, толкова по-голяма е електростатичната сила, действаща между тях.
Горните съображения с обмена на фотони се основават на квантовата теория на полето на Хайзенберг-Паули, от която следва, че ако топката (фотонът) има маса, тогава радиусът на действие на електростатичните сили не би бил безкраен, а би имал крайна стойност, обратно пропорционална на масата на „тежкия фотон“. Радиусът на действие на електростатичните сили е безкрайно голям само защото масата на фотоните в действителност е равна на нула; само при това условие радиусът на действие на силите е равен на безкрайност.
За първи път италианският физик Ферми обърна внимание на това обстоятелство и той предложи и първата версия на теорията за ядрените сили с краен радиус на действие. Електронът беше единствената елементарна частица с ненулева маса, известна тогава, на която можеше да бъде възложена ролята на топка, хвърлена от нуклони, затова Ферми се опита да обясни ядрените сили като процес на електронен трансфер между нуклоните.