Вивчення атомного ядра та ядерних сил

Як починалися ідослідження ядерних сил.

Розповідає японський фізик Рею Утіяма.

Атомні ядра побудовані з нуклонів, тобто протонів та нейтронів. Оскільки протони мають позитивний електричний заряд, вони відштовхуються один від одного. Відштовхування це має бути дуже сильним, оскільки сила відштовхування обернено пропорційна квадрату відстані між зарядами, а розміри ядер дуже малі: від 10 -13 до 10 -12 сантиметра.

Електричний заряд нейтронів дорівнює нулю. Тому між нейтронами, а також між нейтронами та протонами електричні сили не діють. Серед відомих раніше сил єдиним претендентом на роль сили, що з'єднує нуклони в ядрі, могла бути сила всесвітнього тяжіння. Але розрахунок показує, що гравітаційне тяжіння нуклонів один до одного мізерно слабке, воно не в змозі стримати відштовхування протонів. Виходить, що нуклони згідно з початковими знаннями не могли бути сильно пов'язані в ядрі. Більше того, вони мали б зі страшною силою розлетітися на всі боки. Тим не менш, насправді вони дуже міцно пов'язані один з одним, утворюючи стійкі атомні ядра. Звідси випливає, що у природі існують якісь нові, невідомі раніше сили (їх стали називати ядерними). Оскільки задовільний теоретичне пояснення механізму дії цих сил уперше дав японський фізик Юкава, ці сили називали також силами Юкави.

Перенесемося подумки в середину 1930-х років і познайомимося з відомими тоді з експерименту відмітними особливостями ядерних сил.

Їх величину можна уявити, порівнявши силу електричного відштовхування двох протонів в ядрі з силою їхнього ядерного тяжіння. Виявляється, що при відстані міждвома протонами, що дорівнює приблизно 10 -13 сантиметра (середня відстань між нуклонами), ядерна сила тяжіння приблизно в 40 разів більша від сили електростатичного відштовхування протонів. На цій підставі ядерні сили називають сильними і говорять про сильну взаємодію між нуклонами. Це перша особливість ядерних сил.

Коли відстань між нуклонами стає більше 10 -13 сантиметрів, ядерні сили дуже швидко, практично відразу звертаються в нуль. Інакше висловлюючись, радіус дії цих сил приблизно дорівнює 10 -13 сантиметрів. А електричні та гравітаційні сили, обернено пропорційні квадрату відстані, хоч і слабшають із збільшенням відстані, але, формально кажучи, звертаються в нуль тільки при нескінченно великому віддаленні від джерела сили, тобто мають нескінченно великий радіус дії.Кінцевість радіусу дії - друга особливість ядерних сил.

Переходячи до історії становлення теорії ядерних сил, що мають дві зазначені вище особливості, почнемо з розгляду того, як пояснювали у класичній фізиці механізм електростатичної взаємодії тіл. До введення у фізику поняття фотона розмірковували так. Один з протонів, наприклад протон А, здійснюючи в деякому ритмі ледь помітні коливання, випромінює електромагнітну хвилю, яка, поширюючись на всі боки від А, досягає іншого протона - В. Під її впливом протон В починає вагатися і, у свою чергу, випромінює в простір електромагнітної хвилі. Хвиля від протона, досягаючи протона А, змінює характер його руху. І так далі, до нескінченності. В результаті подібного обміну між частинками А і В, що нескінченно повторюється, виникає сила електростатичного відштовхування.

Облік існування фотонів видозмінює описану картинувзаємодії: замість обміну електромагнітними хвилями частки тепер обмінюються фотонами. Наочно можна уявляти, що вони хіба що перекидаються спеціально приготованими м'ячами (фотонами), у результаті обміну між партнерами А і В виникає електростатична взаємодія. Зрозуміло, що чим частіше обмін м'ячами, тим інтенсивніший взаємний вплив А на В. Інакше кажучи, тим більше електростатична сила, що діє між ними.

Викладені міркування з обміном фотонами засновані на квантовій теорії поля Гейзенберга-Паулі, з якої випливає, що якби м'яч (фотон) мав масу, то радіус дії електростатичних сил був би не нескінченний, а мав би кінцеве значення, обернено пропорційне масі «важкого фотона ». Радіус дії електростатичних сил нескінченно великий тільки тому, що маса фотонів насправді дорівнює нулю; лише за цієї умови радіус дії сил дорівнює нескінченності.

Вперше на цю обставину звернув увагу італійський фізик Фермі, їм запропоновано перший варіант теорії ядерних сил з кінцевим радіусом дії. Єдиною серед відомих тоді елементарних частинок з ненульовою масою, якою можна було б відвести роль м'яча, що перекидається нуклонами, був електрон, тому Фермі спробував пояснити ядерні сили як процес перекидання електронів між нуклонами.

Італійський фізик Енріко Фермі (1901-1954) займався вивченням механізму так званої бета-радіоактивності; під час цієї роботи він і вигадав свою теорію ядерних сил.

Зробимо невеликий відступ і скажемо пару слів про бета-випромінювання. Бета-промені - це високоенергійні електрони, що випускаються нестабільними ядрами. Вивчення енергетичних співвідношень при випромінюванні ядрами швидких електронів привело швейцарського фізика Паулі догіпотезу про існування нової, невідомої до того часу елементарної частинки, яка, як і фотон, позбавлена маси, електрично нейтральна і, крім того, дуже слабо взаємодіє з речовиною (практично невловима). Нині передбачувану Паулі частинку називають нейтрино. Завдяки винятковій слабкості взаємодії нейтрино довго було неможливо виявити, вона існувала як теоретична частка-привид.

Фермі у своїй теорії бета-розпаду та ядерних сил використовував електрон та введену Паулі примарну частинку - нейтрино. Простежимо за думкою Фермі. Хоча це трохи незаконно, припустімо на хвилину, що електрон, нейтрино і протон, скупчившись разом, утворили електрично нейтральну частинку — нейтрон. На малюнку за допомогою наочних образів пояснено, як уявляв Фермі механізм дії ядерних сил. Електрон та нейтрино, укладені у показаному на верхній частині малюнка нейтроні, раптово залишають останній. Відразу після їх вильоту нейтрон перетворюється на протон, що залишається на місці; на малюнку показано, як втікачі мчать між двома протонами. Протон, що знаходився праворуч, після захоплення втікачів відразу перетворюється на нейтрон. Результат описаного обміну можна інтерпретувати як перестановку показаних у верхній частині малюнка протона та нейтрону. Далі відбувається аналогічний процес та відновлюється позиція верхньої частини малюнка. Подібне перекидання пари м'ячів (електрона та нейтрино) призводить до взаємодії протону та нейтрону (ядерних сил). Якщо ж електрон і нейтрино, що вилетіли з нейтрона, не захоплюються намальованим праворуч протоном, а відлітають у простір, то вони виявляються як бета-промені, що випускаються радіоактивним ядром. До цього і зводиться теорія, яка, на думку Фермі, одночасно пояснює як бета-випромінювання, так імеханізм дії ядерних сил.

Але, на жаль, у теорії Фермі був істотний недолік: обчислюваний за її допомогою радіус дії ядерних сил виявлявся в 200 - 300 разів більше за дійсне. Якби електрон, що грає в теорії Фермі роль м'яча, був у 200—300 разів важчий, то радіус дії сил, обернено пропорційний масі м'яча, зменшившись у відповідну кількість разів, став би саме таким, як треба.

Юкава припустив, що існує ще поки не відкритий «важкий фотон», маса якого в 200 — 300 разів більша за масу електрона. Таку частинку можна назвати також важким квантом або важким електроном. За теорією Юкави, ядерні сили виникають внаслідок обміну цими гіпотетичними частинками між нуклонами. Масу своєї частки Юкава, звичайно, вирахував, виходячи з відомого радіусу дії ядерних сил. Оскільки для маси вийшло проміжне значення, більше значення маси електрона і менше значення маси нуклону, Юкава назвав свою частинку "мезон" (грецьке слово "месон" означає "переміжний, що знаходиться посередині").

Вище ми викладали теорію ядерних сил із суто корпускулярної погляду. Але мезон Юкави - елементарна частка; отже, він повинен мати подвійну корпускулярно-хвильову природу та можлива хвильова інтерпретація теорії ядерних сил.

Вимовляючи слово «фотон», ми тим самим звертаємо увагу на корпускулярну сторону мікрооб'єкта, залишаючи поза увагою той факт, що він є ще й електромагнітною хвилею (хвилястий рух електромагнітного поля). Так само частка мезон — корпускулярне «обличчя» двоїстої сутності, хвильова природа якої проявляється в коливаннях поля нового виду — мезонного. Розглянемо теорію Юкави з цього погляду.

Кожен нуклон створює навколо себе мезонне.поле. Це поле заповнює всю «начинку» атомного ядра. Якщо читач бачив колись, як у дерев'яній цебра з водою миють молоду картоплю, він може уявити собі атомне ядро у вигляді такої цебра, забитої картоплинами (нуклонами), що купаються у воді (мезонному полі). "Вода" не просочується з "бадді" назовні більше ніж на радіус дії ядерних сил. Поверхня «води» постійно покрита «брижами», оскільки джерела мезонного поля («картоплини») випускають і поглинають хвилі цього поля. Хвилі поширюються від нуклону до нуклону. Через мезонні хвилі нуклони в ядрі міцно скріплені один з одним. Така ситуація в атомному ядрі з хвильової погляду. Юкава ввів у фізику нове поле, що докорінно відрізняється від відомих раніше гравітаційного та електромагнітного полів. Пророцтво Юкави насправді виявилося трохи неточним: у його теорії як би переплуталися частки двох абсолютно різних типів (вперше ця обставина усвідомив японський теоретик Танігава, почесний професор університету в Кобе). Одна з цих частинок у 300 разів масивніша за електрон і є переносником взаємодії між нуклонами (тепер її називають пі-мезон, або півонія), а друга — у 200 разів важча за електрон і не має до ядерних сил ніякого відношення. Остання частка - як би збільшена копія електрона, тому розумно було б назвати її "важкий електрон", але прищепилася назва "мюон". Незважаючи на зазначену неточність, наразі загальновизнано, що робота Юкави ознаменувала народження нової галузі науки – фізики елементарних частинок. У цьому велике значення теорії Юкави. Нема чого й казати, що за свою роботу Юкава цілком заслужено отримав Нобелівську премію.

Оглянемося на пройдений шлях. Намагаючись пояснити різноманіття оточуючої нас речовини,вчені прийшли спочатку до атомної гіпотези, за якою речовина побудована з комбінацій порівняно нечисленних складових частин — атомів. Виявилося, що атомів не так уже й мало — близько сотні. Фізики рушили далі в глибину речовини і досягли успіху, пояснивши різноманіття атомів відмінностями в їх внутрішній структурі. У ході цих досліджень вчені поступово проникли у світ ще дрібніших частинок: від атомних ядер спустилися до об'єктів, що отримали назву «елементарні частинки».