§ 9.2. Ядерные силы

Определения и обозначения

Ядерные силы — силы взаимодействия между нуклонами, которые удерживают протоны и нейтроны в атомном ядре. Они не сводятся к электромагнитному притяжению: протоны, напротив, электрически отталкиваются. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему ядро вообще может существовать.

Нуклон — общее название протона и нейтрона. Оба вида частиц входят в состав ядра и участвуют в ядерном взаимодействии. Термин помогает говорить о свойствах, общих для протонов и нейтронов, не перечисляя их каждый раз по отдельности.

Короткодействие ядерных сил означает, что их заметное действие ограничено расстояниями порядка размеров ядра — около 10⁻¹⁵ м. Если нуклоны находятся значительно дальше друг от друга, взаимодействие быстро ослабевает. Это свойство позволяет понять, почему ядерные силы важны внутри ядра, но не проявляются в обычных масштабах.

Насыщение ядерных сил — свойство, при котором нуклон существенно взаимодействует главным образом с ближайшими нуклонами. Он не испытывает одинаково сильного притяжения со стороны всех частиц ядра. Понятие насыщения объясняет, почему увеличение числа нуклонов не усиливает взаимодействие каждого из них безгранично.

Как это устроено

В ядре находятся протоны с одинаковым положительным зарядом, поэтому между ними действует электрическое отталкивание. Если бы на малых расстояниях существовало только это взаимодействие, протоны разошлись бы, а ядро не сохранялось бы. Однако нуклоны расположены очень близко друг к другу, и на таких расстояниях ядерное притяжение сильнее кулоновского отталкивания. Поэтому оно может удерживать протоны и нейтроны в связанном состоянии.

Сила ядерного взаимодействия зависит от расстояния между нуклонами. На расстояниях порядка 10⁻¹⁵ м оно заметно и, в условиях ядра, проявляется как притяжение, а при удалении быстро ослабевает. Это происходит потому, что ядерное взаимодействие имеет малую дальность и не охватывает частицы, находящиеся далеко друг от друга. При чрезмерном сближении нуклонов вместо притяжения возникает сильное отталкивание.

Ядерное взаимодействие приблизительно одинаково для пары протон—протон, пары нейтрон—нейтрон и пары протон—нейтрон, если не учитывать электрический заряд протонов. Причина в том, что ядерные силы связаны не с электрическим зарядом частицы, а с взаимодействием самих нуклонов. Поэтому нейтроны тоже участвуют в связывании ядра, хотя электрического заряда у них нет. Различие между парами протонов и нейтронов проявляется, в частности, из-за дополнительного электромагнитного отталкивания протонов.

Из-за короткодействия каждый нуклон сильно взаимодействует только с теми частицами, которые расположены поблизости. Нуклоны, удалённые дальше, вносят гораздо меньший вклад в это взаимодействие. Поэтому, когда в ядро добавляют новые частицы, притяжение, приходящееся на каждый отдельный нуклон, не обязано возрастать пропорционально общему числу нуклонов. Такое ограниченное число существенных соседей и называют насыщением ядерных сил.

От гравитационного и электромагнитного взаимодействий ядерные силы отличаются прежде всего малой дальностью и большой интенсивностью на ядерных расстояниях. Гравитация и электромагнитное взаимодействие дальнодействующие: их действие не обрывается на границе ядра, хотя быстро уменьшается с расстоянием. Гравитация между частицами очень слаба, а электромагнитное взаимодействие может как притягивать, так и отталкивать — в зависимости от зарядов. Ядерные силы тоже не всегда притягивают: при очень малом расстоянии они становятся отталкивающими.

Свойства ядерных сил и других фундаментальных взаимодействий

Сравнивайте не только интенсивность, но и дальность: сильное взаимодействие может быть заметно лишь в пределах ядра. Строка о характере действия помогает не смешивать ядерное притяжение с электрическим отталкиванием протонов. Значения в таблице качественные: они показывают общие особенности взаимодействий, а не дают расчёт силы для конкретной пары частиц.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему протоны в ядре не разлетаются, несмотря на электрическое отталкивание. Нужно сравнить два взаимодействия для одних и тех же частиц и учесть расстояние между нуклонами. Одного указания на то, что в ядре есть нейтроны, для ответа недостаточно.

1. Протоны имеют одинаковый положительный заряд, поэтому между ними действует кулоновское отталкивание.
2. Внутри ядра расстояния между нуклонами очень малы, и на этих расстояниях ядерное притяжение сильнее электрического отталкивания.
3. Нейтроны тоже участвуют в ядерном взаимодействии, поэтому связанные нуклоны могут образовать устойчивое ядро.

Ответ. Ядро не распадается, потому что на ядерных расстояниях притяжение между нуклонами сильнее кулоновского отталкивания протонов. Электрическое отталкивание при этом не исчезает, а лишь уступает ядерному взаимодействию. Нейтроны участвуют в связывании ядра, хотя электрического заряда не имеют.

Задача 2. Сравните два ядра: в одном расстояние между соседними нуклонами порядка 10⁻¹⁵ м, в другом оно значительно больше. В каком случае ядерное взаимодействие заметнее? Для решения не нужно вычислять силу: достаточно применить представление о дальности ядерных сил. Сравнивать следует именно расстояние между нуклонами.

1. Ядерные силы заметны на расстояниях порядка размеров ядра, около 10⁻¹⁵ м.
2. В первом случае расстояние между соседями соответствует области заметного ядерного взаимодействия.
3. Во втором случае нуклоны находятся дальше, поэтому действие ядерных сил быстро ослабевает.

Ответ. Ядерное взаимодействие заметнее в первом ядре, где расстояние между соседними нуклонами порядка 10⁻¹⁵ м. При большем расстоянии сила быстро уменьшается. Это вывод о качественном сравнении, а не о точном значении силы.

Задача 3. В ядре увеличили число нуклонов, сохранив близкое расстояние между соседями. Почему притяжение, приходящееся на каждый нуклон, не обязано возрастать пропорционально числу частиц? Здесь важно различать общее число нуклонов в ядре и число тех, кто заметно взаимодействует с выбранным нуклоном. Используйте короткодействие и насыщение ядерных сил.

1. Из-за короткодействия существенный вклад дают прежде всего нуклоны, расположенные рядом с выбранным.
2. Добавленные частицы не обязательно оказываются его ближайшими соседями; удалённые нуклоны взаимодействуют слабее.
3. Поэтому число сильных взаимодействий для одного нуклона ограничено его ближайшим окружением, а не общим размером ядра.

Ответ. Притяжение на каждый нуклон не обязано увеличиваться пропорционально числу частиц в ядре. Ядерные силы насыщаются: главным образом учитываются ближайшие нуклоны. Новые частицы могут увеличить состав ядра, не становясь непосредственными соседями каждого нуклона.

Типичные ошибки

Считать ядерные силы дальнодействующими, как гравитационные или электромагнитные, — значит не учитывать их короткий радиус действия. Такое заблуждение возникает из-за того, что все три взаимодействия называют силами, действующими между частицами. Проверьте себя: если в задаче расстояние намного больше 10⁻¹⁵ м, ядерное взаимодействие уже не следует считать заметным.

Полагать, что ядерные силы действуют только между протонами, — значит смешивать ядерное взаимодействие с электрическим. Заряд есть у протона, но для ядерного взаимодействия важны также нейтроны: они взаимодействуют и друг с другом, и с протонами. Проверьте себя, задав вопрос, может ли нейтрон участвовать в связывании ядра; ответ — да.

Считать, что ядерные силы всегда притягивают, — ошибка, потому что действие зависит от расстояния. В ядре на обычных для соседних нуклонов расстояниях проявляется притяжение, но при чрезмерном сближении возникает сильное отталкивание. Чтобы проверить себя, не утверждайте, что сила притяжения сохраняет один и тот же характер при любом расстоянии.

Думать, что каждый нуклон одинаково сильно притягивается всеми остальными, — значит забывать о насыщении. Такое представление может казаться естественным, если вообразить, что взаимодействия просто складываются без ограничений. Проверьте себя: из-за короткодействия существенны главным образом ближайшие соседи, а удалённые нуклоны не вносят такой же вклад.

Связь с другими темами

Для изучения ядерных сил нужно знать строение атома, состав ядра и различие между протоном и нейтроном. Закон Кулона помогает понять, почему положительно заряженные протоны отталкиваются и почему одного электромагнитного взаимодействия недостаточно для описания ядра. Свойства ядерных сил пригодятся при изучении энергии связи, устойчивости ядер, радиоактивности и ядерных реакций. Эти темы опираются на представление о том, как нуклоны взаимодействуют и удерживаются вместе.

Что запомнить

• Ядерные силы связывают нуклоны в атомном ядре.
• На ядерных расстояниях ядерное притяжение сильнее электростатического отталкивания протонов.
• Ядерные силы короткодействующие.
• На очень малых расстояниях ядерное взаимодействие становится отталкивающим.
• Взаимодействия нуклонов приблизительно не зависят от их электрического заряда.
• Ядерным силам свойственно насыщение: особенно важны взаимодействия с ближайшими нуклонами.