2. Ядерные силы

Определения и обозначения

Ядерные силы — силы взаимодействия между нуклонами, удерживающие протоны и нейтроны в атомном ядре. Их притяжение необходимо потому, что протоны электрически отталкиваются. Без ядерных сил ядро не могло бы сохранять свою целостность.

Нуклон — общее название протона и нейтрона, частиц, из которых состоит атомное ядро. Ядерное взаимодействие рассматривают именно между нуклонами, а не только между протонами. Это понятие удобно, когда речь идёт об общих свойствах обеих частиц.

Зарядовая независимость ядерных сил — свойство, при котором ядерное взаимодействие почти не зависит от того, являются ли нуклоны протонами или нейтронами. Поэтому ядерную силу можно сравнивать для разных пар частиц. Электрическое взаимодействие протонов при этом учитывают отдельно.

Насыщение ядерных сил — свойство, при котором каждый нуклон заметно взаимодействует преимущественно с ближайшими нуклонами. Это не позволяет считать, что все частицы ядра притягивают друг друга одинаково сильно. Насыщение помогает объяснить сходную энергию связи в расчёте на один нуклон у многих ядер.

Как это устроено

В ядре находятся положительно заряженные протоны, поэтому между ними действует электрическое отталкивание. Однако при сближении нуклонов возникает ядерное притяжение, достаточное для удержания частиц вместе. Именно сочетание этих взаимодействий объясняет, почему ядра могут быть устойчивыми, хотя одно только электрическое взаимодействие раздвигало бы протоны.

Ядерные силы короткодействующие: они существенны лишь на расстояниях порядка размеров ядра и быстро ослабевают за его пределами. Причина в том, что ядерное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях между частицами. Поэтому далёкие нуклоны практически не влияют друг на друга напрямую, в отличие от электрических зарядов, взаимодействие которых заметно и на больших расстояниях.

На расстояниях порядка 1–2 фм ядерные силы преимущественно притягивают нуклоны. Если же частицы сблизить ещё сильнее, притяжение сменяется сильным отталкиванием. Такое поведение не даёт нуклонам бесконечно сблизиться и помогает сохранять характерный размер ядра.

Чтобы проверить зарядовую независимость, сравнивают ядерное взаимодействие в парах протон–протон, нейтрон–нейтрон и протон–нейтрон. Если электрическое взаимодействие не учитывать, ядерные силы для таких пар оказываются почти одинаковыми. Для двух протонов полное взаимодействие отличается из-за дополнительного кулоновского отталкивания, но это не означает, что ядерная сила зависит от заряда.

Насыщение следует из короткодействия: каждый нуклон может заметно взаимодействовать лишь с ограниченным числом частиц, находящихся рядом. Поэтому при добавлении новых нуклонов число существенных связей увеличивается примерно вместе с числом частиц, а не так, как если бы каждая пара взаимодействовала одинаково. Этим объясняется, почему энергия связи в расчёте на один нуклон у многих ядер имеет близкое значение.

Основные свойства ядерных сил

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какое свойство описывает наблюдаемое поведение нуклонов. Затем проследите, какое следствие оно имеет для ядра. При сравнении взаимодействий протонов отдельно помните об электрическом отталкивании.

Разбор задач

Задача 1. Два нуклона находятся на расстоянии 1,5 фм. Опишите роль ядерных сил и объясните, почему одного электрического отталкивания протонов недостаточно для понимания устойчивости ядра. Расстояние дано в фемтометрах, единицах, удобных для описания размеров ядра. Нужно сопоставить ядерное и электрическое взаимодействия.

1. Сравним 1,5 фм с ядерными расстояниями: это расстояние, на котором ядерные силы существенны.
2. На таких расстояниях ядерные силы преимущественно притягивают нуклоны и могут связывать их в ядре.
3. Протоны также электрически отталкиваются, поэтому для объяснения устойчивости нужно учитывать не только это отталкивание, но и ядерное притяжение.

Ответ: на расстоянии 1,5 фм ядерные силы преимущественно притягивают нуклоны. Одно электрическое отталкивание протонов не объясняет устойчивость ядра: необходимо учитывать связывающее действие ядерных сил.

Задача 2. Сравните взаимодействия в парах протон–нейтрон и протон–протон, не учитывая электрическое взаимодействие. Требуется сделать вывод о свойствах ядерных сил, а не о полном взаимодействии частиц. Поэтому сначала отделим ядерную составляющую от кулоновской.

1. В обеих парах взаимодействуют нуклоны, а ядерные силы действуют между протонами и нейтронами.
2. Если электрическое взаимодействие не учитывать, ядерные силы в этих парах почти одинаковы.
3. Следовательно, ядерное взаимодействие почти не зависит от того, какой из нуклонов является протоном, а какой — нейтроном.

Ответ: ядерные силы в парах протон–нейтрон и протон–протон почти одинаковы. Это проявление зарядовой независимости; в реальной паре протон–протон дополнительно действует электрическое отталкивание.

Задача 3. В ядре из 20 нуклонов каждый нуклон заметно взаимодействует в основном с 6 ближайшими соседями. Объясните, почему число существенных взаимодействий растёт примерно пропорционально числу нуклонов, а не квадрату их числа, и как это связано с энергией связи на нуклон. Из условия следует, что число близких соседей ограничено. Нужно учесть, что одна связь относится сразу к двум нуклонам.

1. Для каждого из 20 нуклонов получается около 6 близких взаимодействий, то есть примерно 20 × 6 = 120 подсчётов.
2. Каждая пара при таком подсчёте учтена дважды, поэтому число отдельных существенных пар ориентировочно равно 120 ÷ 2 = 60.
3. При увеличении числа нуклонов число соседей у каждого остаётся примерно ограниченным. Поэтому число значимых пар растёт примерно пропорционально числу нуклонов, а не квадрату, как при взаимодействии каждой частицы со всеми остальными.

Ответ: ограниченное число соседей на нуклон — следствие короткодействия и насыщения. Поэтому энергия связи в расчёте на один нуклон у многих ядер близка, а не растёт так, как если бы все нуклоны одинаково сильно притягивали друг друга.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что ядерные силы действуют только между протонами. Так могут рассуждать из-за того, что именно протоны электрически отталкиваются, но ядерное взаимодействие связывает все пары нуклонов. Проверка: вспомните, что нейтрон тоже входит в ядро и участвует в ядерном взаимодействии.

Зарядовую независимость иногда принимают за отсутствие электрического отталкивания протонов. Путаница возникает потому, что при сравнении пар говорят об их почти одинаковом взаимодействии. Проверка: разделите полное взаимодействие на ядерное и электрическое — зарядовая независимость относится только к ядерной части.

Неверно считать ядерные силы притягивающими при любых расстояниях. Обычно вспоминают их роль в связывании ядра и упускают поведение при чрезмерном сближении. Проверка: различайте ядерные расстояния, где преобладает притяжение, и очень малые расстояния, где проявляется отталкивание.

Ещё одна ошибка — предполагать, что каждый нуклон одинаково сильно взаимодействует со всеми остальными. Её провоцирует представление о ядре как о системе, где любая пара частиц связана одинаково. Проверка: учтите короткодействие и насыщение — заметно взаимодействуют главным образом ближайшие соседи.

Связь с другими темами

Для изучения ядерных сил нужно знать состав атомного ядра, различать протон и нейтрон и понимать закон Кулона: он описывает электрическое отталкивание протонов. Понятия ядерных сил и насыщения помогают объяснять энергию связи, дефект масс и устойчивость ядер. Более широкое представление о сильном взаимодействии связывает ядерную физику с физикой элементарных частиц.

Что запомнить

• Ядерные силы действуют между нуклонами.
• Ядерные силы короткодействующие.
• На ядерных расстояниях ядерные силы преимущественно притягивают нуклоны.
• При очень малых расстояниях ядерные силы становятся отталкивающими.
• Ядерные силы почти не зависят от электрического заряда нуклонов.
• Ядерные силы насыщаются: каждый нуклон взаимодействует главным образом с ближайшими соседями.