§ 211. Силы взаимодействия нуклонов

Основные сведения о ядерных силах можно получить, изучая рассеяние частиц. Уже из первых опытов Резерфорда по рассеянию -частиц можно было сделать вывод о весьма малом радиусе действия ядерных сил. Опыты Резерфорда объяснились количественно в предположении, что отклонение -частиц является электрическим отталкиванием одноименно заряженных частиц. При этом теория совпадала с опытом и тогда, когда -частица проходила почти вплотную около рассеивающего ядра. Значит, достаточно двум ядерным частицам быть на самом небольшом расстоянии друг от друга, чтобы между ними действовали лишь электрические силы, а ядерные уже не чувствовались бы.

Более непосредственный результат дают опыты по рассеянию нейтронов протонами. Для этого пучок нейтронов пропускают через водород, находящийся в газообразном состоянии. Опыт показывает, что лишь небольшая часть нейтронов встречается сядрами атомов водорода. Что же касается рассеянных нейтронов, то они распределены равномерно по углам. Этот результат коренным образом отличается от картины рассеяния -частиц, т. е. от рассеяния, происходящего благодаря электрическим взаимодействиям, где отклонение есть всегда, но малое, когда -частица проходит далеко от ядра, и большое, когда путь ее лежит вблизи рассеивающего ядра. Картина, наблюдающаяся при рассеянии нейтронов протонами, приводит нас к признанию весьма малого радиуса действия ядерных сил. Значение порядка см уверенно выводится из этого опыта.

Изучение рассеяния протонов протонами приводит к такому же значению радиуса действия. Опыты и расчеты здесь несколько затруднительны, так как надо «вычесть» из рассеяния то, что обусловлено чисто электрическим взаимодействием. Однако наблюдения при высоких энергиях и под большими углами позволяют произвести это вычитание. К сожалению, нельзя поставить прямые опыты по рассеянию нейтронов нейтронами. Однако ряд косвенных обстоятельств не позволяет нам сомневаться, что и в этом случае свойства ядерных сил остаются теми же. Вот пример такого рассуждения: можно сравнить энергию связи и поведение при соударениях трития (изотопа водорода с массой 3) и изотопа гелия той же массы. В первом случае ядро состоит из двух нейтронов и одного протона, во втором — наоборот. Энергия связи гелия больше ровно на такую величину, которую дает электрическое взаимодействие между двумя протонами. Все эти опыты и рассуждения приводят к заключению

о независимости ядерных сил, действующих между нуклонами, от электрических зарядов взаимодействующих частиц.

Опыты по рассеянию нуклонов приводят также к заключению об обменном характере взаимодействия. Этот термин применяется в том случае, когда встретившиеся частицы меняются своими свойствами: частица, бывшая протоном, превращается в нейтрон, и наоборот. Необходимость такого обстоятельства следует из эксперимента по рассеянию протонами пучка нейтронов весьма больших энергий (в десятки раз превосходящей потенциальную энергию взаимодействия протонов с нейтронами). В таком опыте мы ожидали бы, что большинство нейтронов пройдет через водород и без рассеяния. На самом же деле рассеянный вперед пучок составлен из одинакового числа нейтронов и протонов.

Рис. 240.

Проблема ядерных сил весьма осложняется их зависимостью от расположения спинов ядер. Ядерные силы теряют из-за этого свой центральный характер (т. е. сила не действует вдоль линии, соединяющей центры частиц).

Тем не менее, усредняя эту зависимость, можно охарактеризовать ядерные силы потенциалом взаимодействия такого же типа, который обсуждался для молекул. На рис. 240 показана такая кривая для двух нуклонов (общее название протона и нейтрона). Энергия взаимодействия отложена в а расстояние — в ферми . На расстоянии 4 ферми ядерные силы уже не действуют. Для сравнения с электростатическим взаимодействием на рисунке проведена пунктирная кривая. Это электростатический потенциал двух разноименных зарядов величины 3,3 заряда электрона. На расстоянии 2 ферми энергии взаимодействия одинаковы. Аналогии между кривыми, конечно, нет.

Кривые подобного типа построены на основании опыта для разных ядер. Ординаты и абсциссы потенциальных ям колеблются в небольших пределах единицы ферми).