Стійкість ядра атома. сильна взаємодія
З ядерної моделі будови атома, запропонованої в 1911 році Резерфордом, виникла ще одна проблема - пояснення стійкості ядра атома. Оскільки ядерні частинки - протони і нейтрони міцно утримуються в ядрах, між ними повинні діяти сили тяжіння. Ці сили повинні бути досить великі, щоб протистояти грандіозним силам взаємного електростатичного відштовхування протонів, що зближують на відстань порядку розмірів ядра атома. Кандидатів для таких сил тяжіння з відомих не знайшлося. І тоді ввели поняття сильної взаємодії, яке діє тільки на відстані близько розміру ядра. Що нам скаже про це загальноприйнята теорія?
«Величезна енергія зв'язку нуклонів в ядрі вказує на те, що між нуклонами є дуже інтенсивна взаємодія. Ця взаємодія носить характер тяжіння. Воно утримує нуклони на відстанях
10 -13 см один від одного, не дивлячись на сильне кулоновское відштовхування між протонами. Ядерне взаємодія між нуклонами отримало назву сильної взаємодії. Його можна описати за допомогою поля ядерних сил. Перерахуємо відмінні риси цих сил.
Ядерні сили є короткодіючими. Їх радіус має порядок 10 -13 см. На відстанях, значно менших 10 -13 см, тяжіння нуклонів змінюється відштовхуванням.
Сильна взаємодія не залежить від заряду нуклонів. Ядерні сили, що діють між двома протонами, протоном і нейтроном і двома нейтронами, має однакову величину. Це властивість називається зарядовим незалежністю ядерних сил.
Ядерні сили залежать від взаємної орієнтації спінів нуклонів. Так наприклад, нейтрон і протон утримуються разом, утворюючи ядро важкого водню дейтрон (або дейтон) тільки в тому випадку, якщо їх спини паралельні один одному.
Ядерні сили не є центральними. Їх не можна представляти спрямованими вздовж прямої, що з'єднує центри взаємодіючих нуклонів. Нецентральність ядерних сил випливає, зокрема, з того факту, що вони залежать від орієнтації спінів нуклонів.
Ядерні сили мають властивість насичення (це означає, що кожен нуклон в ядрі взаємодіє з обмеженим числом нуклонів). Насичення проявляється в тому, що питома енергія зв'язку нуклонів в ядрі при збільшенні числа нуклонів не росте, а залишається приблизно постійною. Крім того, на насичення ядерних сил вказує також пропорційність обсягу ядра числу утворюючих його нуклонів.
За сучасними уявленнями сильна взаємодія обумовлено тим, що нуклони віртуально обмінюються частинками, які отримали назву мезонів ...
У 1934 році І. Є. Тамм висловив припущення, що взаємодія між нуклонами також передається за допомогою якихось віртуальних частинок. У той час, крім нуклонів, були відомі лише фотон, електрон, позитрон і нейтрино.
У 1935 році японський фізик Х.Юкава висловив сміливу гіпотезу про те, що в природі існує поки не виявлені частинки з масою, в 200-300 разів більшою маси електрона, і що ці-то частинки і виконують роль переносників ядерного взаємодії, подібно до того як фотони є переносниками електромагнітної взаємодії. Юкава назвав ці гіпотетичні частинки важкими фотонами. У зв'язку з тим, що за величиною маси ці частинки займають проміжне положення між електронами і нуклонами, вони згодом були названі мезонами (грецьке «мезос» означає середній) ». (І.В.Савельев «Курс загальної фізики» том 3 стр.235-238 «Наука» 1979р.)
Отже, не знайшовши пояснення стійкості ядра атома, за допомогою відомих сил і взаємодій, ввели новий вид взаємодії - сильне поле. У порівнянні з відомими на той час полями - гравітаційним, електричним, магнітним - сильна взаємодія володіє дивовижним набором властивостей. Переносниками сильної взаємодії вважаються віртуальні мезони. Знову віртуальні частинки! Згадаймо, що «в квантовій механіці віртуальними називаються частинки, які не можуть бути виявлені за час їх існування. У цьому сенсі віртуальні частинки можна назвати уявними ».
А якщо подивитися на стійкість ядра атома, з точки зору нашого припущення? Існує одна цікава можливість. Якщо в момент виникнення ядра атома, протони і нейтрони втратять частину своєї кінетичної енергії, наприклад, у вигляді фотонів, то якою б високою не була сила електричного відштовхування між протонами, розлетітися в різні боки вони не зможуть, так як сили електричного поля можуть викликати лише перерозподіл енергії між потенційною і кінетичної її формами. Додати енергію електричне поле не може. Ця енергія повинна надійти ззовні. А до цього ядро атома стійко. У такому випадку необхідність сильної взаємодії взагалі відпадає. Віртуальні мезони відповідно теж не потрібні. Наше припущення добре узгоджується з явищем дефекту маси. Як на дефект маси дивиться загальноприйнята теорія?
«Маса ядра завжди менше суми мас входять до нього частинок. Це обумовлено тим, що при об'єднанні нуклонів в ядро виділяється енергія зв'язку нуклонів один з одним. Вона дорівнює тій роботі, яку потрібно зробити, щоб розділити утворюють ядро нуклони і видалити їх один від одного на такі відстані, при яких вони практично не взаємодіють один з одним ». (І.В.Савельев «Курс загальної фізики» том 3 стр.231 «Наука» 1979р.)
Отже, при виникненні ядра різниця в масах протонів і нейтронів до об'єднання і після, виділяється в енергію зв'язку нуклонів один з одним. Але ця енергія виділяється при утворенні ядра і залишає його. Тоді виходить, що енергія зв'язку нуклонів в ядрі атома негативна? Ще один момент. Якщо ядерні сили короткодіючі, близько 10 -13 см, то необхідно затратити роботу, щоб тільки трохи відірвати протон від ядра, тоді сильна взаємодія перестане діяти, і під дією кулонівського відштовхування однойменних зарядів протон сам вилетить з ядра, причому з пристойною енергією. І не треба витрачати енергію на роботу, «яку потрібно зробити, щоб розділити утворюють ядро нуклони і видалити їх один від одного на такі відстані, при яких вони практично не взаємодіють один з одним».
Протон треба тільки трохи відірвати від ядра, щоб перестали діяти ядерні сили, і він сам вилетить з атома, а нейтрон? Його необхідно «транспортувати» і витрачати енергію. А адже вважається, що енергія зв'язку нуклонів в ядрі кожного виду однакова.
Чи не логічніше припустити, що при об'єднанні в ядро нуклони втрачають частину своєї енергії у вигляді випромінювання, і поки вони її не отримають назад ядро стійко? Тоді поняття «енергія зв'язку нуклонів» слід розуміти не як «енергія зв'язку», а як недолік енергії нуклонів в ядрі, в порівнянні з «вільними» нуклонами. Ядерні сили, які утримують своїм тяжінням нуклони в ядрі, разом зі своїм дивним набором властивостей і особливостей, стають непотрібними.