Нецентральный характер ядерных сил
Ядерные силы имеют нецентральный характер. Центральными называются
силы, которые действуют вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие тела.
Центральные силы могут зависеть от относительной ориентации спинов частиц,
но не должны зависеть от ориентации спинов относительно линии, соединяющей
частицы. Рассмотрим некоторые свойства простейшего ядра 
,
которое имеет такое же значение в ядерной физике, как атом водорода - в атомной
физике. Спины нейтрона и протона в дейтоне параллельны (см. п.4), поэтому
магнитный момент дейтона должен определяться алгебраической сумме магнитных
моментов протона и нейтрона, равной μd
+ μd= 2,79 – 1,91 = 0,88.
Измеренное значение магнитного момента дейтона μd=
0,86(см. таблицу 1.6.1)
немного отличается, хотя величина расхождения намного превышает точность измерений.
Различие можно объяснить только наличием у протона орбитального момента. Дейтон
имеет квадрупольный момент +0,0028·10‑24
см2 (таблица 1.6.2), т.е. распределение плотности электрического
заряда (а следовательно и ядерного вещества) отлично от сферически симметричного
и вытянуто вдоль спина. Таким образом, система из протона и нейтрона имеет
наибольшую энергию связи только тогда, когда спины обоих нуклонов направлены
вдоль оси дейтона. Это свидетельствует о том, что ядерные силы в общем случае
имеют нецентральный характер, так как они зависят не только от расстояния
между нуклонами, но и от ориентации спинов относительно линии, соединяющей
нуклоны. Макроскопическим аналогом такого явления служит характер взаимодействия
между двумя одинаково намагниченными шариками (рис. 1.9.3). При параллельных
векторах магнитной индукции каждого из шариков между ними могут действовать
как силы притяжения, так и отталкивания, в зависимости от ориентации векторов
магнитной индукции относительно вектора, проходящего через центры инерции
шариков.
8. Ядерные силы имеют обменный
характер. Это означает, что они обусловлены (по крайней мере, частично) обменом
третьей частицей, пи-мезоном. Такую гипотезу высказали в 1934 г. И. Тамм и
в 1935 г. Х. Юкава по аналогии с представлением о взаимодействии между электрическими
зарядами, принятым в квантовой электродинамике. Взаимодействие между зарядами
осуществляется через электромагнитное поле, которое может быть представлено
как совокупность квантов энергии – фотонов. Каждый заряд создает вокруг себя
поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Процесс взаимодействия между
двумя зарядами заключается в обмене виртуальными, а не реальными фотонами.
В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть
обнаружены за время их существования. Рассмотрим на примере покоящегося электрона
процесс создания им в окружающем пространстве электрического поля:
(1.9.4)
Превращение, описываемое уравнением (1.9.4), сопровождается нарушением закона сохранения энергии:
(1.9.5)
где 
-
энергия виртуального фотона. Изменение энергии системы 
должно
удовлетворять квантовомеханическому соотношению неопределенностей:
(1.9.6)
Если до истечения времени
(1.9.7)
виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном, то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено. Если же электрону сообщить дополнительную энергию (от электрического поля или при соударении с другим зарядом), то может быть испущен реальный фотон, время существования которого неограниченно.
За время 
виртуальный
фотон может передать взаимодействие между точками, разделенных расстоянием
(1.9.8)
Так как энергия виртуального
фотона 
может
быть сколь угодно мала (если 
),
то радиус действия электромагнитных сил неограничен. Однако, если масса покоя
(предполагая, что ее скорость 
)
виртуальной частицей отлична от нуля, то радиус взаимодействия соответствующих
сил будет ограничен величиной
(1.9.9)
Полагая в (1.9.9) радиус
действия ядерных сил равным 1,3·10-13см, получим, что кванты
поля ядерных сил должны иметь массу покоя 
Таким
образом, для образования свободных (не виртуальных) квантов ядерного поля
необходима энергия не менее 140 Мэв. Эти частицы были впоследствии
открыты в составе космических лучей (1947 г., Оккиалини и Поуэлл) и были названы
π-мезонами (пионами).
Существует три типа пионов - положительный (π+) пион с зарядом е, отрицательный (π-) с зарядом -е и нейтральный (π0). Все три частицы нестабильны. Заряженные пионы имеют одинаковую массу, равную 273mе(140 МэВ), и время жизни τ = 2,55·10-8с. Масса нейтрального пиона составляет 264mе (135 МэВ), а время жизни τ = 2,1·10-16с. Спин любого пиона равен нулю.
В результате аналогичных (1.9.4) виртуальных процессов
(1.9.10)
(1.9.11)
(1.9.12)
нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных π-мезонов, которые образуют поле ядерных сил. Поглощение этих пионов другими нуклонами приводит к сильному взаимодействию между нуклонами и происходит по одной из следующих схем:
(1.9.13)
(1.9.14)
(1.9.15)
Процесс (1.9.13) находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов
на протонах. После прохождения пучка нейтронов через мишень, содержащую ядра
в
пучке появляются протоны, которые имеют ту же энергию и направление движения,
что и падающие нейтроны. Количество таких протонов на много превышает возможность
образования протонов в результате упругого взаимодействия нейтронов с протонами
мишени. Соответствующее количество нейтронов обнаруживается и в мишени. Остается
признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи ядер 
захватывает
виртуальные π+-мезоны и превращается в протоны.
Орбитальное движение π --мезонов в процессе (1.9.11)
вызывает возникновение у нейтрона отрицательного магнитного момента (см. таб.
1.6.1), так как нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии
.
Аномальный магнитный момент протона (
вместо одного ядерного магнетона, см. §1.6 п.2) можно также объяснить орбитальным
движением π+-мезонов в течение того времени, когда протон
находится в виртуальном состоянии (1.9.10).
Оценим время виртуального процесса как
(1.9.16)
где 
радиус
действия ядерных сил, а v - скорость
пиона. Полагая кинетическую энергию пиона равной средней энергии связи нуклона
в ядре 
МэВ,
получим
(1.9.17)
Эту величину часто называют характерным временем ядерного взаимодействия.
В рамках обменной теории оказывается маловероятным обмен пионами между одним и двумя другими нуклонами, находящимися в пределе радиуса действия ядерных сил. Отсюда вытекает свойство насыщения ядерных сил со всеми вытекающими последствиями: постоянство удельной энергии связи, рост объема ядра пропорционально числу частиц нуклонов в ядре, независимость потенциала от координаты внутри ядра. Мезонная теория содержит в своей основе глубокое и правильное описание природы ядерных сил, но уравнения этой теории настолько сложны математически, что до настоящего времени не существует надежных способов решения этих уравнений. Это является одной из причин создания большого числа разнообразных моделей ядра в ядерной физике (см. гл.2 §1).