Ядерные силы.

Ядерные силы. Теперь мы уже знаем, что изотопов значительно больше, чем элементов. Но почему ядра одних изотопов устойчивы (и они встречаются в природе часто), а других — легко распадаются и радиоактивны?

Что удерживает частицы в атомном ядре?

Между протонами, так же как и между другими одно­именно заряженными частицами, действуют отталкиваю­щие электростатические силы, которые при малых раз­мерах ядра должны быть достаточно велики. Конечно, эти силы не могут осуществлять связь между частицами в ядре. Для того чтобы ядро оставалось очень прочным и компактным, необходимы очень большие силы, которые притягивали бы друг к другу ядерные частицы. О природе этих сил мы пока еще знаем очень немного. Знаем, что в то время как электростатические силы (притяжения и отталкивания) действуют на довольно больших расстоя­ниях, ядерные силы имеют существенное значение только при сближении ядерных частиц. Если радиус атома опре­деляется электростатическими силами притяжения, дей­ствующими между отрицательно заряженным электроном и положительным ядром, и равен примерно одной сто­миллионной доле сантиметра (10-8 сантиметра), то радиус ядра определяется действием ядерных сил и приблизи­тельно равен одной тысячемиллиардной доле сантиметра (10-12 сантиметра) .

Таким образом, как ни мал атом, на его диаметре можно уложить примерно 10 тысяч ядер.

Ядерные силы, по-видимому, могут быть объяснены взаимодействием протонов и нейтронов с какой-то третьей частицей. (В дальнейшем протоны и нейтроны мы иногда будем называть нуклонами.) Эта частица появляется при преобразовании протона в нейтрон или нейтрона в протон и является общей для двух взаимодействующих нуклонов. Таким образом, ядерные силы связаны с обменом части­цами. Поэтому силы подобного типа называют обменными силами. Они весьма своеобразны и недостаточно на­глядны в наших обычных представлениях. Для этих сил весьма характерно то, что их действие связано с обменом, с переменой ролей между двумя участвующими в этой связи нуклонами.

Протон и нейтрон непрерывно обмениваются друг с другом частицами, которые одновременно связаны с обо­ими нуклонами. По всей вероятности, такими частицами являются открытые в последние годы пи-мезоны (пи-мезоны). Малый радиус действия ядерных сил объясняется тем, что пи-мезоны — тяжелые частицы — не могут на­долго покидать протоны и нейтроны. Вылетев, они либо возвратятся обратно, либо поглотятся другими ядерными частицами. Для последнего надо, чтобы нуклоны нахо­дились близко один от дру­гого. Так осуществляется связь между ядерными ча­стицами.

clip_image002

Рис. 4. Ион молекулы водо­рода. Два протона обмени­ваются одним электроном

Ядерные силы имеют не­которое сходство с химиче­скими силами, которые также являются обменными. В мо­лекулах тоже происходит обмен частицами. Для при­мера можно взять ион моле­кулы водорода (рис. 4). Здесь имеются два протона вокруг которых вращается один электрон. Такой ион является вполне устойчивым образованием, и сила, которая определяет его устойчивость, связана с взаимодействием двух протонов с одним общим электроном. По-видимому, можно считать, что элек­трон вращается то вокруг одного, то вокруг дру­гого протона. Здесь, так же как и в ядерных си­стемах, сила связана с обменом частицей, с переходом электрона от одного протона к другому.

Прочность твердых тел, как известно, определяется электростатическими силами, действующими между ато­мами в веществе. Но ядерные силы в миллионы раз больше электростатических. Во столько же раз ядерное вещество прочнее самой крепкой стали. Если бы удалось изготовить из ядерного вещества ткань толщиной в одну десятую долю микрона (0,0001 миллиметра), то она была бы, безусловно, прочнее самой толстой брони. Правда, трудно представить себе военное судно, одетое такой броней, квадратный метр которой весит более 600 тысяч тонн.

Ядерное вещество обладает колоссальным удельным весом (плотностью). Мы привыкли до сих пор иметь дело с веществами, удельный вес которых не превышает 23 (Самым тяжелым веществом является редкий металл осмий. Его удельный вес равен 22,5.), тс есть один кубический сантиметр такого вещества весит не больше 23 граммов. Кубический же сантиметр ядер­ного вещества весит больше 100 миллионов тонн, то есть удельный вес его равен 1014 г/см3.

Эти огромные прочность и плотность объясняются ядерными силами, которые стягивают нуклоны в очень плотную и маленькую частицу — ядро.

Ядра обладают различной прочностью. Наиболее слабо связаны частицы в ядрах легких элементов, нахо­дящихся в начале таблицы Менделеева. Эта связь быстро растет с увеличением числа частиц в ядре, а следова­тельно, растет и прочность ядер. Как уже говорилось, ядерные силы являются короткодействующими, то есть каждая частица ядра связана только с соседними части­цами. Между удаленными друг от друга частицами связи нет. Поэтому, начиная с некоторого элемента таблицы Менделеева, связь между частицами в ядрах атомов этих элементов не будет увеличиваться с увеличением числа частиц в ядре атома. Этим и объясняется то, что проч­ность ядер средних элементов (от кадмия до церия) при­близительно одинакова, то есть нужны примерно одина­ковые силы для того, чтобы оторвать один нейтрон от любого из этих ядер. Ведь и прочность обычных веществ, например бумаги или воды, также не зависит от количе­ства вещества. Нужно затратить одинаковое усилие для того, чтобы зачерпнуть ложку воды из ведра или из ста­кана, оторвать полоску бумаги от целого рулона или от небольшого листа.

В ядрах атомов тяжелых элементов, стоящих в конце таблицы Менделеева, большое значение имеют электро­статические силы. Если с увеличением числа протонов и нейтронов в ядре ядерные силы существенно не увеличи­вают прочности ядра, то электростатические силы оттал­кивания при этом увеличиваются. Они расталкивают все протоны ядра, даже наиболее отдаленные друг от друга. Электростатические силы как бы разрыхляют большие ядра, делают их менее плотными. Поэтому частицы в яд­рах тяжелых атомов слабее связаны между собой, чем в средних.