Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
Після відкриття нейтрона в 1932 р. стало очевидним, що важчі атомні ядра можна вважати побудованими з протонів і нейтронів, причому їхній електричний заряд має дорівнювати числу протонів, а масове число — сумі чисел протонів і нейтронів, тобто має дорівнювати числу нуклонів у ядрі, якщо розуміти під нуклоном як протон, так і нейтрон. Тоді відразу постало питання про природу сил, що утримують разом нейтрони й протони. Якби між нуклонами діяли тільки електростатичні сили, то тоді важчі ядра розпалися б унаслідок взаємного електростатичного відштовхування протонів.
Рис. 20.3. Явище, зафіксоване в 72-дюймовій водневій бульбашковій камері Каліфорнійського університету (Л. В. Альварес і співр.). Зіштовхується від'ємний каон із пучка падаючих частинок. Унаслідок його зіткнення з протоном утворюються додатний каон і від'ємний ксіон. Від'ємний ксіон потім розпадається з утворенням лямбда-частинки й від'ємного піона. Лямбда-частинка нейтральна і тому не залишає сліду; вона виявляється за розпадом з утворенням протона й від'ємного піона.
Цілком очевидно, що сила притягання між нуклонами має бути дуже великою на малих відстанях, перевищуючи відштовхування, зумовлене додатними зарядами протонів, тоді як на великих відстанях такі сили мають бути слабшими за електростатичне відштовхування. Ретельне вивчення розмірів важких ядер і взаємного розсіяння нуклонів привело до відкриття, що два нуклони взаємно притягуються приблизно з однаковою силою, коли вони перебувають на відстані, меншій за 1,4 фм [фемтометр = 1·10−15 м], і що ця сила, яка діє між нуклонами, інша, ніж електростатичне відштовхування протонів; вона швидко наближається до нуля на відстанях, що перевищують 1,4 фм.
Уявлення про дальнодію виявилося незадовільним; замість нього фізики розробили квантову теорію силових полів, згідно з якою дане поле ніби переноситься на певну відстань від його джерела певним носієм, або квантом даного поля. Для електростатичного притягання й відштовхування такими носіями поля є фотони, а для гравітаційного притягання носіями вважають гравітони. У 1935 р. японський фізик Хідекі Юкава (нар. 1907 р.) запропонував розв'язання питання про природу сили притягання між нуклонами. Він указав, що якщо носії, які мають масу спокою, що дорівнює нулю, такі як фотони й гравітони, можуть переносити взаємодію на нескінченно великі відстані, то носії зі скінченною масою спокою можуть віддалятися лише на обмежені відстані від даної частинки. Юкава припустив, що носії такого роду беруть участь у взаємодії нуклонів: на підставі відомого радіуса дії міжнуклонної сили, що дорівнює 1,4 фм, Юкава розрахував масу спокою цих частинок, яка, згідно з його підрахунками, має бути приблизно в 274 рази більшою за масу електрона. Ці частинки, що за своєю масою посідають середнє місце між електронами й нуклонами, було названо мезонами (від грецького слова mesos — середній).
Рис. 20.4. Схема, що ілюструє дію міжнуклонних сил.
Розглянемо два нуклони, що перебувають на невеликій відстані, яка не перевищує 1,4 фм, як показано на рис. 20.4, А. Один із нуклонів випромінює частинку-носій мезон, яка рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, і поглинається другою частинкою. Цей процес утворення й поглинання частинки-носія спричиняє силу притягання.
Якщо ж дві такі частинки перебувають на відстані, що перевищує 1,4 фм, як показано на рис. 20.4, Б, то випущена частинка-носій виявляється не здатною подолати відстань між даними частинками, вона повертається назад і зникає. Таким чином, взаємодія між нуклонами, що перебувають на таких відстанях, не здійснюється. Залучення принципу невизначеності дає змогу зрозуміти причину обмеженого радіуса дії частинки-носія.
Розглянемо реакцію
$$p^{+} \rightleftarrows p^{+} + \pi^{0}$$
У ній використано символ π0 для позначення частинки-носія; мезони, відповідальні переважно за міжядерні сили, називають піонами. Наведена тут реакція — реакція утворення з протона двох частинок: протон плюс піон — порушує закон збереження маси-енергії. До відкриття принципу невизначеності не могло бути й мови про розгляд такої реакції.
Проте співвідношення невизначеностей між енергією та часом дає змогу розглядати реакцію, подібну до наведеної, яка не узгоджується із законом збереження маси-енергії, у тому випадку, коли відрізок часу, протягом якого розглядається дана реакція, не перевищує часу Δt, що його дає принцип невизначеності. Скористаймося рівнянням ΔE·Δt = h/2π, наведеним у підрозд. 3.13. Нас цікавить тривалість часу, потрібного для того, щоб частинка, яка рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, подолала відстань 1,4·10−15 м. Відповідне значення ΔE (невизначеності для маси-енергії) дорівнює h/2π, поділеному на тривалість часу Δt, 1,4·10−15/3·108 (швидкість світла), звідки випливає, що Δt = 0,47·10−23 с. Значення ΔE дорівнює, отже, 1,05·10−34/0,47·10−23 = 2,24·10−11 Дж, і відповідне значення в одиницях маси, одержуване шляхом ділення на c2 (оскільки E = mc2), дорівнює 2,49·10−25 г, а це значення в 274 рази більше за масу електрона. Виходячи з цього, Юкава сформулював положення, згідно з яким короткодійні міжнуклонні сили можна пояснити за допущення, що такі взаємодії здійснюються частинками з масою, приблизно в 274 рази більшою за масу електрона. На той час подібні частинки були невідомі.
У 1936 р. при вивченні космічних променів було відкрито частинки як додатно, так і від'ємно заряджені, з масою, у 207 разів більшою за масу електрона; їх відкрили Андерсон і Недермейєр, а також незалежно від них Стрит і Стівенсон. Ці частинки, що їх тепер називають мюонами, було спочатку сприйнято за частинки, передбачені Юкавою. Але тоді вони, будучи відповідальними за міжнуклонні сили, мали б вступати в сильну взаємодію з нуклонами. Така сильна взаємодія має відбуватися при зближенні з нуклоном за проміжок часу, близький до 10−23 с. Проте було встановлено, що мюони розпадаються у вільному просторі, причому період їхнього напіврозпаду становить близько 10−6 с, а швидкість їхнього розпаду, як було знайдено, не зазнає значних змін при проходженні пучка мюонів крізь тверді речовини, коли мюони зазнають дії нуклонів; вони, отже, не могли бути частинками, передбаченими Юкавою.
Після проведення в 1945 р. останнього з таких експериментів фізики знову втратили можливість пояснити міжнуклонні сили, але ненадовго, оскільки незабаром було відкрито сильно взаємодійні мезони, що дістали назву піонів. Експерименти з вивчення космічних променів із застосуванням багатошарової фотоемульсії для фіксування треків заряджених частинок, виконані в 1947 р. англійським фізиком К. Ф. Пауеллом (1903—1969) та його співробітниками, привели до відкриття трьох частинок: додатного піона, нейтрального піона й від'ємного піона з масовим числом 273,3 для π+ і π− та 264,3 для π0; ці частинки мали здатність до сильної взаємодії з нуклонами, як це й було передбачено Юкавою. Нині не викликає сумнівів, що міжнуклонні сили, які діють в атомних ядрах, здійснюються за участі піонів. Експериментально було показано участь у міжнуклонних силах як заряджених піонів, так і нейтральних. Рівняння для сил, зумовлених зарядженими піонами, можна записати таким чином:
$$p^{+} \rightleftarrows n + \pi^{+}$$
$$n \rightleftarrows p^{+} + \pi^{-}$$
Інші частинки, зокрема ро (ρ)- та омега (ω)-частинки (підрозд. 20.10), також, імовірно, беруть участь у створенні міжнуклонних сил.