Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
После открытия нейтрона в 1932 г. стало очевидным, что более тяжелые атомные ядра можно считать построенными из протонов и нейтронов, причем электрический заряд их должен быть равен числу протонов, а массовое число — сумме числа протонов и нейтронов, т. е. должно быть равно числу нуклонов в ядре, если понимать под нуклоном как протон, так и нейтрон. Тогда сразу же возник вопрос о природе сил, удерживающих вместе нейтроны и протоны. Если бы между нуклонами действовали только электростатические силы, то тогда более тяжелые ядра распались бы в результате взаимного электростатического отталкивания протонов.
Рис. 20.3. Явление, зафиксированное в 72-дюймовой водородной пузырьковой камере Калифорнийского университета (Л. В. Альварез и сотр.). Соударяется отрицательный каон из пучка падающих частиц. В результате его соударения с протоном образуется положительный каон и отрицательный ксион. Отрицательный ксион затем распадается с образованием лямбда-частицы и отрицательного пиона. Лямбда-частица нейтральна и поэтому не оставляет следа; она обнаруживается по распаду с образованием протона и отрицательного пиона.
Совершенно очевидно, что сила притяжения между нуклонами должна быть очень большой на малых расстояниях, превосходящей отталкивание, обусловленное положительными зарядами протонов, тогда как на больших расстояниях такие силы должны быть слабее электростатического отталкивания. Тщательное изучение размеров тяжелых ядер и взаимного рассеяния нуклонов привело к открытию, что два нуклона взаимно притягиваются приблизительно с одинаковой силой, когда они находятся на расстоянии менее 1,4 фм [фемтометр = 1·10−15 м], и что эта сила, действующая между нуклонами, иная, нежели электростатическое отталкивание протонов; она быстро приближается к нулю на расстояниях, превышающих 1,4 фм.
Представление о дальнодействии оказалось неудовлетворительным; вместо него физики разработали квантовую теорию силовых полей, согласно которой данное поле как бы переносится на некоторое расстояние от его источника некоторым носителем или квантом данного поля. Для электростатического притяжения и отталкивания такими носителями поля являются фотоны, а для гравитационного притяжения носителями считают гравитоны. В 1935 г. японский физик Хидеки Юкава (род. в 1907 г.) предложил решение вопроса о природе силы притяжения между нуклонами. Он указал, что если носители, имеющие массу покоя, равную нулю, такие, как фотоны и гравитоны, могут переносить взаимодействие на бесконечно большие расстояния, то носители с конечной массой покоя могут удаляться лишь на ограниченные расстояния от данной частицы. Юкава предположил, что такого рода носители участвуют во взаимодействии нуклонов: на основании известного радиуса действия межнуклонной силы, равного 1,4 фм, Юкава рассчитал массу покоя этих частиц, которая, согласно его подсчетам, должна быть примерно в 274 раза больше массы электрона. Эти частицы, по своей массе занимающие среднее положение между электронами и нуклонами, были названы мезонами (от греческого слова mesos — средний).
Рис. 20.4. Схема, иллюстрирующая действие межнуклонных сил.
Рассмотрим два нуклона, находящихся на небольшом расстоянии, не превышающем 1,4 фм, как показано на рис. 20.4, А. Один из нуклонов испускает частицу-носитель мезон, которая движется со скоростью, близкой к скорости света, и поглощается второй частицей. Этот процесс образования и поглощения частицы-носителя вызывает силу притяжения.
Если, однако, две такие частицы находятся на расстоянии, превышающем 1,4 фм, как показано на рис. 20.4, Б, то испущенная частица-носитель оказывается не в состоянии преодолеть расстояние между данными частицами, она возвращается назад и исчезает. Таким образом, взаимодействие между нуклонами, находящимися на таких расстояниях, не реализуется. Привлечение принципа неопределенности позволяет понять причину ограниченного радиуса действия частицы-носителя.
Рассмотрим реакцию
$$p^{+} \rightleftarrows p^{+} + \pi^{0}$$
В ней использован символ π0 для обозначения частицы-носителя; мезоны, ответственные в основном за межъядерные силы, называют пионами. Приведенная здесь реакция — реакция образования из протона двух частиц: протон плюс пион — нарушает закон сохранения массы-энергии. До открытия принципа неопределенности не могло быть и речи о рассмотрении такого рода реакции.
Однако соотношение неопределенностей между энергией и временем позволяет рассматривать реакцию, подобную приведенной, которая не согласуется с законом сохранения массы-энергии в том случае, когда отрезок времени, на протяжении которого рассматривается данная реакция, не превышает времени Δt, даваемого принципом неопределенности. Воспользуемся уравнением ΔE·Δt = h/2π, приведенным в разд. 3.13. Нас интересует продолжительность времени, необходимого для того, чтобы частица, движущаяся со скоростью, близкой к скорости света, преодолела расстояние 1,4·10−15 м. Соответствующее значение ΔE (неопределенности для массы-энергии) равно h/2π, деленному на продолжительность времени Δt, 1,4·10−15/3·108 (скорость света), откуда следует, что Δt = 0,47·10−23 с. Значение ΔE равно, следовательно, 1,05·10−34/0,47·10−23 = 2,24·10−11 Дж, и соответствующее значение в единицах массы, получаемое путем деления на c2 (поскольку E = mc2), равно 2,49·10−25 г, а это значение в 274 раза больше массы электрона. Исходя из этого, Юкава сформулировал положение, согласно которому короткодействующие межнуклонные силы можно объяснить при допущении, что такие взаимодействия осуществляются частицами с массой, примерно в 274 раза превышающей массу электрона. В то время подобные частицы были неизвестны.
В 1936 г. при изучении космических лучей были открыты частицы как положительно, так и отрицательно заряженные, с массой, в 207 раз превышающей массу электрона; их открыли Андерсон и Недермейер, а также независимо от них Стрит и Стевенсон. Эти частицы, теперь называемые мюонами, были приняты вначале за частицы, предсказанные Юкавой. Но тогда они, будучи ответственными за межнуклонные силы, должны были бы вступать в сильное взаимодействие с нуклонами. Такое сильное взаимодействие должно происходить при сближении с нуклоном за промежуток времени, близкий к 10−23 с. Однако было установлено, что мюоны распадаются в свободном пространстве, причем период их полураспада составляет около 10−6 с, а скорость их распада, как было найдено, не претерпевает значительных изменений при прохождении пучка мюонов через твердые вещества, когда мюоны подвергаются действию нуклонов; они, следовательно, не могли быть частицами, предсказанными Юкавой.
После проведения в 1945 г. последнего из таких экспериментов физики снова лишились возможности объяснить межнуклонные силы, но ненадолго, поскольку вскоре были открыты сильно взаимодействующие мезоны, получившие название пионов. Эксперименты по изучению космических лучей с использованием многослойной фотоэмульсии для фиксирования треков заряженных частиц, выполненные в 1947 г. английским физиком К. Ф. Пауэллом (1903—1969) и его сотрудниками, привели к открытию трех частиц: положительного пиона, нейтрального пиона и отрицательного пиона с массовым числом 273,3 для π+ и π− и 264,3 для π0; эти частицы обладали способностью к сильному взаимодействию с нуклонами, как это и было предсказано Юкавой. В настоящее время не вызывает сомнений, что межнуклонные силы, действующие в атомных ядрах, реализуются при участии пионов. Экспериментально было показано участие в межнуклонных силах как заряженных пионов, так и нейтральных. Уравнения для сил, обусловленных заряженными пионами, можно записать следующим образом:
$$p^{+} \rightleftarrows n + \pi^{+}$$
$$n \rightleftarrows p^{+} + \pi^{-}$$
Другие частицы, в частности ро (ρ)- и омега (ω)-частицы (разд. 20.10), также, вероятно, участвуют в создании межнуклонных сил.