Масштабы физических величин в ядерной физике.

Введение

Ядерная физика - это наука о строении, свойствах и превращениях атомного ядра. В 1904 году англ. Физик Дж. Томсон предложил первую модель атома, в которой атом представлял собой нейтральную систему, состоящую из заряженного шара с зарядом +Ze и размером ~10^-8см, внутри которого в определенных равновесных положениях находятся Z отрицательно заряженных электронов. В 1909 году оказалось, что такая модель находится в противоречии с экспериментальными данными и в основном с результатами опытов по рассеянию α- частиц при прохождении через тонкую фольгу.

В опытах было получено, что наряду с рассеянием на малые углы наблюдается отклонение на очень большие углы. Это никак не вписывалось в модель Томсона. В 1911 году Э. Резерфорд предлагает новую модель атома, согласно которой атом имеет положительно заряженный центр радиусом 10^-12см с распределенными вокруг него на расстоянии ~10^-8см электронами, при этом вся масса сосредоточена в ядре. Такая модель атома объясняла аномально рассеяние частиц, и этот год считается годом ядерной физики. Однако условием всякой модели должна быть ее устойчивость. По законам электродинамики электрон, движущийся равномерно по окружности должен терять энергию на излучение. Результатом является постепенное приближение электронов к ядру. При этом частота обращения электронов постепенно меняется и дает непрерывный спектр излучения. Т. о. появилось 2 противоречия с экспериментом:

1. устойчивость атома;

2. дискретный характер атомных спектров.

Для устранения этих противоречий датский физик Н. Бор в 1913 году предложил квантовую теорию рассмотрения атомных спектров. Самые простые расчеты на основе этих предложений и позволили оценить постоянную Ридберга.

Постулаты Бора предполагали отказ от классической физики и все это вызвало массу недоверия физиков. Этот период недоверия завершился в 1926 году, когда Гейзенберг и Шредингер предложили для описания микромира совершенно новую механику – квантовую, согласно которой нельзя одновременно с достаточной точностью определить положение и скорость частицы. Позднее с помощью квантовой механики стали описывать атомные процессы, иногда и ядерные. В 1927 году Гамов и К⁰ определили квантовые основы - распада.

В 1919 году было сделано 2 крупных открытия: Астон построил масспектрограф и Резерфорд открыл расщепление атомного ядра азота – что сопровождалось рождением новой частицы с электрическим зарядом равным положительному заряду электрона – т.е. протона. Т. о. пришли к модели ядра, которое состоит из протонов и электронов. В ядре содержится Z протонов и (A-Z) электронов, а вокруг ядра вращаются Z электронов. Однако, допущение наличия электронов внутри ядра наталкивалось на целый ряд трудностей, не совместимых с экспериментальными данными. Поэтому было очевидно, что не электроны, а другие частицы наряду с протонами входят в ядро.

В 1930 году Боте и Бэккер обнаружили, что при облучении α – частицами ядер бериллия и лития испускается новое излучение, очень слабо поглощаемое свинцом. Может это жесткие γ – лучи? В 1932 году Чедвик нашел выход из этих сомнений и, проанализировав, полученное излучение, пришел к выводу, что это нейтральный поток частиц с массой примерно равный массе протона. Эту частицу назвали нейтроном, которая может превращаться в протон, электрон и антинейтрино: ; период полураспада равен 11,7 мин., т.е. это нестабильная частица.

В это же время Д.Д. Иваненко высказал гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра.

Итак, все ядра состоят из протонов и нейтронов (нуклонов) и отличаются только их числом.

В 1928 году П. Дирак получил релятивистское квантовое уравнение для электрона и предсказал существование позитрона. В 1932 г. Андерсен в космических лучах обнаружил позитрон.

В 1931 г. В Паули предсказал существование нейтральной частицы – нейтрино, и необходимость такого предсказания вытекала из рассмотрения β- распада. Он предположил существование нейтрино, но ввиду, отсутствия электрического заряда и почти нулевой массы нейтрино трудно было обнаружить и только в 1956 г. Рейнес и Коуэн обнаружили экспериментально нейтрино. Открытие нейтрино дало начало развитию нейтринной астрофизики.

Открытие нейтрона позволило сделать одно из величайщих достижений ядерной физики – в 1939 г. Хан, Штрасмен обнаружили, что при облучении урана нейтронами его ядро делится примерно на 2 равные части: в процессе деления появлялся еще 1 нейтрон, который приводил к возможности цепной реакции.

В 1942 г. в США на территории Чикагского стадиона Э. Ферми был построен первый в мире реактор. В СССР работы по использованию атомной энергии проводились под руководством И.В.Курчатова.

В этот же год был построен первый ускоритель - мощное средство преобразования ядра. С этого времени история физики ядра так быстро набирала скорость, что последующие открытия и фактыдолжны превратиться в таблицу год – физик – открытия. Работы последних лет показали, что во время взрыва водородной бомбы в мгновенном процессе высвобождается огромная термоядерная энергия, которая получена в результате синтеза легких ядер. Получение такой энергии значительно выгоднее, чем деление тяжелых ядер и получение ядерной энергии.

Магнитный момент.

Согласно, классической электродинамике, у заряженных частиц, имеющих механический момент должен существовать и магнитный момент , численные значения которого могут быть вычислены. Связь между ними . Численное значение магнитного момента, обусловленное орбитальным движением определяется, как , численное значение магнитного момента, обусловленное собственным движением

Известно, что для электрона при , - магнетон Бора. Видно, что по аналогии можно использовать формулу и получить магнитный момент протона, т.е. ядра . Эксперимент дает вместо ожидаемой 1. И хотя нейтрон частица электрически нейтральная и ожидаемая величина .

Домашнее задание:

1. Продумать модели протонов и нейтронов, объясняющие такие аномальные значения .

Полный магнитный момент ядра , т.к. , и имеет полуцелое значение в зависимости от четности или нечетности массового числа А; момент будет целым при четном значении массового числа – I = 0,1,2,3 …, для нечетного А момент будет полуцелым I =1/2, 3/2, 5/2…

 

Энергия связи ядер

Энергия связи равна работе, которую нужно затратить, чтобы разделить ядро на составные части: Вспомним, что , а и поэтому

,

Где Z - число протонов;

(A-Z)- число нейтронов

M(A,Z)- масса собранного ядра, она выражается в МэВ:

для МэВ

МэВ

Во многих случаях, например, для сравнения устойчивости ядер, пользуются понятием удельной энергии связи — ε, характеризующей среднюю энергию связи одного нуклона в ядре. Величина ε равна отношению полной энергии к полному числу нуклонов в ядре А: . Чем больше значение ε, тем устойчивее ядро. Чтобы ядро было устойчивым, его масса должна быть меньше суммы масс любой пары ядер, на которые можно разделить это ядро. В настоящее время известно, что нуклоны внутри ядра находятся в состояниях, отличающихся от их свободного состояния, что связано с влиянием других нуклонов. Типичная картина – это обмен виртуальными мезонами. Энергия связи – это есть разность энергии сложного ядра и совокупности достаточно удаленных друг от друга покоящихся нуклонов.

Анализ экспериментальных данных позволяет построить кривую зависимости

Рис. 1.

Из приведенной на рис.1 экспериментальной зависимости ε(А)можно видеть, что при малых А величина ε меняется неравномерно и имеет аномально малую величину по сравнению со средним ее значением. Удельная энергия связи слабо зависит от А,меняется от 7.4 до 8.8 МэВ. Приблизительное постоянство удельной энергии связи обусловлено короткодействующим характером ядерных сил; так, для дейтрона ε =1,1 МэВ. Далее, величина ε медленно возрастает до значения 8,8 МэВ.

Из хода зависимости ε от А следует несколько очень важных выводов, на которых должна основываться теория ядерных сил.

1. Самые легкие ядра отличаются аномально малыми значениями энергии. Для примера достаточно сказать, что обусловленная ядерными силами удельная энергия связи простейшего ядра — дейтрона — равна 1,1 МэВ,

2. За среднюю удельную энергию связи выбирают величину, равную 8 МэВ. Тогда получается, что ∆W~8А МэВ., т.к. .

Перечислим свойства ядерных сил и укажем, какие экспериментальные факты свидетельствуют о существовании каждого из этих свойств.

1. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. каждый нуклон взаимодействует не со всеми окружающими нуклонами, а только с ограниченным их числом, ∆W~А. Если бы каждый нуклон взаимодействовал со всеми окружающими, то это выражение имело бы вид ∆W~А².

2. Максимальная удельная энергия связи наступает в области железа А >50, что соответствует области стабильных ядер. Следовательно, легким ядрам выгодно сливаться в тяжелые и стабильные с выделением термоядерной энергии, а тяжелым выгодно делиться, с выделением атомной энергии.

3. Интенсивность ядерных сил по сравнению с кулоновскими силами – большая (8 МэВ - 1 МэВ)

4. Удельная энергия связи имеет небольшие максимумы для ядер, число протонов и нейтронов у которых равно 2, 8, 20, 50, 82, 126. – эти числа назвали, «магическими» т.к. при этих значениях ядра обладают особой устойчивостью. Этот факт приписывается проявлению оболочечной структуры ядра.

Итак, атомные ядра могут быть стабильными и нестабильными. Рассмотрим вопрос об устойчивости ядер по отношению к распаду. Проанализируем процесс распада ядра А на 2 составляющих: В и С - продукты распада.

В случае, когда М(А)<М(В)+М(С), распад запрещен законом сохранения энергии, т.к любая система стремится в состояние с минимальной энергией. В случае когда М(А)>М(В)+М(С), распад разрешен законом сохранения энергии. Итак, энергетическое условие распада ядра можно записать таким образом М(А)>М(В)+М(С).

Например, для тяжелых ядер (у которых Z>82), происходит α– распад; М(А, Z)> M(A-4, Z-2) +M(₂He⁴) – т.е. тяжелое ядро не устойчиво к испусканию α– частиц. Таким образом, нуклоны находятся внутри ядра в состоянии, отличающемся от их свободного состояния и это связано с влиянием соседних нуклонов. Энергия связи - это разность энергии сложного ядра и совокупности, достаточно удаленных друг от друга покоящихся нуклонов.

Домашнее задание: 1. Проверить стабильность ядра 2. Стабильно ли ядро лития к следующему распаду:

 

Размеры атомных ядер

Существует множество способов, позволяющих произвести оценку размеров ядра. Разные методы приводят к различающимся экспериментальным результатам, однако, порядок величины во всех случаях остается одинаковым.

Первые оценки были сделаны из опыта по рассеянию – частиц на ядрах (опыты Резерфорда). Отметим, что аномально большие углы рассеяния – частиц объяснялись столкновениями – частиц с какими- то положительными центрами, т. е. с ядрами.

Столкновение – частиц с ядрами мишени, позволило грубо оценить размер отталкивающего ядра. Радиус ядра оценивался, исходя из закона Кулона или, в нашем случае .

Потенциальная энергия на расстоянии rмежду частицами или работа отталкивания будет выражаться как:

Кинетическая энергия - частицы на большом расстоянии от ядра равна . При прямом попадании на рассеивающий центр, - частица может подойти к ядру на расстояние r₀, определяемое равенством . Это и есть оценка размера ядра, которая использовалась Резерфордом; опыт показал, что величина r₀ для ядер тя­желых элементов имеет порядок 10^-12см.

Все существующие методы определения радиуса ядра делятся на 2 типа:

1. Методы, регистрирующие наличие ядерного вещества;

2. Методы чисто электромагнитные, т.е. связанные с наличием определенного заряда внутри ядра.

Метод зеркальных ядер

Зеркальными называются ядра, отличающиеся заменой нейтрона на протон. Например . Оказалось, что энергия связи зеркальных ядер различна и различие это растет пропорционально . При условии, что нейтрон и протон ведут себя одинаково по отношению к ядерным силам, разность энергии связи является результатом дополнительного кулоновского отталкивания лишнего протона в поле первоначальных протонов. Энергия кулоновского отталкивания лишнего протона – дополнительная энергия которая может быть определена, для этого нужно допустить, что все протоны равномерно распределены внутри сферы радиуса . Разность в энергии связи, двух зеркальных ядер, исходя из вышеизложеного определяется экспериментально и равна: . Зная из таблицы , можно найти радиус ядра; данный метод дает

Следует иметь в ввиду, что допущение о равномерном распределении протонов в ядре очень грубое и, учитывая эффект квантово-механического обмена и воспользовавшись волновой функцией для описания лишнего нуклона, получают:

 

Энергия рентгеновского излучения мезоатома

В 1938г. в космических лучах был открыт мезон (). Когда мезон, захватывается на орбиту в кулоновском поле ядра, образуется мезоатом. Боровский радиус 1S орбиты для мезона чисто в кулоновском поле в 207 раз меньше чем 1S радиус электрона и потому: r_B~ . Энергия, излучаемая при переходе с одной орбиты на другую, определяется и может быть измерена экспериментально; по энергии излучения можно определить радиус, который в данном случае будет порядка радиуса ядра. Отметим, что при переходе мезонов с одной орбиты на другую энергия будет порядка , в то время как рентгеновские переходы дают порядка . Измерение энергии позволяет определить параметры распределения заряда и данный метод дает Иссле­дование спектров мезоатомов дает гораздо большую информацию о структуре ядра, чем исследование спектров обычных атомов, поскольку мюон из-за своей большой массы находится в 207 раз ближе к ядру, чем электрон. Т.о. если придерживаться представления о ядре не как об однородной капле, а как о структуре с изменяющейся к краю плотностью с точностью до 10%

Итак, сравнение различных методов определения радиуса ядра подтверждает предположение о примерно сферической форме ядра и тогда мы получаем, что , где Последние оценки радиуса ядра дали

Плотность ядерного вещества составляет Размеры ядра – являются сильным аргументом в пользу наличия в ядрах протонов и нейтронов, а не протонов и электронов. Дебройлевская длина волны при энергии 8 МэВ., для электронов этой же энергии , т.е. электрон не вмещается в ядро. Т.о. ядро - это совокупность нуклонов, испускающих и поглощающих π – мезоны, что приводит к передаче заряда, импульса и момента количества движения от одних движущихся нуклонов к другим.

 

Излучение Черенкова

Заряженная частица, двигаясь внутри диэлектрика с постоянной скоростью, создает вдоль своего пути локальную по­ляризацию его атомов. Сразу же после прохождения заряженной частицы, поляризованные атомы возвращаются в исходное состояние и излучают электромагнитные волны. При определенных условиях эти волны складываются, и наблюдается излучение, которое получило название эффекта Черенкова.

Условием эффекта является требование, чтобы скорость частицы была больше фазовой скорости света в среде , где n – показатель преломления среды, т.е. среда должна быть плотной.

При этом условии наблюдается эффект запаздывающей поляризации среды, в результате чего диполи ориентируются преимущественно в сторону движения частицы.

Теоретики Тамм и Франк, исходя из этих представлений пришли к выводу, что в прозрачной среде любые заряженные частицы, удовлетворяющие этому условию будут излучать свет в направлениях составляющих с направлением заряженной частица угол θ, который определяется из соотношения . Чем больше n, тем меньше скорость частицы, которая необходима для выполнения условия излучения. Черенковские потери малы и поэтому полная энергия потерь складывается из ионизационных и радиационных потерь:

.

 

§3. Прохождение γ - квантов через вещество.

Источником γ-квантов являются ядерные реакции и радиоактивный распад. Интенсивность падающих на вещество фотонов будет определяться по экспоненциальному закону:

,

Где, μ - линейный коэффициент поглощения;

начальная интенсивность.

В области энергии (0,1-100 МэВ) основную роль играют 3 процесса:

1. процесс поглощения - фотоэффект;

2. процесс рассеяния - Томсоновское и Комптоновское рассеяние;

3. процесс образования электрон- позитронной пары.

a) Фотоэффект

Фотоэффект заключается в том, что фотон взаимодействует с атомом как с целой структурой, при этом импульс и энергия фотона сохраняются, а из какой - нибудь оболочки K, L, M, на которой получена достаточная энергия, выбрасывается электрон. Энергия этого электрона будет равна:

,

Где B – энергия связи этого электрона в атоме.

Угловое распределение фотоэлектрона было изучено Гайтлером и имеет вид:

, где

При больших энергиях, когда данное выражение не справедливо. Сразу за фотоэффектом энергетические уровни атома снова заполняются и атом излучает характеристические рентгеновские лучи и Оже- электроны. Эффективное сечение фотоэффекта можно подсчитать методами квантовой электродинамики.

Рассмотрим 2 крайних случая:

1. Когда энергия фотона много меньше энергии покоя электрона. . Фотоэлектроны вылетают перпендикулярно движению пучка, сечение процесса в этом случае или вероятность фотоэффекта будет равна . Видно, что сечение сильно убывает с энергией.

2. в этом случае угловое распределение электронов вытянуто вперед, что является результатом передачи большого импульса. Эффективное сечение в данном случае определяется из выражения: . Эффективное сечение слабее убывает с энергией.

Следует иметь в виду, что фотоэффект возможен только на связанных электронах и невозможен на свободных. Это можно доказать, предположив, что фотоэффект возможен на свободных электронах и получив несовместимость написанных уравнений.

 

Домашнее задание:

a) Показать, что фотоэффект возможен только на связанных электронах, исходя из закона сохранения энергии и импульса:

 

Процесс рассеяния

Наряду с фотоэффектом, когда γ - квант поглощается, возможно, и рассеяние γ– квантов как с изменением частоты падающего γ– кванта так и без изменения.

Различают:

a) классическое Томсоновское рассеяние без изменения частоты;

b) квантовое Комптоновское рассеяние с изменением частоты.

Томсоновское или классическое, рассеяние имеет место для фотонов, обладающих энергией меньшей, чем энергия связи электрона в атоме.

Комптоновское рассеяние имеет место тогда, когда энергия падающего γ – кванта существенно больше энергии связи электрона в атоме, и электрон можно считать свободным. В результате упругого столкновения с электроном γ – квант передает ему часть своей энергии и импульса. В этом существенно прояв­ляются корпускулярные свойства γ – квантов.

а) Томсоновское рассеяние

Оценим сечение Томсоновского рассеяния, наблюдаемого при небольших энергиях. Пусть ускорение, получаемое электроном, а вектор электрического поля. Т.к. , отсюда .

Известно, что энергия излучаемая частицей за единицу времени равна:

Подставляя значение , получим:

Энергия, излучаемая электроном равна энергии, получаемой от поля, и может быть выражена через эффективное сечение процесса. Т.е. вероятность Томсоновского рассеяния, умноженная на интенсивность падающего излучения, равна полной энергии излучения в единицу времени – ٠(инт.пад.изл.) = (полн. эн.изл. в ед. вр.).

, где

интенсивность падающего излучения;

Подставив I, получим , где

Согласно Томсоноскому рассеянию эффективное сечение не зависит от энергии излучения, т.е. величина постоянная. При энергиях данная формула не справедлива, потому что начинается квантовое (или комптоновское) рассеяние, когда энергия связи электронов в атоме пренебрежимо мала по сравнению с энергией кванта, и поэтому электрон можно считать свободным.

 

b) Комптоновское рассеяние электронов

 

При соударении падающий фотон изменяет энергию, что может быть посдчитано при помощи релятивистских законов сохранения энергии и импульса:

Рис.2

 

После очевидных преобразований в скалярной форме можно получить, что

 

, где

- называется комптоновской длиной волны;

угол рассеяния фотона;

длина волны после рассеяния;

длина волны до рассеяния;

Эти соотношения показывают, что квантовый эффект уменьшения частоты становится существенным при длинах волн порядка комптоновских, т.е. при энергиях 0,5 МэВ. Полное сечение комптоновского рассеяния, рассчитанное на одном атоме равно: , т.е. эффективное сечение комптоновского эффекта, рассчитанное, на один электрон зависит от Z вещества.

Более корректные оценки эффективного сечения показывают, что оно монотонно убывает с энергией.

Домашнее задание: Показать, что комптоновский эффект происходит только на свободных электронах.

c) Образование электрон - позитронной пары.

Если энергия γ - кванта достаточно велика, то становится возможен процесс образования пары, состоящей из электрона и позитрона (рис. 3).

 

Этот процесс идет в поле какой-либо частицы, чаще всего в поле ядра. Здесь проявляется квантовая природа явления и объяснить его можно только пользуясь, представлениями релятивисткой квантовой механики Дирака. В 1928г. Полем Дираком было получено квантово-механическое уравнение, описывающее поведение электронов, которое объясняло все известные свойства электронов: в частности, наличие у него спина и магнитного момента. Решая это уравнение, мы приходим к тому, что полная энергия электрона с импульсом Р записывается в виде:

т.е. возможны не только положительные энергии электронов, но и отрицательные. Предположив, что импульс равен нулю, мы видим, что должны существовать 2 области значений энергии, разделенные промежутком в 2m_ес², т.е. для электрона возможны в принципе 2 области – +m_ес² и -m_ес²

Для второй области полная энергия и масса электрона отрицательна, т.е. электрон, находясь в этой области, обладает странными свойствами, он двигается, в сторону противоположную, действующей на него силе. Дирак показал, что если допустить существование положительного электрона, то можно понять вторую отрицательную область: он предположил, что все уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, заняты электронами, образуя равномерный и ненаблюдаемый фон.

Если сообщить электрону энергию больше суммы энергий покоя электрона и позитрона: 2m_ес² =1,022 МэВ, то электрон, перейдя в первую область, будет вести себя как нормальный электрон. В квантовой механике такие переходы не запрещены.

Одновременно, в том месте, откуда ушел электрон, создается дырка, которая будет обладать равными по знаку и противоположным импульсом зарядом, т.е. «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон, что и должно быть замечено в электрических и магнитных полях.

В 1932г. Андерсен в космических лучах обнаружил позитрон; электрон и позитрон назвали частицей и античастицей, и на них впервые было показано, что законы природы симметричны относительно частиц и античастиц, а также существование антимиров. Рассмотрим процесс, представляющий собой процесс рождения пары.

Можно показать, что закон сохранения энергии импульса нарушается при создании пары одним изолированным фотоном, действительно по закону сохранения энергии

,

где - импульс позитрона, - импульс электрона.

Согласно закону сохранения импульса

, знак = имеет место, когда обе частицы движутся в одном направлении.

Развертывая последнее имеем

Из первого уравнения следует, что

Оба эти выражения несовметимы

Домашнее задание: Показать, что рождение электронно-позитронной пары происходит наиболее вероятно в поле третьей частицы.

 

ГЛАВА IV. Ядерные силы

Свойства ядерных сил

1. Ядерные силы велики по абсолютной величине. Они относятся к самым сильным из всех известных взаимодействий в природе.

До сих пор нам было известно четыре вида взаимодействия:

а) сильные (ядерные) взаимодействия;

б) электромагнитные взаимодействия;

в) слабые взаимодействия, особенно ясно наблюдаемые у частиц, не проявляющихся в сильных и электромагнитных взаимодействиях (нейтрино);

г) гравитационные взаимодействия.

Для примера достаточно сказать, что обусловленная ядерными силами энергия связи простейшего ядра — дейтрона — равна 2,26 Мэв, в то время как обусловленная электромагнитными силами энергия связи простейшего атома — водорода — равна 13,6 эв.

2. Ядерные силы обладают свойством притяжения на расстояниях в области 10^-13см, правда, на существенно меньших расстояниях переходят в силы отталкивания. Это свойство объясняют наличием у ядерных сил отталкивающей сердцевины. Оно было обнаружено при анализе протон- протонного рассеяния при высоких энергиях. Свойство притяжения ядерных сил следует из одного существования атомных ядер.

3. Ядерные силы являются короткодействующими. Радиус их действия имеет порядок 10^{-13 см.} Свойство короткодействия было выведено из сравнения энергий связи дейтрона и α -частицы. Однако, оно следует уже из опытов Резерфорда по рассеянию α -частиц ядрами, где оценка радиуса ядра ~10^-12см.

4. Ядерные силы носят обменный характер. Обменность является существенно квантовым свойством, благодаря которому нуклоны при столкновении могут передавать друг другу свои заряды, спины и даже координаты. Существование обменных сил прямо следует из опытов по рассеянию протонов высоких энергий на протонах, когда в обратном потоке рассеянных протонов обнаруживаются другие частицы – нейтроны.

5. Ядерное взаимодействие зависит не только от расстояния, но и от взаимной ориентации спинов взаимодействующих частиц, а также от ориентации спинов относительно оси, соединяющей частицы. Эта зависимость ядерных сил от спина вытекает из опытов по рассеянию медленных нейтронов на орто и параводороде.

Существование такой зависимости следует также из наличия квадрупольного момента, следовательно, ядерное взаимодействие является не центральным, а тензорным, т.е. оно зависит от взаимной ориентации суммарного спина и проекции спина. Например, при ↑↑ ориентации спинов n и p энергия связи дейтрона 2.23 Мэв.

6. Из свойств зеркальных ядер (зеркальными называются ядра у которых нейтроны заменены протонами, а протоны нейтронами) следует, что силы взаимодействия между (р, р), (n, n) или (n, р) одинаковы. Т.е. существует свойство зарядовой симметрии ядерных сил. Это свойство ядерных сил носит фундаментальный характер и указывает на глубокую симметрию, существующую между двумя частицами: протоном и нейтроном. Оно получило название зарядовой независимости (или симметрии) или изотопической инвариантности и позволило рассматривать протон и нейтрон как два состояния одной и той же частицы — нуклона. Изотопический спин был введен впервые Гейзенбергом чисто формально и принято считать, что он равен Т=-1/2 – когда нуклон находится в состоянии нейтрона, и Т=+1/2 когда нуклон находится в состоянии протона. Предположим, что существует какое-то трехмерное пространство, названное изотопическим, не имеющее отношения к обычному декартовому пространству, при этом каждая частица находится в начале координат этого пространства, где она не может двигаться поступательно, а только вращается и имеет соответственно в этом пространстве собственный момент количества движения (спин). Протон и нейтрон представляют собой частицу по-разному ориентированную в изотопическом пространстве и нейтрон переходит в протон при повороте на 180 градусов. Изотопическая инвариантность означает, что взаимодействие в любых двух парах нуклонов одинаково, если эти пары находятся в одинаковых состояниях, т.е. ядерное взаимодействие инвариантно относительно поворотов в изотопическом пространстве. Данное свойство ядерных сил носит название изотопической инвариантности.

7. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Свойство насыщения ядерных сил проявляется в том, что энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре – А, а не А², т.е. каждая частица в ядре взаимодействует не со всеми окружающими нуклонами, а только с ограниченным их числом. Указанная особенность ядерных сил следует также и из стабильности легких ядер. Нельзя, например, добавлять к дейтрону все новые и новые частицы, известна только одна такая комбинация с добавочным нейтроном – тритий. Протон, таким образом, может образовывать связанные состояния не более чем с двумя нейтронами

8. Еще в 1935г. японский физик Юкава, развивая идеи Тамма, предположил, что должны существовать какие-то другие частицы, ответственные за ядерные силы. Юкава пришел к выводу, что должно существовать поле иного типа, сходное с электромагнитным, но имеющее другую природу, которая предсказала существование частиц, промежуточной массы, т.е. мезонов, позже открытых экспериментально.

Однако, мезонная теория до настоящего времени не смогла удовлетворительно объяснить ядерное взаимодействие. Мезонная теория предполагае