15. Основные характеристики ядерных сил.

Источники информации об ядерных силах.

Нуклоны в ядре удерживаются специфич. ядерн. силами, относящихся к сильн. взаимод-ю. Природа ЯС до сих пор не установлена, их природа изучена недостаточно. Пользуются модельными представлениями и экспериментальными данными.

Информацию о ЯС получают из:

1)рассеяния нуклонов на атомных ядрах;

2)рассеяния ядер на ядрах;

3)изучения свойств дейтрона.

ЯС проявляются в 3 группах процессов:

1)как парное взаимодействие 2х свободных нуклонов, приводящее к образованию дейтрона;

2)как взаимодействие свободных нуклонов с ядрами и ядер друг с другом;

3)взаимодействие нуклонов внутри ядра.

Для описания ЯС используются 2 приближения:

1. Двухчастичное приближение.

Предполагается, что ЯС носят двухчастичный характер. – сумма парных взаимодействий. Н_ab не зависит от присутствия других нуклонов. Н_ab -> U. Т.е. предполагается, что нуклон взаимодействует только с ближайшим окружением;

2. Потенциальный характер ЯС.

ЯС носят потенциальный характер. Нуклоны движутся в потенциале, grad потенциала есть сила. Пренебрегают эффектом запаздывания и структурой нуклона, которая проявляется при энергиях порядка 1 ГэВ. Запаздывание: Е>=300 МэВ. Эти области вне рассм. классич. ЯФиз.

Короткодействующий характер ЯС.

Радиус их действия имеет порядок 10^(-13) см. ЯС притягивают нуклоны друг к другу на расстояниях в области 10^(-13) см, но на существенно меньших расстояниях переходят в силы отталкивания.

Используемые виды потенциальной энергии взаимодействия нуклонов

1). бесконечно глубокая яма: U(r)=0 при 0<r<r_0, U(r)=infinity при r>r_0 и r<0.

2). потенциальная яма конечной глубины: U(r)= -U_0 при 0<r<R и U(r)=0 при r>R и r<0.

3). мезонный потенциал Юкавы: U(r)= -U_0*exp(-r/r_0)/(r/r_0).

4). экспоненциальный: U(r)= -U_0*exp(-r/r_0).

5). потенциал Вудса-Саксона: U(r)= -U_0/(1+exp((r/R)/a). R-область локализации ЯС, а – толщина поверхностного слоя.

6). потенциал с отталкивающей серединой: U=infinity при r>b и U=U_BC или U_Y, где U_BC – потенциал Вудса-Саксона, U_Y – потенциал Юкавы. U_0 порядка 50 МэВ.

Зависимость ЯС от ориентации спинов нуклонов.

Доказано, что сечение рассеяния зависит от взаимной ориентации нуклонов. Если рассмотреть рассеяние орто- и параводорода на нуклонах (ортосостояние – с вверх направленными стрелками у протона, парасостояние – с противоположно направленными). Если бы ЯС не зависели от взаимной ориентации спинов, то не было бы зависимости от состояния водорода. U(с крышкой)=U(r)*I(с крышкой)+U_1(с крышкой) (r_1, S_1(с крышкой), S_2(с крышкой)). U_1 – потенциал, зависящий от взаимной ориентации спинов. U_1(с крышкой) (S_1(вектор с крышкой), S_2(вектор с крышкой)). S(вектор с крышкой)=S_1(вектор с крышкой)+S_2(вектор с крышкой).

Тензорный характер ЯС.

ЯС носят нецентральный характер, т.е. являются тензорными. ЯС зависят не только от взаимной ориентации спинов нуклонов и расстояния, но и от угла между спинами нуклонов и линией соединяющей нуклоны. n(вектор)=r(вектор)/r. U(с крышкой) (r)=V_1(с крышкой) (r)*(S_1(вектор с крышкой),S_2(вектор с крышкой))+V_2(с крышкой) (r)*(S_1(вектор с крышкой), n(вектор))* (S_2(вектор с крышкой), n(вектор)).

Зарядовая независимость ЯС

Обменное взаимодействие – кв-й эффект, проявляющийся в перестановке тождественных частиц.

1). Зарядовая симметрия – ЯС между р-р и n-n тождественны, неразличимы. Рассеяние р на р равно рассеянию n на n.

2). В ядрах электрические силы не являются главными, они уступают короткодействующим, которые являются гораздо более интенсивными. И оказывается, что по отношению к ЯС протон и нейтрон ведут себя одинаково. Одинаковость ядерных взаимодействий для протона и нейтрона носит название зарядовой независимости ЯС. Другое определение – равенство ЯС между р-р, n-n, р-n. Всякое состояние системы р-р и n-n совпадает по свойствам с некоторым состоянием системы p-n, но обратное неверно. Впервые была обнаружена по р-р и р-n – рассеянию.

Изоспин. Закон сохранения изоспина в ядерных превращениях

В изотопическом пространстве частицы не имеют импульса и орбитального момента, но могут иметь момент количества движения, аналогичный спиновому, этот момент называется изотопическим спином

T(вектор с крышкой)={T_x(с крышкой), T_y(с крышкой), T_z(с крышкой)}- изоспин.

Проекция Т_z изоспина на ось Z пробегает значения от –Т до Т.

Ядерные взаимодействия инвариантны относительно поворотов в изотопическом пространстве – это эквивалентно тому, что изоспины являются интегралом движения. T_z=1/2 – для протона, T_z=-1/2 – для нейтрона.

T(вектор с крышкой)=T_1(вектор с крышкой)+T_2(вектор с крышкой).

T_z=-1 для n-n, 0 для p-n и 1 для p-p.

Взаимодействия в системе р-р, n-n, p-n одинаковы, если одинаковы изоспины этих состояний.

Свойство насыщения ЯС.

Насыщение проявляется в том, что энергия связи на нуклон в ядре при увеличении размеров ядра не растет, а остается примерно постоянной. Считается что насыщение обусловлено совместным действием отталкивающей сердцевины и обменного характера ЯС. deltaE_(z,a)=(примерно) eps(с чертой)*A; R пропорционально A^(1/3). V_АЯ пропорциональна А; V_АЯ = const => Плотность ядерной материи постоянная. Каждый нуклон взаимодействует только с ближайшим окружением, а не со всеми нуклонами.

Обменный характер ЯС, обменные силы.

Обменность является квантовым свойством, благодаря которому нуклоны при столкновении могут передавать друг другу свои заряды, проекции спинов. Существование обменных сил следует из опытов по рассеянию нейтронов высоких энергий на протонах. Существует 3 типа обменных сил:

1). силы Майорана – связаны только с перестановкой пространственных координат;

2). силы Бартлетта – связаны с перестановкой спиновых координат;

3). силы Гейзенберга – связаны с перестановкой пространственных и спиновых координат;

4). силы Сербера – силы, которые на 50 процентов симметрические, а на 50 – обменные.

Обменные силы были введены для объяснения свойств насыщения ядер. Силы Сербера не позволяют их объяснить, а силы Майорана и Гейзенберга в какой-то степени позволяют.

Опыты по рассеянию быстрых нейтронов на протонах.

В этом случае угловое распределение уже не изотропно, а симметрично относительно угла 90 град. Сечение имеет макс. под углом 0 град. и точно такой же макс. под углом 180 градусов. Происхождение этого максимума связывают с влиянием обменных сил. Пролетающий мимо протона нейтрон под действием обменных сил может перехватить заряд у протона и стать протоном.

Современное объяснение свойств насыщения ЯС.

Насыщение объясняется обменными силами, отталкивающей сердцевиной или многочастичным взаимодействием. Каждый нуклон взаимодействует только с ближайшим окружением, а не со всеми нуклонами.