Что удерживает ядра атомов?

Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное ^[1], у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц ^[2]. Мы уже разбирались ^[3], почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?

Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы ^[3]. Какие же силы удерживают ядро атома?

И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.

Рис. 1: противодействующие силы в ядре атома – электрическое отталкивание протонов и остаточное сильное ядерное взаимодействие протонов и нейтронов

Остаточное сильное ядерное взаимодействие

Если бы в природе существовали только гравитационное и электрическое взаимодействие, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, ядра с множеством протонов просто разлетелись бы: электрические силы, расталкивающие протоны друг от друга, в миллион миллионов миллионов раз превосходили бы их гравитационное притяжение. Так что должна существовать другая сила, обеспечивающие притяжение, пересиливающее электрическое отталкивание. Эта сила – сильное ядерное взаимодействие – хотя в самом ядре можно наблюдать лишь тень её истинного величия. Изучив структуру самих протонов и нейтронов, мы поймём истинные возможности сильного ядерного взаимодействия. А в ядре мы встречаем лишь то, что часто называют «остаточным взаимодействием» – а я буду называть его «остаточное сильное ядерное взаимодействие». Иногда этот термин не используется – его просто называют сильным ядерным взаимодействием, но такое различие делать полезно.

Предупреждение: в итоге получается, что хотя в целом сильное ядерное взаимодействие – сила, действующая между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона – достаточно проста, в каком-то смысле, остаточное сильное ядерное взаимодействие является сложным остатком различных взаимно уничтожающихся эффектов, в связи с чем не существует простой картинки, описывающей всю физику ядра. И это не удивительно, учитывая внутреннюю сложность строения протонов и нейтронов. Тут можно провести некую аналогию между атомами и молекулами.

В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.

После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.

Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.

Схема работы

Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть, не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.

И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:

• Чтобы протоны держались вместе, необходимы нейтроны, а чтобы нейтроны держались вместе, необходимы протоны.
• Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, тогда электрическое отталкивание протонов нужно компенсировать добавлением нескольких дополнительных нейтронов.

Иллюстрация последнего утверждения представлена на рис. 3, где показаны стабильные (чёрный) и относительно долгоживущие, но нестабильные (цветные) ядра, в виде графика зависимости количества протонов Z от количества нейтронов N, содержащихся в них. Обратите внимание, что у стабильных ядер Z и N примерно равны при малых значениях, но N постепенно становится больше, чем Z, с их увеличением. Также обратите внимание, что полоса стабильных и долгоживущих ядер остаётся довольно узкой для всех значений Z. Несмотря на потрясающий прогресс ядерной физики за последние 80 лет не существует общепризнанного и простого объяснения этого примечательного факта. Я думаю, его считают странным совпадением.

Рис. 3

Размер ядра

Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.

Как мы видели в предыдущей статье ^[3], то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:

• Масса атома практически равна массе его ядра,
• Размер атома (размер электронного облака) обратно пропорционален массе электрона и обратно пропорционален силе электромагнитного взаимодействия; принцип неопределённости квантовой механики играет тут критическую роль.

Что насчёт дейтрона? Он сходным образом состоит из двух объектов, но почти равной массы (масса нейтрона и протона отличается всего на 1/1500, по причинам, которые мы поймём позже), поэтому оба они одинаково важны в определении массы и размера дейтрона. Допустим, у нас была бы новая сила, притягивающая протон к нейтрону, похожая на электромагнитную (на самом деле всё не так, но просто представьте): тогда, по аналогии с водородом, мы бы ожидали, что размер дейтрона будет обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорционален силе нового взаимодействия. Если бы это взаимодействие было таким же сильным, на определённом расстоянии, как электромагнетизм, это означало бы, что, поскольку протон примерно в 1850 раз тяжелее электрона, что дейтрон (и любое ядро) должно быть по меньшей мере в 1000 раз меньше водорода.

Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:

• Протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов,
• На таких расстояниях сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами ядра во много раз сильнее, чем соответствующие электромагнитные силы (включая электромагнитное отталкивание протонов в ядре).

Эта наивная догадка привела нас к почти правильному ответу! Но она не полностью описывает всю сложность взаимодействий между протоном и нейтроном в дейтерии. Одна очевидная проблема – сила, похожая на электромагнетизм, но большая по мощности, очевидно, повлияла бы на повседневную жизнь, а мы ничего такого не наблюдаем. Так что что-то у этого взаимодействия должно отличаться от электрического.

Рис. 4

Малое расстояния действия этой силы

Отличается то, что это остаточное сильное ядерное взаимодействие очень важное и мощное для протонов и нейтронов, расположенных совсем недалеко друг от друга, но на достаточно больших расстояниях (на дистанции действия силы) она начинает очень быстро уменьшаться, гораздо быстрее электромагнитной. Дистанция – по какому-то совпадению – оказывается равной размеру относительно большого ядра, всего в несколько раз больше протона. Если свести протон и нейтрон вместе, на расстояние, сравнимое с этой дистанцией, они притянутся друг к другу и сформируют дейтрон. Если оставить их на большем расстоянии, они вообще почти не почувствуют притяжения. А если свести их очень близко вместе, так, чтобы они накладывались друг на друга, они начнут отталкиваться; чёрт, я предупреждал вас, что остаточное сильное ядерное взаимодействие очень сложное! Короче говоря:

• Остаточное сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее электромагнетизма на расстояниях гораздо больших размера типичного ядра, так что мы не встречаем его в повседневной жизни.
• На коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее – это притяжение (на не слишком малых дистанциях) способно превзойти электрическое отталкивание других протонов.

Более крупные ядра удерживаются более-менее тем же взаимодействием, что удерживает дейтрон, но детали этого процесса сложные и технические, и их нелегко описать. Да их и не до конца ещё понимают. Хотя общие контуры физики ядра хорошо понимают уже много десятилетий, многие важные детали всё ещё исследуют.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник ^[4]