Азбука Вселенной. 2. Сильное (ядерное) взаимодействие.

moralg — 11.08.2019 В предыдущем псто были описаны основные характеристики гравитационного и электромагнитного взаимодействий. Которых вполне хватало физикам для понимания законов Вселенной до конца первой четверти прошлого века. Но с началом изучения ядер атомов стало ясно, что в природе есть и другие силы. Ответственные, в частности, за грубейшее нарушение закона Кулона удержанием одноименно заряженных протонов в ядрах атомов и распад никому не мешающего жить индифферентного ко всему нейтрона.

      Эти другие силы нащупали в экспериментах в 30-х - 50-х годах прошлого века и назвали в связи с бедностью воображения тогдашних физиков сильным (ядерным) и слабым взаимодействиеми. Позднее сильное взаимодействие стали называть цветовым, введя понятие цвета, как аналог понятия электрического заряда. Сегодня кратко опишу основные свойства сильного взаимодействия.


      Экспериментальное прощупывание сил взаимодействия протонов и нейтронов в ядрах атомов и их малых окрестностях показало, что сила их притяжения друг к другу неплохо описывается формулой:

                                                                     Fяд ~ k * exp ( - R / R0 ) / R,

где k - некая константа, характеризующая интенсивность взаимодействия, а R0 - радиус протона (R0 ~ 10 ↑ (-13) см = 1 фемтометр).

      Поскольку экспонента в приведенной выше формуле убывает с ростом абсолютной величины своего аргумента гораздо быстрее, чем любая обратная степень этого аргумента, сильное взаимодействие почти перестает ощущаться по сравнению с кулоновским на расстояниях порядка 4-5 R0. На расстояниях же R ~ R0 сильное взаимодействие примерно на два порядка интенсивнее электромагнитного.

      К каким последствиям приводят описанные выше основные свойства сильного взаимодействия?
  1. Сильное взаимодействие удерживает в ядрах атомов электрически одноименно заряженные протоны  и нейтральные нейтроны несмотря на их отталкивание электрическими силами Кулона. Более того, сильное взаимодействие содействует созданию таких ядер в недрах звезд в ходе термоядерных реакций. Подавляя электростатическое отталкивание составляющих их протонов. Без сильного взаимодействия Вселенная состояла бы из отдельных протонов, нейтронов, электронов, фотонов и атомов водорода и ни о каких формах жизни не могло бы быть и речи.
  2. Создание практически всех ядер атомов оказывается возможным только при достаточно больших скоростях более простых ядер. Такие скорости нужны, чтобы при прямых столкновениях преодолеть отталкивание этих простых ядер силами Кулона и эти ядра могли сблизиться настолько, чтобы войти в зону притяжения сильным взаимодействием. Но большим скоростям ядер соответствуют большие температуры их коллективов. Так, для создания ядер гелия из ядер водорода нужны температуры в десятки миллионов градусов, для создания более массивных ядер - во многие десятки и сотни миллионов градусов. Такие температуры есть только в недрах достаточно массивных звезд, а также возникают при их взрывах и слияниях.
  3. Как ни старался Всевышний, но относительно устойчивых ядер массивнее ядер Плутония (протонов - 94, нейтронов ~ 150) ему создать не удалось. Причина проста - с ростом массы ядра растут его радиус и электрический заряд. И для Плутония радиус ядра Rpu ~ 4 * R0. Как раз на таких расстояниях сильное взаимодействие ослабевает настолько, что становится слабее кулоновских сил отталкивания протонов ядра друг от друга. По этой причине ядра всех остальных элементов с атомным номером 95 и более оказались неустойчивыми и их пришлось создавать человеку. Так, у Америция-95 самый устойчивый изотоп имеет период полураспада Т1/2 ~ 7 тысяч лет, у Фермия-100 максимальный Т1/2  ~ 100 дней, у последнего из синтезированных Оганесона-118 Т1/2 ~ 1 микросекунды.

      Все описанное выше - только цветочки, ставшие понятными в середине прошлого века. Начинали созревать ягодки. Сначала в виде огромного количества так называемых "элементарных" частиц, обнаруженных в экспериментах. Построить разумную таблицу которых типа менделеевской никак не удавалось. К середине 60-х годов теоретики обнаружили некие симметрии свойств этих частиц, эквивалентные симметриям группы SU(3) в теории групп (раздел математики). Из них следовало, что все адроны (включая протон и нейтрон) и мезоны должны состоять из небольшого числа кварков, ныне причисляемых к числу фундаментальных частиц. И эти кварки были экспериментально обнаружены в начале 70-х годов.

      Но не кварки оказались носителями сильного взаимодействия. А некие глюоны (от английского клей) - безмассовые, как и фотон частицы, обнаруженные в экспериментах в 1979 году. Самое интересное в том, что фотоны, обеспечивающие электромагнитное взаимодействие между частицами с ненулевым электрическим зарядом, между собой не взаимодействуют. А глюоны, которых оказалось аж 8 типов с разными "цветами" (аналогами электрического заряда) взаимодействовали не только с кварками, но и между собой. Таким образом, общая картина проявлений сильного взаимодействия оказалась гораздо сложнее, чем картина электромагнитного взаимодействия.

      Вся эта сложнейшая картина получила стройное теоретическое обоснование в построенной к концу 1970-х квантовой хромодинамике (КХД).

      Следует отметить еще одну странную особенность сильного взаимодействия кварков. При очень близких пролетах друг относительно друга (на расстояниях много меньших одного фемтометра) кварки почти не взаимодействуют. Но на расстояниях порядка одного фемтометра они взаимодействуют настолько сильно, что в одиночку принципиально не могут удалиться друг от друга. Это явление называют конфайментом (от английского плен). На пальцах его можно понимать так, как будто бы кварки в адронах связаны неразрываемыми упругими пружинками. Разумеется, такое понимание примитивно, но ... наглядно.

      В целом картинка сильного взаимодействия получилась довольно сложной. Надеюсь, она станет понятней, когда мы рассмотрим и обсудим таблицу фундаментальных частиц Стандартной модели (аналог менделеевской) в одном из ближайших постов.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив