§ 3.12 Природа ядерных сил

§ 3.12 Природа ядерных сил

Ядерные силы имеют много особенностей, но у них нет особой природы. Отнюдь. Они кулоновские силы, электростатические. И потому нет необходимости ни в теориях обменных сил, ни в аналогиях с вращением нуклонов или пионов по орбитам атомарного типа.

В. Мантуров, "Ядерные силы — предложение разгадки" [79]

Притяжение нуклонов, ядер возникает, как было выяснено, за счёт их электрон-позитронной структуры (§ 3.2, § 3.9). Заряды e^- и e⁺, расположенные, словно ионы в кристалле соли, периодично, в шахматном порядке, встают друг против друга. За счёт этого, даже нейтральные частицы такой структуры притягиваются (Рис. 125). Это подобно притяжению двух диполей: они нейтральны, но при их взаимной ориентации, возникает сила притяжения, быстро спадающая с удалением (такую электромагнитную природу ядерных сил физики предполагали уже давно [19, с. 228]). Подобный механизм ядерного взаимодействия ведёт к тому, что оно заметно лишь на дистанциях r порядка периода (шага) электрон-позитронной решётки, равного классическому радиусу электрона 10^-15 м. Оттого такой радиус действия имеют и ядерные силы. Физики не обращали внимания на это совпадение, поскольку не могли его объяснить. Когда, в ходе сближения частиц, ядерная сила превысит силу кулоновского отталкивания, ядра станут притягиваться. С этого момента энергия притяжения преобразуется в энергию ядерной реакции, поскольку притяжение придаёт сходящимся ядрам скорость, кинетическую энергию, — как при аннигиляции e^- и e⁺ (§ 1.16).

Рис. 125. Силы притяжения частиц со структурой электрон-позитронного кристалла (ядерные силы) и аналогичное взаимодействие диполей.

Аналогично ядерным реакциям, протекает распад-синтез элементарных частиц и выделение энергии. Деление частиц — это не обращение в новые частицы, а распад на составляющие, с сохранением их числа, — как в ядерной реакции сохраняется число протонов и нейтронов. Элементарные частицы, представляющие собой кристаллические комплексы из e- и e+, скрепляются воедино электростатическими силами притяжения, аналогичными ядерным. У ядер и частиц устойчивость, стабильность определяются формой этих кристаллов (§ 3.9). Чем более она совершенна, симметрична, ближе к правильному телу с плоскими гранями, — тем более устойчива, прочна частица. Так и в жизни: прочнее компактные вещи, близкие к кубу, лишённые выступов.

Почему же при делении частица всегда разбивается на одни и те же частицы, — на осколки правильной формы, и распады идут известным путём? Если бить однотипные кирпичи, кубики стекла, их осколки каждый раз будут иметь разные массы и формы, притом неправильные, в то время как частицы разбиваются всегда на известные элементарные частицы, с их строго заданной формой и массой. Всё дело в изотропных (одинаковых во всех направлениях) свойствах кирпичей и стекла, отчего им энергетически безразлично, на какие части ломаться. Зато, у элементарных частиц, за счёт кристаллической структуры, прочность сильно зависит от направления деформации, отчего кристаллы при ударе разваливаются по плоскостям спайности. Вспомним, что частицы, построенные из зарядов e⁺ и e^-, подобны кристаллам соли из ионов Na⁺ и Cl^- (Рис. 120). Так вот, если ударить молотком по кристаллу каменной соли, он развалится на куски правильной формы — на кубики и параллелепипеды [164]. То же и при распаде частиц, делящихся на правильные фрагменты, — на другие стандартные частицы, причём с заданным соотношением их масс и форм, поскольку частица разбивается на предельно устойчивые части, ломаясь в местах наименьшей прочности. Ведь, как нашли выше, частицы, подобно зданиям, пирамидам, построены из правильных кирпичей, блоков (мезонов, § 3.8), распадаясь при ударе не на мелкую пыль и крошку, а на эти "кирпичи" и крупные блоки из них. Частица может делиться и несколькими путями. Но в этом не больше странного, чем в способности молекул химически делиться двумя-тремя способами. Вероятность данного пути распада определяется прочностью образуемых фрагментов. Чем симметричней, устойчивей возникшие частицы, то есть, чем ниже их остаточная энергия и выше энерговыделение, тем вероятней данный путь распада, что подтверждает и опыт. Потенциальная энергия системы стремится к минимуму.

Рис. 126. Взаимодействие электрона с одномерным знакопеременным распределением заряда.

Чтобы лучше понять природу ядерных сил и изучить их количественно, рассмотрим одномерное периодичное знакопеременное распределение зарядов. Его можно представить зависимостью плотности заряда ? от координаты x в виде

?=(e/r₀²)cos(x/r₀),

где r₀ — радиус электрона, e — его заряд. Это — как бы набор чередующихся заряженных нитей с поверхностной плотностью ? (Рис. 126). Сила притяжения электрона к тонкой заряженной нити шириной dx, есть

dF=e?dx/2??₀R,

где R — расстояние до элемента dx. Нам важна лишь поперечная к оси х составляющая силы притяжения

dF_z=dF(z/R)=e?zdx/2??₀R²,

где R²=z²+x². Интегрируя dFz в пределах изменения x от минус до плюс бесконечности, найдём по таблице интегралов силу

F_z= (e²/2r₀2?₀)exp(—z/r₀).

Такова сила притяжения к системе электрона, помещённого над положительным зарядом (позитроном, Рис. 126). И с той же силой он будет отталкиваться, находясь напротив отрицательного заряда (электрона), как легко увидеть, изменив знак ?.

Получить двумерное периодичное распределение заряда можно, сложив два одномерных ?(x)=(e/r₀²)cos(x/r₀) и ?(y)=(e/r₀²)cos(y/r₀), как бы переплетя две системы скрещенных заряженных нитей в полотно, ткань, сетку (Рис. 127). Тогда, сила притяжения к такой электрон-позитронной решётке, по принципу суперпозиции, есть просто сумма отдельных сил: F_z+F_z=(e²/r₀²?₀)exp(—z/r₀). Таким образом, электрон притягивается к положительным узлам этой решётки, и сила притяжения экспоненциально спадает с удалением z от плоскости кристаллической частицы. Материя тел и частиц "соткана" из положительных и отрицательных зарядов, словно простая тканая материя — из переплетённых нитей основы и утка, выходящих на поверхность в шахматном порядке, подобно электронам и позитронам, образующим своего рода шахматную доску. Электроны, как магнитные шахматные фигурки, прилипают к этой шахматной доске в точно отведённых им клетках (напротив позитронов, Рис. 101).

Рис. 127. Сложение двух одномерных распределений заряда даёт двумерное, как в электрон-позитронной решётке.

Так же прилипают к электрон-позитронным слоям и протоны с нейтронами. Ведь и сами они подобны кристаллам, образованным электронами и позитронами (§ 3.2, § 3.9). Протон и нейтрон стягиваются гранями так, что электроны одной частицы становятся против позитронов другой и наоборот. Тогда полная сила F притяжения частиц равна сумме сил притяжения всех электронов и позитронов: F=N(e²/r₀²?₀)exp(—z/r₀), где N — число зарядов в контактирующих гранях. То есть, сила сцепления двух протонов или нейтрона и протона спадает с удалением z по экспоненте. Именно такой закон и был открыт для ядерных сил. Причём, предложенный механизм ядерного притяжения сразу объясняет, почему ядерные силы — короткодействующие, а характерный радиус их действия совпадает с классическим радиусом электрона r₀ (порядка 10^–15 м), чего квантовая физика объяснить не могла. Всё дело в том, что множитель exp(—z/r₀) в выражении для F, по мере удаления, быстро стремится к нулю, делая ядерную силу F заметной лишь на расстояниях z порядка r₀ и, практически неощутимой, — на расстояниях б?льших 3r₀.

Выходит, ядерные силы, так же как магнитные и гравитационные, имеют электрическую природу [19, 79]. Два протона при сближении сначала отталкиваются, поскольку сила электрон-позитронного взаимодействия их граней мала. По мере сближения, эта ядерная сила быстро нарастает и, наконец, превосходит силу кулоновского отталкивания. Напомним: протон образуют примерно 900 электронов и 900 позитронов, но позитронов на один больше, чем вызван положительный заряд протонов, который и отталкивает частицы. Силы взаимодействия прочих электронов и позитронов уравновешены. Но, при сближении и взаимной ориентации протонов, за счёт их упорядоченного строения, баланс сил нарушается: возникает притяжение их кристаллических решёток, удерживающее частицы вместе. Влияние взаимной ориентации нуклонов и ядер на степень их взаимодействия, действительно, давно обнаружено [19, с. 319], но от незнания природы ядерных сил и структуры ядерных частиц, этот эффект, подобно магическим числам, не находил объяснения.

Аналогично нуклонам, сцепляются и другие частицы, имеющие кристаллическое строение и крепящиеся друг к другу электронами, встающими напротив позитронов, как детали детского конструктора, с их крепёжными выступами и впадинами, расположенными в шахматном порядке. Интересно, что похожую механико-геометрическую теорию связи микрочастиц, сцепленных плоскими гранями тем прочней, чем больше площадь их контакта (а значит, число N образующих грани зарядов), ещё в середине XVIII века развивал М.В. Ломоносов. Впрочем, поверхности, которыми соприкасаются нуклоны, — это не всегда плоские грани, ибо они могут иметь и более сложную, уступчатую форму, с крупными выступами и впадинами, входящими друг в друга как элементы паззла. В этом случае, площадь контакта частиц и число связей N зарядов — увеличены, отчего увеличена прочность связи. Этим можно объяснить, почему некоторые сочетания нуклонов особенно прочны и стабильны (вспомним магические числа нуклонов, § 3.6), что происходит, когда при соединении они образуют наиболее правильное, законченное и симметричное тело с минимумом выступов, а, значит, — минимумом потенциальной энергии (отсюда же — симметричные плоские грани кристаллов). Так, особенно устойчиво сочетание двух протонов и двух нейтронов (альфа-частица, или ядро гелия), что легко объяснимо, если каждый их выступ прочно удерживается в ответной впадине, образуя укомплектованную частицу, подобно тому, как четыре элемента на эмблеме "Microsoft Office" составляют законченный паззл в виде ровного квадрата.

Как видим, кристаллическая, бипирамидальная модель ядра не только наиболее проста и естественна, с точки зрения идентичности атомов, но и приводит к изящному объяснению ядерных сил и характера их изменения с расстоянием. Без упорядоченной кристаллической структуры атома и ядра невозможно понять природу оболочек, уровней и спектров. И, вполне закономерно, что известные учёные И. Курчатов и П. Кюри, заложившие фундамент ядерной физики у нас и за рубежом, пришли в эту область не из квантовой физики, а из физики кристаллов, которым посвящены их ранние исследования. Конечно, отчасти квантовая физика справедлива в том, что в микромире есть дискретность, но суть её не в дискретности энергии (кванты), а в дискретности материи, атома, ядра, построенных из упорядоченно, периодично расположенных частиц. Это — истинно атомистический подход. В физике вообще только два пути: один — атомистика, а всё прочее — мистика (§ 5.14). К мистике относится и квантовая механика, и теория относительности, наделяющая пустое пространство свойствами. Согласно же атомистике в мире нет ничего, кроме пустоты, — пустого пространства, не имеющего свойств, и движущихся частиц и тел, наполняющих эту пустоту и подчиняющихся законам механики. Этот принцип постройки справедлив на всех этажах мироздания. Любое тело — это набор частиц, любой процесс, воздействие — это движение частиц, любая энергия — это кинетическая энергия частиц. Мир устроен предельно просто и гармонично!