Ядерные силы — это силы, действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) внутри атомного ядра. Эти силы ответственны за удержание протонов и нейтронов в пределах крошечного объёма ядра, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между положительно заряженными протонами. Ядерные силы являются проявлением сильного взаимодействия, одного из четырёх фундаментальных взаимодействий природы.
Ядерные силы не сводятся к электромагнитному или гравитационному взаимодействию. Они обладают рядом специфических свойств, отличающих их от других типов взаимодействий.
Одним из фундаментальных свойств ядерных сил является их краткодействие. Они эффективно действуют на расстояниях порядка 1–2 фемтометров (1 фм = 10⁻¹⁵ м) и резко убывают при увеличении расстояния. За пределами 3 фм притяжение между нуклонами практически исчезает.
Для описания зависимости силы от расстояния между нуклонами используется потенциальная модель, в частности, потенциал типа Юкавы:
$$ V(r) = -g^2 \frac{e^{-\mu r}}{r} $$
где g — постоянная связи, μ связано с массой обменной мезонной частицы, r — расстояние между нуклонами. Эта форма потенциала иллюстрирует экспоненциальное затухание взаимодействия с ростом расстояния.
Ядерные силы обладают свойством насыщаемости: каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. Это означает, что энергия связи на один нуклон в тяжёлых ядрах остается приблизительно постоянной (около 8 МэВ), несмотря на увеличение числа нуклонов. В отличие от гравитационного и электростатического взаимодействий, сила ядерного взаимодействия не увеличивается пропорционально числу частиц.
Это свойство объясняет, почему плотность ядерного вещества одинакова для всех ядер, и почему ядерная материя стремится к стабильной конфигурации с ограниченным числом связей для каждого нуклона.
Ядерные силы почти не зависят от электрического заряда нуклонов. Взаимодействие протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон практически одинаково, если исключить электростатическое отталкивание между протонами. Это означает, что ядерные силы являются изоспин-инвариантными — они сохраняют симметрию при замене протона на нейтрон и наоборот (в пределах изоспинового двойного состояния).
Однако незначительные различия всё же наблюдаются и связаны с разностью масс протона и нейтрона, а также с электромагнитным вкладом.
Ядерные силы зависят от спинового состояния нуклонов. Эксперименты показывают, что сила взаимодействия между нуклонами изменяется в зависимости от того, параллельны их спины или антипараллельны. Эта зависимость проявляется, например, в существовании дейтрона — устойчивого ядра из протона и нейтрона, находящихся в триплетном (параллельном) спиновом состоянии, и отсутствии связанного состояния в сингулетном состоянии.
Таким образом, потенциал ядерных сил должен содержать компоненты, зависящие от спина, например:
V = Vc(r) + Vs(r)(σ⃗1 ⋅ σ⃗2)
где σ⃗1, σ⃗2 — спиновые операторы нуклонов, Vc(r) — центральная часть потенциала, Vs(r) — спин-зависимая часть.
Ядерные силы не являются строго центральными, то есть зависят не только от расстояния между нуклонами, но и от направления их относительных спинов. Это приводит к тензорной компоненте ядерного взаимодействия. Тензорные силы играют решающую роль, например, в структуре дейтрона, вызывая его электрический квадрупольный момент — признак несферической формы волновой функции.
Тензорная часть потенциала записывается как:
VT(r) = Vt(r) ⋅ S12
где S12 — тензорный оператор, зависящий от взаимного расположения спинов и направления вектора r. Эта компонента обеспечивает смешивание орбитальных состояний с разными орбитальными моментами (например, s- и d-состояний).
Согласно квантовой теории поля, ядерные силы являются результатом обменных процессов — нуклоны обмениваются виртуальными частицами. В классической модели Юкавы предполагается, что переносчиками ядерного взаимодействия являются π-мезоны (пионы). С точки зрения кварковой структуры, нуклоны состоят из трёх кварков, связанных глюонами — носителями глубинного сильного взаимодействия (КХД, квантовой хромодинамики). Но на уровне ядерной физики эффективная картина обмена мезонами сохраняет своё объяснительное значение.
Энергетический обмен между нуклонами происходит за счёт виртуальных процессов:
p + n → p + n + (π0, π+, π−)
Передача импульса и энергии сопровождается временным возбуждением нуклонов и их полей, что обеспечивает силы притяжения.
Полный эффективный потенциал ядерного взаимодействия между двумя нуклонами можно условно разделить на несколько частей:
Это разделение позволяет более точно описывать структуру ядер, уровни энергии и характер ядерных реакций.
Эксперименты по рассеянию нуклонов свидетельствуют, что при расстояниях менее 0,5 фм возникает сильное отталкивание, называемое жёстким ядром ядерных сил. Это отталкивание предотвращает схлопывание ядра и играет роль стабилизатора плотности ядерной материи. Причины этого эффекта могут быть связаны с кварковой структурой нуклонов и принципом Паули, запрещающим тождественным фермионам занимать одно и то же квантовое состояние.
Ядерные силы обусловливают энергию связи нуклонов, определяющую устойчивость ядра. Эта энергия характеризует разность между массой системы нуклонов в связанном состоянии и суммой масс изолированных нуклонов. Связанные состояния существуют, когда потенциальная энергия взаимодействия превышает кинетическую. Вклад в энергию связи дают все компоненты ядерного потенциала.
Из-за насыщаемости и спиновой зависимости ядерной энергии связи возможны устойчивые и неустойчивые изотопы, ядра с магическими числами, а также сложная оболочечная структура.
На уровне макроскопических явлений ядерные силы ответственны за:
Благодаря ядерным силам возможны такие процессы, как синтез элементов, образование тяжёлых ядер в сверхновых, и существование стабильных атомов.
Для описания ядерных сил применяются различные модели:
Разработка эффективных моделей позволяет описывать рассеяние, связывание, резонансы, спектры ядер и динамику реакций.