Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, 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. 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, 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.