У фізиці поняттям «сила» позначають міру взаємодії матеріальних утворень між собою, включаючи взаємодії частин речовини (макроскопічних тіл, елементарних частинок) один з одним і з фізичними полями (електромагнітним, гравітаційним). Всього відомо чотири типи взаємодії в природі: сильна, слабка, електромагнітне і гравітаційне, і кожному відповідає свій вид сил. Першому з них відповідають ядерні сили, що діють всередині атомних ядер.
Що об`єднує ядра?
Загальновідомо, що ядро атома є крихітним, його розмір на чотири-п`ять десяткових порядків менше розміру самого атома. У зв`язку з цим виникає очевидне запитання: чому воно настільки мало? Адже атоми, що складаються з крихітних часток, все ж набагато більше, ніж частинки, які вони містять.
Навпаки, ядра не сильно відрізняються за розміром від нуклонів (протонів і нейтронів), з яких вони зроблені. Чи є причина цього або це випадковість?
Тим часом, відомо, що саме електричні сили утримують негативно заряджені електрони поблизу атомних ядер. Яка ж сила або сили утримують частинки ядра разом? Це завдання виконують ядерні сили, що є мірою сильних взаємодій.
Сильне ядерна взаємодія
Якби в природі були тільки гравітаційні і електричні сили, тобто ті, з якими ми стикаємося в повсякденному житті, то атомні ядра, що складаються найчастіше з безлічі позитивно заряджених протонів, були б нестабільні: електричні сили, що штовхають протони один від одного будуть у багато мільйонів разів сильніше, ніж будь-які гравітаційні сили, що притягають їх один до одному. Ядерні сили забезпечують притягання ще більш сильне, ніж електричне відштовхування, хоча лише тінь їх істинної величини проявляється в структурі ядра. Коли ми вивчаємо будову самих протонів і нейтронів, то бачимо справжні можливості того явища, яке відоме як сильне ядерне взаємодія. Ядерні сили є його прояв.
На малюнку вище показано, що двома протилежними силами в ядрі є електричне відштовхування між позитивно зарядженими протонами і сила ядерного взаємодії, яка притягує протони (і нейтрони) разом. Якщо число протонів і нейтронів не надто відрізняється, то другі сили перевершують перші.
Протони - аналоги атомів, а ядра - аналоги молекул?
Між якими частками діють ядерні сили? Перш за все між нуклонами (протонами і нейтронами) в ядрі. Врешті-решт вони діють і між частинками (кварками, глюонами, антикварки) всередині протона або нейтрона. Це не дивно, коли ми визнаємо, що протони і нейтрони є внутрішньо складними.
В атомі крихітні ядра і ще більш дрібні електрони перебувають відносно далеко один від одного в порівнянні з їх розмірами, а електричні сили, які утримують їх в атомі, діють досить просто. Але в молекулах відстань між атомами порівняно з розмірами атомів, так що внутрішня складність останніх вступає в гру. Різноманітна і складна ситуація, викликана частковою компенсацією внутрішньоатомних електричних сил, породжує процеси, в яких електрони можуть насправді перейти від одного атома до іншого. Це робить фізику молекул набагато багатше і складніше, ніж у атомів. Аналогічним чином і відстань між протонами і нейтронами в ядрі можна порівняти з їх розмірами - і також, як і з молекулами, властивості ядерних сил, що утримують ядра разом, набагато складніше, ніж просте тяжіння протонів і нейтронів.
Немає ядра без нейтрона, крім як у водню
Відомо, що ядра деяких хімічних елементів стабільні, а у інших вони безперервно розпадаються, причому діапазон швидкостей цього розпаду досить широкий. Чому ж припиняють свою дію сили, які утримують нуклони в ядрах? Давайте подивимося, що ми можемо дізнатися з простих міркувань про те, які є властивості ядерних сил.
Одне з них те, що всі ядра, за винятком найбільш поширеного ізотопу водню (який має лише один протон), містять нейтрони- тобто немає ядра з декількома протонами, які не містять нейтронів (див. Рис. Нижче). Отже, ясно, що нейтрони грають важливу роль в наданні допомоги протонам триматися разом.
На рис. вище показані легкі стабільні або майже стійкі ядра разом з нейтроном. Останній, як і тритій, показані пунктиром, що вказує, що вони в кінцевому підсумку розпадаються. Інші комбінації з малим числом протонів і нейтронів не утворюють ядра зовсім, або утворюють надзвичайно нестабільні ядра. Крім того, показані курсивом альтернативні назви, часто даються деяким з цих об`єктів-Наприклад, ядро гелію-4 часто називають alpha - часткою, назва, яку дала, коли воно було спочатку виявлено в перших дослідженнях радіоактивності в 1890 роках.
Нейтрони в ролі пастухів протонів
Навпаки, немає ядра, зробленого тільки з нейтронів без протонов- більшість легких ядер, таких як кисню і кремнію, мають приблизно те ж саме число нейтронів і протонів (малюнок 2). Великі ядра з великими масами, як у золота і радію, мають дещо більше нейтронів, ніж протонів.
Це говорить про дві речі:
1. Не тільки нейтрони необхідні, щоб протони трималися разом, але і протони потрібні, щоб утримати нейтрони теж разом.
2. Якщо кількість протонів і нейтронів стає дуже великим, то електричне відштовхування протонів має бути скомпенсировано додаванням кількох додаткових нейтронів.
Останнє твердження проілюстровано на малюнку нижче.
На малюнку вище показані стабільні і майже стійкі атомні ядра як функція P (числа протонів) і N (числа нейтронів). Лінія, показана чорними точками позначає стабільні ядра. Будь-яке зміщення від чорної лінії вгору або вниз означає зменшення життя ядер - поблизу неї термін життя ядер складає мільйони років або більше, в міру віддалення всередину синьою, коричневою або жовтою областей (різні кольори відповідає різним механізмам ядерного розпаду) час їх життя стає все коротшим, аж до часток секунди.
Зверніть увагу, що стабільні ядра мають P і N, приблизно рівні для малих P і N, але N поступово стає більше, ніж P більше ніж у півтора рази. Відзначимо також, що група стабільних і довгоживучих нестабільних ядер залишається в досить вузькій смузі для всіх значень P аж до 82. При більшому їх числі відомі ядра в принципі є нестабільними (хоча і можуть існувати мільйони років). Мабуть, зазначений вище механізм стабілізації протонів в ядрах за рахунок додавання до них нейтронів в цій області не має стовідсоткової ефективності.
Як розмір атома залежить від маси його електронів
Як же впливають розглядаються сили на будову атомного ядра? Ядерні сили впливають насамперед на його розмір. Чому ж все-таки ядра так малі в порівнянні з атомами? Щоб з`ясувати це, давайте почнемо з найпростішого ядра, яке має як протон, так і нейтрон: це другий найбільш поширеною ізотоп водню, атом якого містить один електрон (як і всі ізотопи водню) і ядро з одного протона і одного нейтрона. Цей ізотоп часто називають "дейтерій", а його ядро (див. Малюнок 2) іноді називають "дейтрон." Як ми можемо пояснити, що тримає дейтрон разом? Ну, можна уявити собі, що він не так вже відрізняється від атома звичайного водню, який також містить дві частки (протон і електрон). 
На рис. вище показано, що в атомі водню ядро і електрон дуже далекі один від одного, в тому сенсі, що атом набагато більше, ніж ядро (а електрон ще менше.) Але в дейтроні відстань між протоном і нейтроном порівняно з їх розмірами. Це почасти пояснює, чому ядерні сили є набагато складнішими, ніж сили в атомі.
Відомо, що електрони мають невелику масу в порівнянні з протонами і нейтронами. Звідси слідує що
- маса атома, по суті близька до маси його ядра,
- розмір атома (по суті розмір електронного хмари) обернено пропорційний масі електронів і обернено пропорційний загальної електромагнітної сіле- принцип невизначеності квантової механіки грає вирішальну роль.
А якщо ядерні сили аналогічні електромагнітним
Що ж з ДЕЙТРОН? Він так само, як і атом, зроблений з двох об`єктів, але вони майже однаковою маси (маси нейтрона і протона відрізняються лише частини приблизно на одну 1500-у частину), так що обидві частки в рівній мірі важливі у визначенні маси дейтрона і його розміру . Тепер припустимо, що ядерна сила тягне протон до нейтрону так само, як електромагнітні сили (це не зовсім так, але уявіть собі, на мить) - а потім, по аналогії з воднем, ми очікуємо, розмір дейтрона обернено пропорційним масі протона або нейтрона, і обернено пропорційним величині ядерної силі. Якщо її величина була такою ж (на певній відстані), як у електромагнітної сили, то це буде означати, що так як протон приблизно в 1850 разів важче електрон, то дейтрон (і дійсно будь-ядро) має бути принаймні в тисячу разів менше , ніж у водню.
Що дає облік суттєвої різниці ядерних і електромагнітних сил
Але ми вже здогадалися, що ядерна сила набагато більше електромагнітної (на тій же відстані), тому що, якщо це не так, вона була б не в змозі запобігти електромагнітне відштовхування між протонами аж до розпаду ядра. Так що протон і нейтрон під її дією зближуються разом ще більш щільно. І тому не дивно, що дейтрон і інші ядер не просто в одну тисячу, але в сто тисяч разів менше, ніж атоми! Знову ж таки, це тільки тому, що
- протони і нейтрони майже в 2000 разів важче, ніж електрони,
- на цих відстанях, велика ядерна сила між протонами і нейтронами в ядрі у багато разів більше, ніж відповідні електромагнітні сили (в тому числі електромагнітного відштовхування між протонами в ядрі.)
ця наївна здогад дає приблизно правильну відповідь! Але це не повністю відображає складність взаємодії між протоном і нейтроном. Одна з очевидних проблем полягає в тому, що сила, подібна електромагнітної, але з більшою притягує або відразливою здатністю, повинна очевидно проявлятися в повсякденному житті, але ми не спостерігаємо нічого подібного. Так що, щось в цій силі повинно відрізнятися від електричних сил.
Короткий діапазон ядерної сили
Що їх відрізняє, так це те, що утримують від розпаду атомне ядро ядерні сили є дуже важливими і великими для протонів і нейтронів, що знаходяться на дуже короткій відстані один від одного, але на певній відстані (так званому "діапазоні" сили), вони падають дуже швидко, набагато швидше, ніж електромагнітні. Діапазон, виявляється, може також бути розміром з помірно велике ядро, тільки в кілька разів більше, ніж протон. Якщо помістити протон і нейтрон на відстані, порівнянному з цим діапазоном, вони будуть притягатися один до одного і утворюють дейтон- якщо їх рознести на більшу відстань, вони навряд чи будуть відчувати якесь тяжіння взагалі. Насправді, якщо їх помістити занадто близько один до одного, так, що вони почнуть перекриватися, то вони будуть насправді відштовхуються одна від одної. В цьому і проявляється складність такого поняття, як ядерні сили. Фізика продовжує безперервно розвиватися в напрямку пояснення механізму їх дії.
Фізичний механізм ядерного взаємодії
У всякого матеріального процесу, включаючи і взаємодія між нуклонами, повинні бути матеріальні ж переносники. Ними є кванти ядерного поля - пі-мезони (піони), через обмін якими і виникає тяжіння між нуклонами.
Згідно з принципами квантової механіки, пі-мезони, раз у раз з`являючись і тут же зникаючи, утворюють навколо «голого» нуклона щось на зразок хмари, званого мезонів шубою (згадайте про електронні хмарах в атомах). Коли два нуклона, оточені такими шубами, виявляються на відстані близько 10-15 м, відбувається обмін півоніями подібно обміну валентними електронами в атомах при утворенні молекул, і між нуклонами виникає тяжіння.
Якщо ж відстані між нуклонами стають менше 0,7 10-15 м, то вони починають обмінюватися новими частинками - т.зв.. omega- і rho - мезонами, внаслідок чого між нуклонами виникає не тяжіння, а відштовхування.
Ядерні сили: будова ядра від найпростішого до більшого
Резюмуючи все вищесказане, можна відзначити:
- сильне ядерне взаємодія набагато, набагато слабкіше, ніж електромагнетизм на відстанях, значно більших, ніж розмір типового ядра, так що ми не стикаємося з ним в повсякденному житті-а
- на коротких відстанях, порівнянних з ядром, воно стає набагато сильніше - сила тяжіння (за умови, що відстань не дуже короткий), здатна подолати електричне відштовхування між протонами.
Отже, ця сила має значення тільки на відстанях, порівнянних з розмірами ядра. На малюнку нижче показаний вид її залежності від відстані між нуклонами.
Великі ядра утримуються разом за допомогою більш-менш тієї ж сили, що тримає дейтрон разом, але деталі процесу ускладнюються, так що їх непросто описати. Вони також не в повній мірі зрозумілі. Хоча основні обриси фізики ядра були добре вивчені протягом десятиліть, багато важливі деталі все ще активно досліджуються.
