Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами в ядре имеет место очень интенсивное взаимодействие.
Это взаимодействие носит характер притяжения и удерживает нуклоны на расстоянии ~ м 10-15 друг от друга.
Ядерное взаимодействие между нуклонами получила название сильного взаимодействия. Ее можно описать с помощью поля ядерных сил, которые характеризуются следующими свойствами:
1. Ядерные силы являются короткодействующими. Они действуют на расстоянии от м 10-15 до м 2 ? 10-15. При расстоянии между нуклонами меньшей, чем м 10-15 они переходят в силы отталкивания.
2. Зарядовая независимость ядерных сил - сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклона.
3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов.
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения - каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным количеством нуклонов. По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны в ядре обмениваются частицами, которые получили название виртуальных мезонов.
В квантовой механике виртуальными называют частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования, и которые рождаются, как бы, с нарушением закона сохранения энергии. Согласно квантовой механике энергия состояния, существует время _t, определена лишь с точностью _Е, которая удовлетворяет соотношению неопределенностей. Из этого соотношения следует, что энергия системы может пострадать отклонения _Е, продолжительность которого _t не должна превышать значения, которое определяется условием (31.1). Таким образом, если виртуальный мезон, который исходящее нуклонов, будет поглощен этим или инщим нуклонов до истечения времени _t = ћ / e (где e - энергия мезона), нарушение закона сохранения энергии нельзя проявлять, и такие частицы называются виртуальных.
Носителями ядерных сил ?-мезоны (или пионы), которые были открыты в 1947 году. Существуют положительный ? +, негативный ?-, нейтральный ?0 мезоны. Название заряженных пионов одинакова, равна 273 mе, масса ?0 мезона равна 264 mе. Спин, как заряженных, так и нейтрального ?-мезонов равен нулю (s = 0). Нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных ?-мезонов, которые и образуют поле ядерных сил. Поглощение этих мезонов другими нуклонами приводят к сильной взаимодействия между нуклонамию. Протон испускает виртуальный ? + мезон и превращается в нейтрон.
Мезон поглощается нейтроном, который в результате этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении. Каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводят в зародившемся состоянии, а часть - в нейтральном. нуклоны обмениваются ?0 мезонами. Первый из этих процессов находит опытное подтверждение в рассеянные нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водород в нем появляются протоны, многие из которых имеют ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Соответствующее количество нейтронов, которые находятся в состоянии покоя, проявляется в мишени с водородом. Часть нейтронов, пролетает вблизи протонов, захватывает один из виртуальных ? + мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а протон, который потерял свой заряд, превращается в нейтрон.
В современной физике используются так называемая кварк модели адронов (адроны - это частицы, которые сил на взаимодействуют, т.е. нуклоны (нейтроны и протоны) и мезоны). Исторически понятие кварков возник в связи с необходимостью систиматизуваты исследовательские данные о реакции с адронами. Експеременталне наблюдения мелко заряженных кварков подтвердил, что кварки - это физические объекты, которые динамически связаны внутри адронов.