Первую квантовую теорию ядерных сил предложил японский физик Хидоки Юка́ва (1907-1981). Он исходил из известной к тому времени идеи, что все
фундаментальные силы в природе обусловлены обменом некими частицами — переносчиками взаимодействия. Юка́ва сумел оценить массы частиц, ответственных за
ядерные взаимодействия, воспользовавшись экспериментальными данными о размерах ядер.
Юка́ва рассуждал так: если электромагнитные силы переносятся фотонами, то сильная и слабая силы тоже должны иметь соответствующие частицы-переносчики. Однако в отличие от не ограниченного расстоянием
электромагнитного взаимодействия, сильное взаимодействие очень короткодействующее — отсюда следует, что у частиц-переносчиц должна быть масса. Для определения этой массы Юка́ва применил принцип неопределённости и обнаружил,
что она должна иметь значение в промежутке между массами электрона и протона и составлять примерно 200 масс электрона. Но в то время о такой частице ничего не было известно.
В 1936 году было сделано открытие, которое заставило вспомнить о предсказании японского физика. Карл
Андерсон, проводивший с помощью камеры Вильсона измерения космических лучей на горе Пайк в Колорадо, обнаружил в своих опытах след с неожиданной траекторией.
Радиус кривизны соответствовал частице с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, и все вдруг заинтересовались идеей Юка́вы.
Однако при детальном изучении новой частицы оказалось, что, ко всеобщему разочарованию, она не взаимодействует с ядром. Частица Юка́вы,
переносящая взаимодействие между протонами и нейтронами, должна была бы сильно взаимодействовать с ядром. Обнаруженную частицу назвали мю-мезоном, или кратко, мюоном.
Прошло ещё десять лет. В 1947 году бристольский физик Пауэлл обнаружил среди космических лучей другой мезон, который сильно взаимодействовал
с ядром. Эту частицу назвали пи-мезоном, или кратко пионом. Теперь известны три пиона: заряженные (π+, π–) и нейтральный (π0).
Вскоре стало ясно, что идея Юка́вы вполне разумна и что сильное взаимодействие действительно есть результат обмена мезонами.
Подробно:
Физика ядра и элементарных частиц
Теория Юкавы
Комментарий автора сайта: Наша Вселенная представляет собой скопление вещества, под которым имеются ввиду всевозможные комбинации мельчайших корпускул, так называемых элементарных частиц. Частицы - материал, из которого построена Вселенная. Если его должным образом связать,
получатся атомы, молекулы, разнообразные физические тела, химические соединения и биологические ткани; из него же в конечном счёте состоят гигантские звёзды и далёкие галактики. Но каким образом связываются друг с другом элементарные частицы? Какой путь пришлось пройти физике, прежде чем ей удалось достичь
современного понимания природы этих таинственных сил? Эти вопросы мы и рассмотрим в данном разделе сайта.
Учитывая спорность и неоднозначность освещаемых в разделе вопросов, а также имея интересный материал, изложение которого лучше всего выполнено его авторами — известными учёными и исследователями, я считаю целесообразным в некоторых главах раздела использование первоисточников.
Владимир Каланов.
Рассказывает японский физик Рёю Утияма.
Внутренняя структура атома
Юка́ва допустил, что существует ещё пока не открытый «тяжелый фотон», масса которого в 200 — 300 раз больше массы электрона. Такую частицу
можно назвать также «тяжелым квантом» или «тяжелым электроном». По теории Юка́вы, ядерные силы возникают в результате обмена этими гипотетическими частицами между
нуклонами. Массу своей частицы Юка́ва, конечно, вычислил, исходя из известного радиуса действия ядерных сил. Поскольку для массы получилось промежуточное
значение, больше значения массы электрона и меньше значения массы нуклона, Юка́ва назвал свою частицу «мезон» (греческое слово «месон» означает «находящийся посредине, промежуточный»).
Схема обмена мезонами между нуклонами
Выше мы излагали теорию ядерных сил с чисто корпускулярной точки зрения. Но мезон Юка́вы — элементарная частица; значит, он должен иметь двойственную корпускулярно-волновую природу и возможна волновая интерпретация теории ядерных сил.
Произнося слово «фотон», мы тем самым обращаем внимание на корпускулярную сторону микрообъекта, оставляя без внимания тот факт, что он представляет собой ещё и электромагнитную волну (волнообразное движение
электромагнитного поля). Точно так же частица мезон — корпускулярное «лицо» двойственной сущности, волновая природа которой проявляется в колебаниях поля нового вида — мезонного. Рассмотрим теорию Юка́вы с этой точки зрения.
Каждый нуклон создает вокруг себя мезонное поле. Это поле заполняет всю «внутренность» атомного ядра. Если читатель видел когда-нибудь, как в деревянной бадье с водой моют молодую картошку, он может представить себе
атомное ядро в виде такой бадьи, забитой карто́фелинами (нуклонами), купающимися в воде (мезо́нном поле). «Вода» не просачивается из «бадьи» наружу больше чем на радиус действия ядерных сил. Поверхность «воды» постоянно покрыта «рябью», так
как источники мезонного поля («карто́фелины») испускают и поглощают волны этого поля. Волны распространяются от нуклона к нуклону. Посредством мезонных волн нуклоны в ядре прочно скреплены друг с другом. Так выглядит ситуация в атомном
ядре с волновой точки зрения. Юка́ва ввёл в физику новое поле, коренным образом отличающееся от известных ранее гравитационного и электромагнитного полей. Предсказание Юка́вы в действительности оказалось немного неточным: в его теории
как бы перепутались частицы двух совершенно различных типов (впервые это обстоятельство осознал японский теоретик Танигава, почетный профессор университета в Кобе). Одна из этих частиц в 300 раз массивнее электрона и
является переносчиком взаимодействия между нуклонами (теперь её называют пи-мезон, или пион), а вторая — в 200 раз тяжелее электрона и не имеет к ядерным силам никакого отношения. Последняя частица — как бы увеличенная копия
электрона, поэтому разумно было бы назвать её «тяжелый электрон», но привилось название «мюон». Несмотря на указанную неточность, в настоящее время общепризнано, что работа Юка́вы ознаменовала рождение новой области науки —
физики элементарных частиц. В этом великое значение теории Юка́вы. Нечего и говорить, что за свою работу Юка́ва совершенно заслуженно получил Нобелевскую премию.
Оглянемся на пройденный путь. Пытаясь объяснить многообразие окружающего нас вещества, учёные пришли вначале к атомной гипотезе, согласно
которой вещество построено из комбинаций сравнительно немногочисленных составных частей — атомов. Оказалось, впрочем, что атомов не так уж и мало — около сотни.
Физики двинулись дальше в глубь вещества и добились успеха, объяснив многообразие атомов различиями в их внутренней структуре. В ходе этих
исследований учёные постепенно проникли в мир ещё более мелких частиц: от атомных ядер спустились до объектов, получивших название «элементарные частицы».
