Номер 2, страница 197 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 53. Состав атомного ядра. Глава 7. Физика атомного ядра - номер 2, страница 197.

2. Как осуществляется сильное обменное взаимодействие протона и нейтрона в ядре?

Сильное взаимодействие, которое связывает протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре, является взаимодействием обменного типа. Согласно модели, предложенной японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 году, это взаимодействие осуществляется посредством обмена виртуальными частицами-переносчиками.

Переносчиками сильного взаимодействия между нуклонами служат пи-мезоны (пионы). Процесс обмена можно описать следующим образом:

• Взаимодействие протона и нейтрона. Они могут обмениваться заряженными пионами ($\pi^+$ и $\pi^-$). В ходе этого обмена нуклоны превращаются друг в друга. Например, протон ($p$) испускает положительный пион ($\pi^+$), превращаясь в нейтрон ($n$). Соседний нейтрон поглощает этот пион и становится протоном.

  Схематически реакции выглядят так:

  $p \rightarrow n + \pi^+$

  $n + \pi^+ \rightarrow p$

  Аналогично происходит обмен отрицательным пионом:

  $n \rightarrow p + \pi^-$

  $p + \pi^- \rightarrow n$

  В результате этого непрерывного "перебрасывания" зарядом протон и нейтрон оказываются связанными.

• Взаимодействие одноимённых нуклонов. Два протона или два нейтрона, а также протон с нейтроном, могут обмениваться нейтральными пионами ($\pi^0$). В этом случае нуклоны не изменяют свой тип, но сам факт обмена частицей также приводит к возникновению сил притяжения.

Пионы, участвующие в этом обмене, являются виртуальными. Они рождаются и поглощаются за очень короткое время ($\sim 10^{-23}$ с), которое разрешено квантовым соотношением неопределенностей для энергии и времени. За это время они успевают преодолеть расстояние между нуклонами, обеспечивая их связь. Именно масса пионов определяет малый радиус действия ядерных сил (порядка $10^{-15}$ м).

Важно отметить, что на более глубоком, фундаментальном уровне (согласно квантовой хромодинамике) протоны и нейтроны сами состоят из кварков, а сильное взаимодействие происходит между кварками и переносится глюонами. То, что мы называем сильным взаимодействием между нуклонами, — это остаточное (или вторичное) проявление фундаментального сильного взаимодействия, подобно тому как силы Ван-дер-Ваальса между молекулами являются остаточным проявлением электромагнитных сил.

Ответ: Сильное обменное взаимодействие между протоном и нейтроном в ядре осуществляется за счет непрерывного обмена виртуальными частицами — пи-мезонами (пионами). Обмениваясь заряженными пионами ($\pi^+$ или $\pi^-$), протон и нейтрон превращаются друг в друга. Они также могут обмениваться нейтральными пионами ($\pi^0$), не изменяя свой тип. Этот постоянный обмен частицами создает мощные силы притяжения, которые удерживают нуклоны вместе.