2.3  Jaderné síly

Protony a neutrony jsou v atomovém jádru stěsnány ve velmi malém prostoru a dá se proto očekávat, že zde mezi protony bude silné elektrostatické odpuzování. Kdyby nukleony nesvazovala nějaká síla, nemohlo by jádro vůbec držet pohromadě. Existence stabilních nuklidů a stálost jader radioaktivních nuklidů až do okamžiku přeměny však svědčí o tom, že mezi nukleony v jádře působí přitažlivé síly, které umožňují vzájemnou soudržnost souhlasně nabitých protonů a elektricky neutrálních neutronů. Tyto síly nazýváme jaderné síly, jejich podstatou je silná interakce.

Jaderné síly se uplatňují jen v oblasti jádra a mluvíme o nich proto jako o silách krátkého dosahu. Jaderné síly se projevují mezi nukleony pouze při vzdálenostech r Ł 1,5·10^-15 m. Pro vzdálenosti r Ł 0,4·10^-15 m jde o síly odpudivé, nad tyto vzdálenosti o síly přitažlivé.⁵

Informace o jaderných silách lze získat jak ze studia srážek částic, tak i z analýzy chování atomových jader. Další základní vlastnosti jaderných sil lze shrnout do několika následujících bodů:

• Z chování vazebné energie vyplývá, že každý nukleon může interagovat bezprostředně pouze s určitým maximálním počtem sousedních nukleonů - jaderné síly se jeví nasycené.
• Jaderné síly nezávisí na typu nukleonů - jaderné síly jsou nábojově nezávislé.
• Interakce mezi dvěma nukleony s paralelními spiny se liší od interakce nukleonů s antiparalelními spiny - jaderné síly jsou spinově závislé.

Atomová jádra mají samozřejmě i další vlastnosti⁶, ty však přesahují rámec tohoto textu. Navíc při popisu atomových jader vystačíme s uvedenými vlastnostmi.

Jaderné síly můžeme popsat pomocí vhodného potenciálu. Na základě uvedených představ se můžeme pokusit v rámci kvantové mechaniky o výpočet vlastnosti atomového jádra. Vzhledem k tomu, že jde o soustavu mnoha částic a že není znám přesný tvar potenciálu jaderných sil, můžeme použít pouze přibližné metody. V prvním přiblížení můžeme uvažovat, že každý z nukleonů se pohybuje ve středním poli vytvořeném ostatními částicemi a jinak spolu neinteragují. Konkrétní tvar středního jaderného pole pak nejčastěji představuje pole potenciálové jámy. Z kvantové mechaniky vyplývá, že taková soustava může existovat pouze při zcela určitých diskrétních hodnotách energie. Mluvíme pak o energetických stavech jádra, jejichž energie i hmota závisí na tvaru potenciálové jámy. Těmto stavům říkáme energetické hladiny. Na základě kvantové mechaniky lze zformulovat některé jejich základní vlastnosti:

1. Hladina, které odpovídá minimální energie E₀ soustavy Z protonů a N neutronů, se nazývá základní stav jádra.
2. Všechny hladiny jádra s energií E > E₀ odpovídají vzbuzeným (excitovaným) stavům jádra s energií excitace
   

   e > E-E0.

   (11)

3. Každá hladina je kromě energie charakterizována spinovým číslem J, každé hladině odpovídá určitý elektrický kvadrupólový a magnetický dipólový moment.
4. Vzbuzené stavy jsou nestabilní a jádro přechází do stavů s nižší energií za vyzáření fotonů. Je-li e větší než separační energie částice b, může dojít k přechodu do nižšího stavu emitováním částice b.
5. Vzbuzené stavy atomových jader lze charakterizovat střední dobou života t nebo šířkou hladiny G = [((^h/_2p) )/(t)]. Obě veličiny udávají rychlost rozpadu hladiny. Střední doba života vzbuzených hladin je od t < 10^-15 s až po t > 1 min (tzv. izomerní stavy jader).

Poznámky:

⁵ Potenciál jaderných sil lze zapsat ve tvaru

U(r)=-g  e-ar r ,

(58)

kde g je silová konstanta a parametr a charakterizuje dosah jaderných sil. Jeho hodnota je a= 1,5·10^-15.

⁶Například další z vlastností je ta, že interakce mezi dvěma nukleony závisí na úhlu mezi spinem a spojnicí obou částic - jaderné síly mají tenzorový charakter.