5.2 Простейшие примеры

1. Ядро, состоящее из протона и нейтрона -- дейтерий:

Могут ли быть в таком состоянии два протона или два нейтрона (динейтрон)? В опытах таких ядер не нашли. И это неудивительно. В дейтроне и спины параллельны, т.е. две разные частицы ( и ) находятся в одном и том же состоянии, но две тождественные частицы (два фермиона -- два протона или два нейтрона) в такое состояние уложить нельзя. Можно было бы образовать ядро из двух тождественных частиц с . Но это означало бы пролет одной частицы около другой на некотором прицельном расстоянии. При этом среднее расстояние между нуклонами увеличивается и ядерные силы ослабевают. Есть еще одна возможность: взять ядро из двух нуклонов с и , т.е. с антипараллельными спинами. Однако зависимость ядерных сил от спинов такова, что они сильнее, когда спины параллельны и слабее в обратном случае. В случае двух нуклонов (когда энергия связи основного уровня при невелика -- 2,2 МэВ) это приводит к тому, что связанных состояний с антипараллельными спинами вообще нет. Не надо думать, что это есть результат какого-нибудь отталкивания. На самом деле это еще одно проявление принципа неопределенности: для существования связанных состояний необходимо достаточно сильное взаимодействие. Исследование рассеяния нейтронов на протонах и протонов на протонах показывают, что в состоянии они притягиваются, но не достаточно сильно.

2. Тритий ( ); , , , причем спины нейтронов антипараллельны. Энергия связи МэВ, т.е. такую энергию нужно затратить, чтобы разбить ядро трития на три частицы.

3. Гелий-3 ( ); . Здесь антипараллельны спины протонов, МэВ. В приближении изотопической инвариантности энергии связи и были бы равны, но в следующем приближении влияет кулоновская энергия отталкивания между двумя протонами в , поэтому не так сильно связан.

4. Гелий-4 ( ); МэВ.

Если есть два сорта частиц, то максимально можно использовать 4 частицы, чтобы сконструировать ядро с и . Чтобы оторвать один нуклон, нужно затратить энергию порядка 20МэВ=МэВ. Таким образом, эта система чрезвычайно сильно связана. Поскольку оболочка заполнена, ядро аналогично химически благородным газам, инертность которых объясняется заполненностью электронных оболочек.

5. Образование ядер , в связанном состоянии невозможно. Однако есть с МэВ и с МэВ.5.1 Эти ядра устойчивы относительно сильного взаимодействия (относительно распада на составные части).

Если нет специальных причин и если хватает энергии, то ядерные реакции, состоящие в перестановке и , идут с сечением -- см.

Например, реакции

Когда говорят, что ядро некоторого элемента, например , не существует, то это означает, что время существования такого элемента не больше времени пролета частицы через ядро смсм/с с. Скорость см/с соответствует энергии в несколько МэВ, а получающееся время с есть характерное время ядерного взаимодействия.