ядерная материя

ЯДЕРНАЯ МАТЕРИЯ - теоретич. модель неограниченного ядерного вещества, содержащего N нейтронов и Z протонов: N, Z, так что A=N+Z при N/Z = const, с выключенным кулоновским взаимодействием между протонами. Представление о Я. м. было введено с целью построения микроскопич. теории ядер атомных исходя из взаимодействия свободных нуклонов, к-рое предполагается известным.

Отличит. чертой ядерных сил является т. н. свойство насыщения, благодаря к-рому тяжёлые ядра во многом подобны жидкой капле, имеющей почти пост. плотность внутри объёма с резким обрывом в поверхностной области (см. Капельная модель ядра ).Для изучения объёмных свойств такой капли естественно в качестве первого приближения рассмотреть неогранич. ферми-жидкость (см. Квантовая жидкость ).В конечных ядрах кулоновское взаимодействие играет второстепенную роль по сравнению с ядерным. В то же время при Z и А кулоновская энергия растёт пропорционально Z²/А^1/3, а ядерная энергия растёт с А лишь линейно. Это делает систему неустойчивой и вынуждает при рассмотрении Я. м. пренебрегать кулоновским взаимодействием.

Рассматривают как симметричную (N/Z=1), так и несимметричную (N/Z1) Я. м. Частным случаем Я. м. в природе можно считать нейтронную материю (N=A; Z = 0), согласно существующим представлениям составляющую осн. часть нейтронной звезды.

Наиб. детально разработана теория симметричной Я. м. Её осн. задача - расчёт равновесной ядерной плотности r₀ и энергии связи, приходящейся на 1 нуклон, /А (совпадающей с химическим потенциалом системы m₀), исходя из потенциала нуклон-нуклонного (NN) взаимодействия, построенного на основе данных по рассеянию свободных нуклонов. Обычно сначала плотн. р рассматривается как свободный параметр и рассчитывается зависимость величины /A от r (рис. 1). Минимум на этой кривой определяет равновесные плотн. r₀ и энергию /А. Анализ энергий связи и размеров всей совокупности известных атомных ядер и их экстраполяция на случай А позволяет приближённо найти r₀0,16 Фм^-3, (/А)-16 МэВ.

Рис. 1. Зависимость энергии связи от плотности ядерной материи; сплошная линия-расчёт по методу Бракнера с учётом только 2-частичных корреляций; штриховая-то же, с учётом и 3-частичных корреляций. Заштрихованный прямоугольник изображает область экспериментальных равновесных значений r₀ и /А.

Первые попытки построения теории Я. м. относятся к кон. 30-х гг. 20 в. Однако в то время о взаимодействии свободных нуклонов было известно мало, и в расчётах использовались потенциалы, к-рые позволяли применять методы возмущений теории. Более реалистич. NN-потен-циалы были построены в 50-х гг., когда были получены достаточно точные эксперим. данные по рассеянию нуклонов с энергиями<= 300 МэВ. Хотя процедура восстановления потенциала из данных по рассеянию не является однозначной, осн. черты потенциала удалось установить. NN-потенциал содержит неск. компонентов: центральный V_c, тензорный V_t , спин-орбитальный V_LS и квадратичный спин-орбитальный V_LL.

Наиб. важный из них - центральный-является комбинацией сильного отталкивания нуклонов на малых расстояниях (отталкивательная сердцевина - "кор", от англ. core) и притяжения-на больших (рис. 2). Существуют модели NN-взаимодействия с "жёстким" (бесконечным) кором и более реалистич. модели с "мягким" (конечным) кором. С кон. 50-х гг. до нач. 80-х гг. популярны были феноменологич. потенциал Хамады - Джонстона с жёстким кором и потенциал Рейда - с мягким. Часто использовался и полуфеноменологич. потенциал "однобо-зонного обмена", основанный на представлениях полевой теории мезон-нуклонного взаимодействия.

Рис. 2. Схематический вид центрального NN-потенциала с жёстким кором (сплошная линия) и с мягким кором (штриховая линия); r-расстояние между нуклонами, r_с - радиус жёсткого кора.

Особенность ядерных сил, заключающаяся в сильном отталкивании нуклонов на малых расстояниях, делает неприменимыми подходы к теории Я. м., основанные на теории возмущений. Особенно это очевидно для потенциалов с жёстким кором, для к-рых первое же приближение в теории возмущений приводит к бесконечным результатам. По этой же причине неприменим к Я. м. и Хар-три - Фока метод - простейший квантовомеханич. метод описания многофермионных систем. Применение метода Хартри-Фока к системам с сильным отталкиванием на малых расстояниях приводит к таким же расходимостям, что и теория возмущений.

Первые успешные подходы к теории Я. м. относятся к кон. 50-х гг. и принадлежат Р. Ястрову (R. Jastrow) и К. Бракнеру (К. Brueckner). Ястров развил вариац. подход, в к-ром он использовал корреляц. (ястровский) фактор, мешающий нуклонам подходить на малые расстояния друг к другу. В случае жёсткого кора вероятность встретить нуклон на расстоянии меньше радиуса кора r_с строго равна 0. Метод Ястрова позволил для реалистических NN-потенциалов получить значения r₀0,16 Фм^-3 и -12 МэВ.

Одновременно с методом Ястрова появился метод Бракнера, основанный на частичном суммировании бесконечных рядов теории возмущений. В простейшем виде метод Бракнера сводится к замене в методе Хартри - Фока нуклон-нуклонного потенциала на т. н. G-матрицу (метод Бракнера - Хартри - Фока). G-матрица имеет смысл эфф. взаимодействия между нуклонами в ядерном веществе. Она учитывает все акты перерассеяния нуклонов друг на друге (двухчастичные корреляции) и определяется интегральным ур-нием Бете-Голдстоуна. Сам же подход часто наз. м е т о д о м Б е т е - Б р а к н е р а, отмечая большую роль, к-рую сыграл Г. Бете (Н. A. Bethe) в его развитии.

Аналог G-матрицы для свободных нуклонов - T-матри-ца, лишь нормировкой отличающаяся от амплитуды рассеяния (или длины рассеяния) f. При замене G на Т метод Бракнера-Хартри-Фока переходит в газовое приближение-метод, применяемый для описания свойств неидеального ферми-газа и основанный на использовании малого параметра f/r₀<< 1, где r₀-ср. расстояние между частицами газа. Для отталкивательного кора роль длины рассеяния играет радиус кора r_с. Метод Бракнера использует малость параметра r_с/r₀ и, по существу, является аналогом газового приближения по отношению к оттал-кивательному кору. Дальнодействующее притяжение сравнительно слабое и может быть учтено методом теории возмущений.

Метод Бракнера дал приблизительно те же результаты, что и метод Ястрова. Хотя формально эти методы выглядят непохожими, они основаны на одних и тех же физ. приближениях и учитывают двухчастичные корреляции в Я. м. Многие годы эти методы развивались параллельно в направлении уточнения и учёта многочастичных корреляций. В вариац. подходе применяются развитые в теории конденсир. сред метод кластерного разложения и т. н. гиперцепной метод. В подходе Бракнера использовалось ур-ние Бете-Фаддеева - аналог ур-ний Фаддеева в теории 3 тел. Эти ур-ния точно учитывают трёхчастичные корреляции, но сложны для точного решения. В 1980 Дэю (W. Dey) удалось точно решить ур-ние Бете - Фаддеева, при этом энергия связи оказалась близкой к экспериментальной, но равновесная плотность сильно сдвинулась в сторону больших значений: r₀ = 0,19 Фм^-3. Эта фундам. трудность теории Я. м. пока не разрешена. Наиб. популярные подходы к разрешению этой проблемы основаны на представлении о ср. мезонных полях, действующих в ядерном веществе. Однако они грешат неоднозначностью.

Согласно представлениям о природе сильных взаимодействий, основанным на квантовой хромодинамике (КХД), нуклоны в нормальном ядерном веществе в значительной степени сохраняют свою индивидуальность, а эффекты КХД существенны лишь на малых расстояниях между нуклонами. Задача вычисления потенциала NN-взаимодей-ствия в рамках КХД пока не решена. Под большим вопросом с точки зрения КХД оказывается статус мезонов (за исключением пионов). Обмен тяжёлыми мезонами между нуклонами происходит на столь малых расстояниях, что их кварк-глюонная природа становится существенной.

Поэтому релятивистские подходы в теории Я. м. пока далеки от последовательной теории.

Лит.: Бракнер К., Теория ядерной материи, пер. с англ., М., 1964; Браун Дж., Единая теория ядерных моделей и сил, пер. с англ., М., 1970. Э. Е. Саперштейн.

   <<      Предметный указатель      >>