В 1937г мезоны были обнаружены экспериментально К. Андерсоном и Недермеером в космических лучах. Но и эти частицы в 207 э.м. (электронных масс), назвали мю-мезонами (m-мезоны), или мюонами, не могли рассматриваться как кванты ядерного поля.

Недостающее звено связи частиц в ядре было обнаружено лишь в 1947г С. Поуэллом. В верхних слоях атмосферы, где космические лучи встречаются с ядрами ионизированных газов, от соударений рождаются короткоживущие частицы с массой, превышающей электронную в 273 раза. Эти частицы, названные пи-мезонами (p-мезоны), или пионами, существуют около двух стомиллионных долей секунды, а затем распадаются на m-мезоны и нейтрино:

Рис 2

p+ ® m+ + n

p- ® m- + n

p0 ® g + g

Земли достигают лишь продукты их распада m-мезоны, которые и были обнаружены ранее. Время жизни p0-мезонов еще меньше, около 1,9×10-16с.

Как же p--мезоны осуществляют связь нуклонов в ядре? Нейтрон, испуская отрицательный p--мезон, превращается в протон, а соседний протон, поглощая этот p--мезон, превращается в нейтрон. Через мгновение нуклон, «обернувшийся» протоном, испускает p+-мезон и вновь становится нейтроном.

В первоначальном варианте теории Юкава предполагалось, что существуют мезоны с положительным и отрицательным зарядами, которые и определяют взаимодействие между нуклонами. Но оказалось, что между одинаковыми нуклонами (т.е. протон-протон и нейтрон-нейтрон) обменные процессы не могут осуществляться заряженными пионами. Допустим, нейтрон испускает p--мезон, тогда соседний нейтрон, поглощая его, должен был бы превратиться в антипротон точно так же, как нейтрон, испустивший p+-мезон, превратился бы в антипротон. Однако этого не происходит. Точно так же невозможен обмен заряженными p-мезонами между протонами, так как при поглощении протоном p+-мезона возникал бы протон с зарядом 2.

Оказалось, что процессы обмена у одинаковых нуклонов осуществляются при помощи нейтральных p0-мезонов. Действительно, p0-мезон очень сильно взаимодействует с ядрами. Он имеет массу 264 э.м., т.е. на 7 э.м. легче заряженного p-мезона.

Как же представить картину взаимосвязи, если при этом учитывать изменение массы нуклона? Неужели нейтрон, например, испуская p0-мезон, становится легче (1838-264=1574 э.м.), а его сосед до испускания p0-мезона был тяжелее (1838+264=2102 э.м.)? Ведь нейтрон имеет определенную массу, уменьшиться она не может. Откуда же тогда берется энергия и масса p-мезона, излучаемого нейтроном?

Дело в том, что численные значения для масс и энергий нуклонов являются средними значениями масс и энергий за сравнительно большой, по сравнению со временем обмена, промежуток времени.

Таким образом, среднее значение, массы нейтрона равно 1838,6 электронных массы. Произведение массы нейтрона на квадрат скорости света определит его энергию в 939,5Мэв. Так как промежуток времени между актами взаимодействия очень мал, то, следовательно, на некоторые мгновения масса, соответственно энергия, нуклонов может превышать свое среднее значение.

Промежуток времени между испусканием и поглощением p-мезона равен 4,7×10-24с. На это короткое время энергия как бы заимствуется из собственных ресурсов нуклонов.

На какое же расстояние может удалится p-мезон за время 4,7×10-24с, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света. Это будет расстояние, равное радиусу действия ядерных сил – 1,4×10-15м, или 1,4 ферми. Суммируя все сказанное, можно записать процессы, происходящие в ядре в виде следующих реакций:

Протон распадается на нейтрон и p+-мезон:

p « n + p+

Нейтрон распадается на протон и p--мезон:

n « p + p-

Кроме того, оба они могут испускать p0-мезоны:

p « p + p0

n « n + p0

Эти первичные взаимодействия частиц с мезонным полем могут стать причиной взаимодействия между частицами. Так, взаимодействие нейтрона с протоном в этой схеме изобразится следующим образом: