2) гравитационное (+)
3) электромагнитное
4) слабое
Гравитационное взаимодействие является фундаментальным, однако в ядерных реакциях его практически не учитывают из-за чрезвычайно малой величины на ядерных расстояниях. Для двух протонов отношение гравитационной силы к электромагнитной составляет приблизительно 10−36, поэтому гравитационный вклад не оказывает заметного влияния на энергию связи, вероятность реакции, сечение взаимодействия или спектр продуктов. Это не означает отсутствия гравитации как физического взаимодействия, а отражает обоснованное приближение, применяемое в ядерной физике.
Сильное взаимодействие определяет связь кварков и, в виде остаточного ядерного взаимодействия, удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре. Электромагнитное взаимодействие формирует кулоновский барьер между положительно заряженными ядрами, участвует во взаимодействии заряженных частиц и испускании фотонов. Слабое взаимодействие необходимо для процессов превращения нуклонов, включая β−— и β+-распад, электронный захват и некоторые реакции с участием нейтрино.
Таким образом, в расчетах ядерных превращений учитывают сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия в зависимости от механизма конкретной реакции. Гравитационное взаимодействие исключают из рабочей модели не как несуществующее, а как пренебрежимо малое по сравнению с остальными силами. Для медицинского физика это принципиально при оценке радионуклидных превращений, энергетических спектров излучения, дозообразования и параметров ядерных методов диагностики и терапии.
| Фундаментальное взаимодействие | Переносчик или источник | Дальность действия | Роль в ядерных процессах | Типичный пример |
|---|---|---|---|---|
| Сильное | Глюоны; остаточное взаимодействие между нуклонами | Около 10−15 м для ядерного взаимодействия | Обеспечивает ядерную связь и участвует в реакциях с адронами | Деление ядра, синтез ядер, рассеяние нейтронов |
| Электромагнитное | Фотоны; электрический заряд | Не ограничена | Определяет кулоновский барьер, взаимодействие заряженных частиц и электромагнитное излучение | Испускание γ-квантов, тормозное излучение, заряженные частицы в веществе |
| Слабое | Бозоны W± и Z0 | Порядка 10−18 м | Вызывает превращения элементарных частиц и радиоактивные распады с изменением типа нуклона | β−-распад, β+-распад, электронный захват |
| Гравитационное | Масса и энергия; гипотетический гравитон в квантовом описании | Не ограничена | Теоретически присутствует, но на ядерных масштабах имеет пренебрежимо малый вклад | Не учитывается при обычном расчете ядерных реакций |
| Критерий практического учета | Сравнение интенсивности взаимодействия с требуемой точностью модели | Зависит от масштаба и энергии процесса | Включают взаимодействия, способные заметно изменить динамику реакции или свойства излучения | Гравитационная поправка обычно намного меньше экспериментальной погрешности |
Выбор взаимодействия в расчетной модели определяется не только его фундаментальным статусом, но и относительной величиной эффекта. В ядерной медицине слабое взаимодействие особенно важно для образования и распада радионуклидов, а электромагнитное — для регистрации и поглощения излучения. Сильное взаимодействие определяет структуру ядер и процессы, происходящие при взаимодействии нейтронов и других адронов с веществом. Гравитационные эффекты становятся существенными лишь в астрофизических условиях, например внутри звезд или нейтронных звезд, но не при стандартных ядерно-физических расчетах.