Jaderná síla - Nuclear force

Síla (v jednotkách 10 000 N) mezi dvěma nukleony v závislosti na vzdálenosti vypočítané z Reidova potenciálu (1968). Otočení neutronu a protonu jsou zarovnána a jsou ve stavu S momentu hybnosti. Přitažlivá (záporná) síla má maximum ve vzdálenosti asi 1 fm se silou asi 25 000 N. Částice mnohem blíže než vzdálenost 0,8 fm zažívají velkou odpudivou (kladnou) sílu. Částice oddělené vzdáleností větší než 1 fm jsou stále přitahovány (Yukawa potenciál), ale síla klesá jako exponenciální funkce vzdálenosti.

Odpovídající potenciální energie (v jednotkách MeV) dvou nukleonů jako funkce vzdálenosti vypočtené z Reidova potenciálu. Potenciální jáma je minimální ve vzdálenosti asi 0,8 fm. Díky tomuto potenciálu mohou být nukleony vázány negativní „vazebnou energií“.

Nukleární síla (nebo interakce nukleon-nukleonové , zbytkový velká síla , nebo, historicky, silná nukleární síla ), je síla, která působí mezi protony a neutrony z atomů . Neutrony a protony, oba nukleony, jsou ovlivňovány jadernou silou téměř identicky. Vzhledem k tomu, že protony mají náboj +1 e , zažívají elektrickou sílu, která je má tendenci tlačit od sebe, ale na krátkou vzdálenost je atraktivní jaderná síla dostatečně silná, aby překonala elektromagnetickou sílu. Jaderná síla váže nukleony na atomová jádra .

Jaderná síla je mezi nukleony silně přitažlivá ve vzdálenostech asi 1 femtometru (fm neboli 1,0 × 10 ⁻¹⁵ metrů ), ale ve vzdálenostech větších než 2,5 fm rychle klesá na bezvýznamnost. Na vzdálenosti menší než 0,7 fm se jaderná síla stává odpudivou. Tato odpudivá složka je zodpovědná za fyzickou velikost jader, protože nukleony se nemohou přiblížit blíže, než dovoluje síla. Pro srovnání, velikost atomu, měřená v angstromech (Å nebo 1,0 × 10 ⁻¹⁰ m), je o pět řádů větší. Jaderná síla však není jednoduchá, protože závisí na točení nukleonů, má tenzorovou složku a může záviset na relativní hybnosti nukleonů.

Jaderná síla hraje zásadní roli při skladování energie, která se používá v jaderné energii a jaderných zbraních . Práce (energie) je nutná ke spojení nabitých protonů proti jejich elektrickému odpuzování. Tato energie se ukládá, když jsou protony a neutrony spojeny dohromady jadernou silou a vytvoří jádro. Hmotnost jádra je menší než součet jednotlivých hmotností protonů a neutronů. Rozdíl hmot je znám jako hromadný defekt , který lze vyjádřit jako energetický ekvivalent. Energie se uvolní, když se těžké jádro rozpadne na dvě nebo více lehčích jader. Tato energie je elektromagnetická potenciální energie, která se uvolňuje, když jaderná síla již nedrží nabité jaderné fragmenty pohromadě.

Kvantitativní popis jaderné síly se opírá o rovnice, které jsou částečně empirické . Tyto rovnice modelují internukleonové potenciální energie neboli potenciály. (Síly v systému částic lze obecně snáze modelovat popisem potenciální energie systému; záporný gradient potenciálu se rovná síle vektoru.) Konstanty pro rovnice jsou fenomenologické, tj. Jsou určeny přizpůsobením rovnice experimentálních dat. Internukleonové potenciály se pokoušejí popsat vlastnosti interakce nukleon-nukleon. Jakmile je stanoven, může být jakýkoli daný potenciál použit např. Ve Schrödingerově rovnici ke stanovení kvantově mechanických vlastností nukleonového systému.

Objev neutronu v roce 1932 bylo zjištěno, že atomová jádra byly vyrobeny z protonů a neutronů, držených pohromadě přitažlivou silou. Do roku 1935 byla jaderná síla koncipována tak, aby byla přenášena částicemi zvanými mezony . Tento teoretický vývoj zahrnoval popis potenciálu Yukawa , časný příklad jaderného potenciálu. Piony , splňující předpověď, byly objeveny experimentálně v roce 1947. V 70. letech byl vyvinut model kvarku , podle něhož byly mezony a nukleony považovány za složené z kvarků a gluonů. Tímto novým modelem je jaderná síla, která je výsledkem výměny mezonů mezi sousedními nukleony, zbytkovým účinkem silné síly .

Popis

I když je jaderná síla obvykle spojována s nukleony, obecněji je tato síla pociťována mezi hadrony nebo částicemi složenými z kvarků . Při malých separacích mezi nukleony (méně než ~ 0,7 fm mezi jejich středy, v závislosti na uspořádání spinů) se síla stává odpudivou, což udržuje nukleony v určité průměrné separaci. U identických nukleonů (jako jsou dva neutrony nebo dva protony) toto odpuzování vyplývá z Pauliho vylučovací síly. Pauliho odpor také nastává mezi kvarky stejné chuti z různých nukleonů (proton a neutron).

Síla pole

Ve vzdálenostech větších než 0,7 fm se síla stává přitažlivou mezi spinonově zarovnanými nukleony a stane se maximální ve vzdálenosti mezi středy asi 0,9 fm. Za touto vzdáleností síla exponenciálně klesá, až do vzdálenosti přibližně 2,0 fm je síla zanedbatelná. Nukleony mají poloměr asi 0,8 fm.

Na krátké vzdálenosti (méně než 1,7 fm) je přitažlivá jaderná síla silnější než odpudivá Coulombova síla mezi protony; překonává tak odpuzování protonů v jádře. Avšak Coulombova síla mezi protony má mnohem větší rozsah, protože se mění jako inverzní čtverec oddělení náboje, a Coulombův odpor se tak stává jedinou významnou silou mezi protony, když jejich oddělení přesáhne asi 2 až 2,5 fm.

Jaderná síla má složku závislou na rotaci. Síla je silnější u částic s vyrovnanými spiny než u těch, které mají spiny zarovnané. Jsou-li dvě částice stejné, například dva neutrony nebo dva protony, není síla dostatečná k navázání částic, protože vektory rotace dvou částic stejného typu musí směřovat opačným směrem, když jsou částice blízko sebe a jsou (kromě rotace) ve stejném kvantovém stavu. Tento požadavek na fermiony vychází z Pauliho principu vyloučení . U fermionových částic různých typů, jako jsou protony a neutrony, mohou být částice blízko u sebe a mají zarovnané točení, aniž by došlo k porušení Pauliho vylučovacího principu, a jaderná síla je může vázat (v tomto případě do deuteronu ), protože jaderná síla je mnohem silnější pro částice spojené se spinem. Pokud jsou ale rotace částic proti sobě, jaderná síla je příliš slabá na to, aby je svázala, i když jsou různých typů.

Jaderná síla má také tenzorovou složku, která závisí na interakci mezi rotacemi nukleonů a momentem hybnosti nukleonů, což vede k deformaci z jednoduchého sférického tvaru.

Jaderná vazba

Rozebrat jádro na nevázané protony a neutrony vyžaduje práci proti jaderné síle. Naopak, energie se uvolňuje, když je jádro vytvořeno z volných nukleonů nebo jiných jader: energie jaderné vazby . Kvůli ekvivalenci hmoty a energie (tj. Einsteinův vzorec E = mc ² ) uvolnění této energie způsobí, že hmotnost jádra bude nižší než celková hmotnost jednotlivých nukleonů, což povede k takzvané „hromadné vadě“.

Jaderná síla je téměř nezávislá na tom, zda jsou nukleony neutrony nebo protony. Tato vlastnost se nazývá nezávislost na poplatcích . Síla závisí na tom, zda jsou otáčení nukleonů paralelní nebo antiparalelní, protože má necentrální nebo tenzorovou složku. Tato část síly nezachovává orbitální moment hybnosti , který je pod působením centrálních sil zachován.

Symetrie vedoucí k silné síle, kterou navrhl Werner Heisenberg , spočívá v tom, že protony a neutrony jsou ve všech ohledech identické, kromě jejich náboje. To není úplně pravda, protože neutrony jsou o něco těžší, ale jedná se o přibližnou symetrii. Protony a neutrony jsou proto považovány za stejnou částici, ale s odlišnými kvantovými čísly isospinu ; konvenčně je proton isospin nahoře, zatímco neutron je isospin nahoře . Silná síla je invariantní při transformacích isospinu SU (2), stejně jako jiné interakce mezi částicemi jsou invariantní při transformacích SU (2) vnitřní rotace . Jinými slovy, jak isospinové, tak i vnitřní spinové transformace jsou izomorfní se skupinou symetrie SU (2). Existují pouze silné přitažlivosti, když je celkový isospin sady interagujících částic 0, což je potvrzeno experimentem.

Naše chápání jaderné síly je získáno rozptylovými experimenty a vazebnou energií lehkých jader.

Feynman diagram silné protonové - neutronové interakce zprostředkované neutrální pion . Čas postupuje zleva doprava.

Jaderná síla nastává výměnou virtuálních světelných mezonů , jako jsou virtuální piony , stejně jako dva typy virtuálních mezonů se spinem ( vektorové mezony ), rho mezony a omega mezony . Vektorové mezony odpovídají za spinovou závislost jaderné síly na tomto obrázku „virtuálního mezonu“.

Jaderná síla se liší od toho, co bylo historicky známé jako slabá jaderná síla . Slabá interakce je jedním ze čtyř základních interakcí , a hraje roli v procesech, jako je beta rozpad . Slabá síla nehraje žádnou roli v interakci nukleonů, i když je zodpovědná za rozpad neutronů na protony a naopak.

Dějiny

Jaderná síla byla v centru jaderné fyziky od té doby pole se narodil v roce 1932 s objevem neutronu od James Chadwick . Tradičním cílem jaderné fyziky je porozumět vlastnostem atomových jader z hlediska „holé“ interakce mezi páry nukleonů nebo silami nukleon-nukleon (NN síly).

Během několika měsíců po objevení neutronu navrhli Werner Heisenberg a Dmitrij Ivanenko pro jádro proton-neutronové modely. Heisenberg přistupoval k popisu protonů a neutronů v jádru pomocí kvantové mechaniky, což byl v té době vůbec nepostřehnutelný přístup. Heisenbergova teorie pro protony a neutrony v jádru byla „významným krokem k pochopení jádra jako kvantově mechanického systému“. Heisenberg představil první teorii jaderných výměnných sil, které vážou nukleony. Považoval protony a neutrony za různé kvantové stavy stejné částice, tj. Nukleony, které se vyznačují hodnotou jejich kvantového počtu jaderných isospinů .

Jedním z prvních modelů jádra byl model kapek kapaliny vyvinutý ve 30. letech. Jedna vlastnost jader je, že průměrná vazebná energie na nukleon je přibližně stejná pro všechna stabilní jádra, což je podobné kapce kapaliny. Model kapek kapaliny zpracoval jádro jako kapku nestlačitelné jaderné tekutiny, přičemž nukleony se chovaly jako molekuly v kapalině. Model nejprve navrhl George Gamow a poté jej vyvinuli Niels Bohr , Werner Heisenberg a Carl Friedrich von Weizsäcker . Tento surový model nevysvětlil všechny vlastnosti jádra, ale vysvětlil sférický tvar většiny jader. Model také poskytl dobré předpovědi vazebné energie jader.

V roce 1934 se Hideki Yukawa nejdříve pokusil vysvětlit podstatu jaderné síly. Podle jeho teorie masivní bosony ( mezony ) zprostředkovávají interakci mezi dvěma nukleony. Ve světle kvantové chromodynamiky (QCD) - a potažmo standardního modelu - už není Mesonova teorie vnímána jako zásadní. Koncept mezonové výměny (kde jsou hadrony považovány za elementární částice ) však nadále představuje nejlepší funkční model pro kvantitativní potenciál NN . Yukawský potenciál (nazývaný také prověřený Coulombův potenciál ) je potenciálem formy

{\ displaystyle V _ {\ text {Yukawa}} (r) = - g ^ {2} {\ frac {e ^ {- \ mu r}} {r}},}

kde g je konstanta měřítka velikosti, tj. amplituda potenciálu, je hmotnost částice Yukawa, r je radiální vzdálenost od částice. Potenciál se monotónně zvyšuje , což znamená , že síla je vždy atraktivní. Konstanty jsou stanoveny empiricky. Yukawa potenciál závisí pouze na vzdálenosti mezi částicemi, r , a proto modeluje centrální sílu . ${\ displaystyle \ mu}$

Skrz třicátá léta skupina na Kolumbijské univerzitě vedená II. Rabim vyvinula techniky magnetické rezonance ke stanovení magnetických momentů jader. Tato měření vedla v roce 1939 k objevu, že deuteron také vlastnil elektrický kvadrupólový moment . Tato elektrická vlastnost deuteronu zasahovala do měření skupinou Rabi. Deuteron, složený z protonu a neutronu, je jedním z nejjednodušších jaderných systémů. Tento objev znamenal, že fyzický tvar deuteronu nebyl symetrický, což poskytlo cenný vhled do podstaty nukleonů vázajících nukleární síly. Výsledek zejména ukázal, že jaderná síla nebyla centrální silou , ale měla tenzorový charakter. Hans Bethe označil objev kvadrupólového momentu deuteronu za jednu z důležitých událostí během formativních let jaderné fyziky.

Historicky byl úkol fenomenologicky popsat jadernou sílu hrozivý. První semi-empirické kvantitativní modely vznikly v polovině padesátých let, jako například lesnicko-saský potenciál (1954). V 60. a 70. letech došlo k podstatnému pokroku v experimentech a teoriích souvisejících s jadernou silou. Jedním z vlivných modelů byl Reidův potenciál (1968)

{\ displaystyle V _ {\ text {Reid}} (r) = - 10,463 {\ frac {e ^ {- \ mu r}} {\ mu r}} - 1650,6 {\ frac {e ^ {- 4 \ mu r }} {\ mu r}} + 6484,2 {\ frac {e ^ {- 7 \ mu r}} {\ mu r}},}

kde a kde je potenciál uveden v jednotkách MeV. V posledních letech, experimentátoři se soustředili na jemnosti jaderné síly, jako je jeho náboje závislosti, přesná hodnota n NN interakční konstanta, zlepšená analýza fázový posun , s vysokou přesností NN dat , vysoce přesné NN potenciály, NN rozptylu při střední a vysoké energii a pokouší se odvodit jadernou sílu z QCD. ${\ displaystyle \ mu = 0,7 {\ text {fm}} ^ {- 1}}$

Jaderná síla jako zbytek silné síly

Animace interakce. Barevné dvojité kruhy jsou gluony. Anticolors jsou zobrazeny podle tohoto diagramu ( větší verze ).

Stejné schéma jako výše uvedené s jednotlivými složkami kvarku , které ilustrují, jak základní silná interakce vede k jaderné síle . Přímé čáry jsou kvarky, zatímco vícebarevné smyčky jsou gluony (nosiče základní síly). Jiné gluony, které „za letu“ váží proton, neutron a pion, nejsou zobrazeny.

Jaderná síla je zbytkovým účinkem fundamentálnější silné síly nebo silné interakce . Silná interakce je atraktivní síla, která váže elementární částice zvané kvarky dohromady a tvoří samotné nukleony (protony a neutrony). Tato mocnější síla, jedna ze základních přírodních sil , je zprostředkována částicemi zvanými gluony . Gluony drží kvarky pohromadě barevným nábojem, který je analogický s elektrickým nábojem, ale je mnohem silnější. Kvarky, gluony a jejich dynamika jsou většinou omezeny v nukleonech, ale zbytkové vlivy mírně přesahují hranice nukleonů, aby vyvolaly jadernou sílu.

Jaderné síly vznikající mezi nukleony jsou analogické silám chemickým mezi neutrálními atomy nebo molekulami nazývanými London disperzní síly . Takové síly mezi atomy jsou mnohem slabší než přitažlivé elektrické síly, které drží samotné atomy pohromadě (tj. Váží elektrony k jádru), a jejich rozsah mezi atomy je kratší, protože vznikají z malé separace nábojů uvnitř neutrálního atomu. Podobně, i když jsou nukleony vyrobeny z kvarků v kombinacích, které ruší většinu gluonových sil (jsou „barevně neutrální“), některé kombinace kvarků a gluonů přesto unikají od nukleonů v podobě jaderných polí krátkého dosahu, která se táhnou od jeden nukleon k druhému blízkému nukleonu. Tyto jaderné síly jsou ve srovnání s přímými gluonovými silami („barevnými silami“ nebo silnými silami ) uvnitř nukleonů velmi slabé a jaderné síly se rozprostírají pouze na několika průměrech jader a exponenciálně se vzdáleností klesají. Přesto jsou dostatečně silné na to, aby vážily neutrony a protony na krátké vzdálenosti a překonávaly elektrický odpor mezi protony v jádru.

Někdy se jaderná síla nazývá zbytková silná síla , na rozdíl od silných interakcí, které vznikají z QCD. Tato fráze vznikla během 70. let, kdy byla založena QCD. Do té doby se silná jaderná síla zmínila o inter-nukleonovém potenciálu. Po ověření modelu kvarku se silná interakce stala QCD.

Potenciály nukleon – nukleon

Pro studium síly NN jsou ideální dvoujaderné systémy, jako je deuteron , jádro atomu deuteria, stejně jako rozptyl proton-proton nebo neutron-proton . Takové systémy lze popsat připsáním potenciálu (jako je potenciál Yukawa ) nukleonům a použitím potenciálů ve Schrödingerově rovnici . Forma potenciálu je odvozena fenomenologicky (měřením), i když pro interakci na velké vzdálenosti pomáhají teorie mezonové výměny konstruovat potenciál. Parametry potenciálu jsou určeny přizpůsobením experimentálním datům , jako je deuteronová vazebná energie nebo průřezy pružného rozptylu NN (nebo ekvivalentně v této souvislosti tzv. Fázové posuny NN ).

Mezi nejpoužívanější NN potenciály jsou Paris potenciál je Argonne AV18 potenciál je potenciál CD-Bonn a potenciály Nijmegen .

Novějším přístupem je vývoj účinných teorií pole pro konzistentní popis sil nukleon – nukleon a tří nukleonů. Kvantová hadrodynamika je efektivní teorie pole jaderné síly, srovnatelná s QCD pro barevné interakce a QED pro elektromagnetické interakce. Navíc, chirální symetrie lámání mohou být analyzovány z hlediska účinného teorie pole (tzv chirální poruchová teorie ), která umožňuje poruchové výpočty z interakce mezi nukleony s piony jako výměnné částic.

Od nukleonů k jádrům

Konečným cílem jaderné fyziky by bylo popsat všechny jaderné interakce ze základních interakcí mezi nukleony. Tomu se říká mikroskopický nebo ab initio přístup jaderné fyziky. Je třeba překonat dvě hlavní překážky:

Výpočty v systémech mnoha těles jsou obtížné (z důvodu interakcí více částic) a vyžadují pokročilé výpočetní techniky.
Existují důkazy, že tři nukleonové síly (a možná vyšší interakce více částic) hrají významnou roli. To znamená, že do modelu musí být zahrnuty tři nukleonové potenciály.

Jedná se o aktivní oblast výzkumu s neustálým pokrokem ve výpočetních technikách, které vedou k lepším výpočtům struktury jaderných obalů podle prvních principů . Dva a tři nukleonové potenciály byly implementovány pro nuklidy až do A = 12.

Jaderné potenciály

Úspěšným způsobem, jak popsat jaderné interakce, je vybudovat jeden potenciál pro celé jádro, místo aby zvážil všechny jeho nukleonové složky. Tomu se říká makroskopický přístup. Například rozptyl neutronů z jader lze popsat zvážením rovinné vlny v potenciálu jádra, která zahrnuje skutečnou část a imaginární část. Tento model se často nazývá optický model, protože připomíná případ světla rozptýleného neprůhlednou skleněnou koulí.

Jaderné potenciály mohou být lokální nebo globální : místní potenciály jsou omezeny na úzký energetický rozsah a / nebo úzký rozsah jaderné hmotnosti, zatímco globální potenciály, které mají více parametrů a jsou obvykle méně přesné, jsou funkcemi energie a jaderné hmoty a lze proto použít v širším rozsahu aplikací.

Viz také

Fyzikální portál

Reference

Bibliografie

Gerald Edward Brown a AD Jackson (1976). Interakce Nucleon – Nucleon . Amsterdam North-Holland Publishing. ISBN 0-7204-0335-9 .
R. Machleidt a I. Slaus, „Interakce nukleon-nukleon“ , J. Phys. G 27 (květen 2001) R69. doi : 10.1088 / 0954-3899 / 27/5/201 . (Aktuální recenze.)
EA Nersesov (1990). Základy atomové a jaderné fyziky . Moskva: Mir Publishers. ISBN 5-06-001249-2 .
Navrátil, Petr; Ormand, W. Erich (2003). "Ab initio shell model se skutečnou tříjadernou silou pro jádra p-shell". Physical Review C . 68 (3): 034305. arXiv : nucl-th / 0305090 . Bibcode : 2003PhRvC..68c4305N . doi : 10,1103 / PhysRevC.68.034305 . S2CID 119091461 .

Další čtení

Ruprecht Machleidt , „Nuclear Forces“ , Scholarpedia , 9 (1): 30710. doi : 10,4249 / scholarpedia.30710 .

Languages

In other projects