Siła jądrowa - Nuclear force

Siła (w jednostkach 10 000 N) między dwoma nukleonami jako funkcja odległości obliczona z potencjału Reida (1968). Spiny neutronu i protonu są wyrównane i znajdują się w stanie pędu S. Siła przyciągania (ujemna) ma maksimum w odległości około 1 fm z siłą około 25 000 N. Cząsteczki znacznie bliższe niż odległość 0,8 fm doświadczają dużej siły odpychającej (dodatniej). Cząstki oddzielone odległością większą niż 1 fm są nadal przyciągane (potencjał Yukawy), ale siła spada jako wykładnicza funkcja odległości.
Odpowiadająca energia potencjalna (w jednostkach MeV) dwóch nukleonów jako funkcja odległości obliczona z potencjału Reida. Studnia potencjału to minimum w odległości około 0,8 fm. Dzięki temu potencjalne nukleony mogą zostać związane z ujemną „energią wiązania”.

Siły jądrowe (lub interakcji nukleon-nukleon , pozostały duża siła lub historycznie silne siły jądrowe ) jest siła, która działa między protonami i neutronów z węgla . Na neutrony i protony, oba nukleony, oddziałuje niemal identycznie siła jądrowa. Ponieważ protony mają ładunek +1  e , doświadczają one siły elektrycznej, która ma tendencję do ich rozsuwania, ale na krótkim dystansie przyciągająca siła jądrowa jest wystarczająco silna, aby pokonać siłę elektromagnetyczną. Siła jądrowa wiąże nukleony w jądra atomowe .

Siła jądrowa jest silnie atrakcyjny pomiędzy nukleony w odległości około 1  femtometr (FM lub 1,0 x 10 -15 m ), lecz szybko spada do małości na odległość ponad około 2,5 fm. W odległości mniejszej niż 0,7 fm siła jądrowa staje się odpychająca. Ten odpychający składnik odpowiada za fizyczny rozmiar jąder, ponieważ nukleony nie mogą zbliżyć się na tyle, na ile pozwala na to siła. Dla porównania, rozmiar atomu, mierzony w angstremach (Å lub 1,0 × 10-10 m), jest o pięć rzędów wielkości większy. Siła jądrowa nie jest jednak prosta, ponieważ zależy od spinów nukleonów, ma składową tensorową i może zależeć od względnego pędu nukleonów.

Siła jądrowa odgrywa zasadniczą rolę w przechowywaniu energii wykorzystywanej w energetyce jądrowej i broni jądrowej . Praca (energia) jest wymagana do połączenia naładowanych protonów wbrew ich odpychaniu elektrycznemu. Energia ta jest magazynowana, gdy protony i neutrony są połączone siłą jądrową, tworząc jądro. Masa jądra jest mniejsza niż suma mas poszczególnych protonów i neutronów. Różnica w masach jest znana jako defekt masy , który można wyrazić jako ekwiwalent energetyczny. Energia jest uwalniana, gdy ciężkie jądro rozpada się na dwa lub więcej lżejszych jąder. Ta energia jest elektromagnetyczną energią potencjalną, która jest uwalniana, gdy siła jądrowa nie utrzymuje już razem naładowanych fragmentów jądrowych.

Ilościowy opis siły jądrowej opiera się na równaniach, które są częściowo empiryczne . Te równania modelują międzynukleonowe potencjalne energie lub potencjały. (Zazwyczaj siły w układzie cząstek można prościej modelować, opisując energię potencjalną układu; ujemny gradient potencjału jest równy sile wektora). równania do danych eksperymentalnych. Potencjały międzynukleonowe próbują opisać właściwości oddziaływania nukleon-nukleon. Po określeniu dowolny dany potencjał można wykorzystać np. w równaniu Schrödingera do określenia właściwości kwantowo-mechanicznych układu nukleonowego.

Odkrycie neutronu w 1932 wykazały, że jądro atomowe z protonów, neutronów i utrzymywanych razem przez siłę przyciągania. Do 1935 r. wymyślono, że siła jądrowa jest przenoszona przez cząstki zwane mezonami . Ten rozwój teoretyczny obejmował opis potencjału Yukawy , wczesnego przykładu potencjału jądrowego. Spełniające przewidywania piony zostały odkryte eksperymentalnie w 1947 roku. W latach siedemdziesiątych opracowano model kwarków , według którego mezony i nukleony były postrzegane jako złożone z kwarków i gluonów. W tym nowym modelu siła jądrowa, wynikająca z wymiany mezonów pomiędzy sąsiednimi nukleonami, jest efektem szczątkowym oddziaływania silnego .

Opis

Podczas gdy siła jądrowa jest zwykle związana z nukleonami, ogólniej siła ta jest odczuwana między hadronami , czyli cząstkami złożonymi z kwarków . Przy małych odległościach między nukleonami (mniej niż ~ 0,7 fm między ich środkami, w zależności od ustawienia spinu) siła staje się odpychająca, co utrzymuje nukleony w pewnej średniej odległości. W przypadku identycznych nukleonów (takich jak dwa neutrony lub dwa protony) odpychanie to wynika z siły wykluczenia Pauliego . Odpychanie Pauliego występuje również między kwarkami o tym samym smaku z różnych nukleonów (protonu i neutronu).

Siła pola

W odległościach większych niż 0,7 fm siła staje się przyciągająca między nukleonami o wyrównanym spinie, osiągając maksimum w odległości od środka do środka wynoszącej około 0,9 fm. Powyżej tej odległości siła spada wykładniczo, aż do momentu przekroczenia odległości około 2,0 fm siła jest nieistotna. Nukleony mają promień około 0,8 fm.

Na krótkich dystansach (mniej niż 1,7 fm) przyciągająca siła jądrowa jest silniejsza niż odpychająca siła kulombowska między protonami; w ten sposób pokonuje odpychanie protonów w jądrze. Jednak siła kulombowska między protonami ma znacznie większy zakres, ponieważ zmienia się jako odwrotny kwadrat separacji ładunków, a odpychanie kulombowskie staje się zatem jedyną znaczącą siłą między protonami, gdy ich odległość przekracza około 2 do 2,5 fm.

Siła jądrowa ma składnik zależny od spinu. Siła jest silniejsza w przypadku cząstek, których spiny są wyrównane, niż dla tych, których spiny nie są wyrównane. Jeśli dwie cząstki są takie same, na przykład dwa neutrony lub dwa protony, siła nie wystarcza do związania cząstek, ponieważ wektory spinu dwóch cząstek tego samego typu muszą być skierowane w przeciwnych kierunkach, gdy cząstki są blisko siebie i są (z wyjątkiem spinu) w tym samym stanie kwantowym. Ten wymóg dla fermionów wynika z zasady wykluczenia Pauliego . W przypadku cząstek fermionowych różnych typów, takich jak proton i neutron, cząstki mogą znajdować się blisko siebie i mieć wyrównane spiny bez naruszania zasady wykluczania Pauliego, a siła jądrowa może je związać (w tym przypadku w deuteron ), ponieważ siła jądrowa jest znacznie silniejsza dla cząstek wyrównanych spinem. Ale jeśli spiny cząstek są przeciwstawne, siła jądrowa jest zbyt słaba, aby je związać, nawet jeśli są różnych typów.

Siła jądrowa ma również składową tensorową, która zależy od interakcji spinów nukleonów z momentem pędu nukleonów, co prowadzi do deformacji z prostego kulistego kształtu.

Wiązanie jądrowe

Rozłożenie jądra na niezwiązane protony i neutrony wymaga przeciwdziałania sile jądrowej. I odwrotnie, energia jest uwalniana, gdy jądro powstaje z wolnych nukleonów lub innych jąder: energia wiązania jądra . Ze względu na równoważność masy i energii (tj. wzór Einsteina E = mc 2 ), uwolnienie tej energii powoduje, że masa jądra jest mniejsza niż całkowita masa poszczególnych nukleonów, co prowadzi do tzw. defektu masy.

Siła jądrowa jest prawie niezależna od tego, czy nukleony są neutronami, czy protonami. Ta właściwość nazywana jest niezależnością od opłat . Siła zależy od tego, czy spiny nukleonów są równoległe, czy antyrównoległe, ponieważ mają składową niecentralną lub tensorową . Ta część siły nie zachowuje orbitalnego momentu pędu , który pod działaniem sił centralnych jest zachowywany.

Symetria skutkująca silnym oddziaływaniem, zaproponowana przez Wernera Heisenberga , polega na tym, że protony i neutrony są identyczne pod każdym względem, poza ich ładunkiem. Nie jest to do końca prawda, ponieważ neutrony są odrobinę cięższe, ale jest to symetria przybliżona. Protony i neutrony są zatem postrzegane jako ta sama cząstka, ale o różnych izospinowych liczbach kwantowych; konwencjonalnie proton jest izospinowany, podczas gdy neutron jest izospinizowany w dół . Siła silna jest niezmienna w transformacjach izospinowych SU(2), tak jak inne oddziaływania między cząstkami są niezmienne w transformacjach SU(2) spinu wewnętrznego . Innymi słowy, zarówno izospinowe, jak i wewnętrzne transformacje spinowe są izomorficzne z grupą symetrii SU(2). Silne przyciąganie występuje tylko wtedy, gdy całkowity izospin zbioru oddziałujących cząstek wynosi 0, co potwierdza eksperyment.

Nasze zrozumienie siły jądrowej uzyskujemy dzięki eksperymentom rozpraszania i energii wiązania lekkich jąder.

Uproszczony diagram Feynmana silnego oddziaływania proton - neutron, w którym pośredniczy wirtualny pion neutralny . Czas płynie od lewej do prawej.

Siła jądrowa zachodzi poprzez wymianę wirtualnych mezonów świetlnych , takich jak wirtualne piony , oraz dwóch rodzajów wirtualnych mezonów o spinie ( mezony wektorowe ), mezony rho i mezony omega . W tym obrazie „wirtualnego mezonu” mezony wektorowe odpowiadają za spin-zależność siły jądrowej.

Siła jądrowa różni się od tego, co historycznie było znane jako słabe siły jądrowe . Oddziaływanie słabe jest jedną z czterech podstawowych interakcji i odgrywa rolę w takich procesach, jak rozpad beta . Oddziaływanie słabe nie odgrywa żadnej roli w oddziaływaniu nukleonów, chociaż odpowiada za rozpad neutronów na protony i odwrotnie.

Historia

Siła jądrowa jest sercem fizyki jądrowej od czasu narodzin tej dziedziny w 1932 r. wraz z odkryciem neutronu przez Jamesa Chadwicka . Tradycyjnym celem fizyki jądrowej jest zrozumienie właściwości jąder atomowych w kategoriach „nagiego” oddziaływania między parami nukleonów lub sił nukleon-nukleon (siły NN).

W kilka miesięcy po odkryciu neutronu Werner Heisenberg i Dmitri Ivanenko zaproponowali modele protonowo-neutronowe jądra. Heisenberg podszedł do opisu protonów i neutronów w jądrze za pomocą mechaniki kwantowej, co nie było wówczas oczywiste. Teoria Heisenberga dotycząca protonów i neutronów w jądrze była „dużym krokiem w kierunku zrozumienia jądra jako układu mechaniki kwantowej”. Heisenberg przedstawił pierwszą teorię jądrowych sił wymiany, które wiążą nukleony. Uważał protony i neutrony za różne stany kwantowe tej samej cząstki, czyli nukleony wyróżniające się wartością ich jądrowych liczb kwantowych izospinowych .

Jednym z najwcześniejszych modeli jądra był model kropli cieczy opracowany w latach 30. XX wieku. Jedną z właściwości jąder jest to, że średnia energia wiązania na nukleon jest w przybliżeniu taka sama dla wszystkich stabilnych jąder, co jest podobne do kropli cieczy. Model kropli cieczy traktował jądro jako kroplę nieściśliwego płynu jądrowego, przy czym nukleony zachowują się jak cząsteczki w cieczy. Model został po raz pierwszy zaproponowany przez George'a Gamowa, a następnie opracowany przez Nielsa Bohra , Wernera Heisenberga i Carla Friedricha von Weizsäckera . Ten prymitywny model nie wyjaśniał wszystkich właściwości jądra, ale wyjaśniał kulisty kształt większości jąder. Model dał również dobre prognozy dotyczące energii wiązania jąder.

W 1934 roku Hideki Yukawa podjął pierwszą próbę wyjaśnienia natury siły jądrowej. Zgodnie z jego teorią, masywne bozony ( mezony ) pośredniczą w interakcji między dwoma nukleonami. W świetle chromodynamiki kwantowej (QCD) — a co za tym idzie, Modelu Standardowego — teoria mezonów nie jest już postrzegana jako fundamentalna. Jednak koncepcja wymiany mezonów (gdzie hadrony są traktowane jako cząstki elementarne ) nadal stanowi najlepszy model roboczy dla ilościowego potencjału NN . Potencjał Yukawy (zwany także ekranowanym potencjałem kulombowskim ) jest potencjałem postaci

gdzie g jest stałą skalowania wielkości, tj. amplitudą potencjału, jest masą cząstki Yukawy, r jest promieniową odległością od cząstki. Potencjał wzrasta monotonnie , co oznacza, że siła jest zawsze atrakcyjna. Stałe wyznaczane są empirycznie. Potencjał Yukawy zależy tylko od odległości między cząstkami r , stąd modeluje siłę centralną .

W latach 30. XX wieku grupa z Columbia University kierowana przez II Rabiego opracowała techniki rezonansu magnetycznego do określania momentów magnetycznych jąder. Pomiary te doprowadziły do ​​odkrycia w 1939 roku, że deuteron posiada również elektryczny moment kwadrupolowy . Ta elektryczna właściwość deuteronu zakłócała ​​pomiary grupy Rabi. Deuteron, złożony z protonu i neutronu, jest jednym z najprostszych układów jądrowych. Odkrycie oznaczało, że fizyczny kształt deuteronu nie był symetryczny, co dało cenny wgląd w naturę nukleonów wiążących siły jądrowe. W szczególności wynik pokazał, że siła jądrowa nie była siłą centralną , ale miała charakter tensorowy. Hans Bethe zidentyfikował odkrycie momentu kwadrupolowego deuteronu jako jedno z ważnych wydarzeń w latach formowania fizyki jądrowej.

Historycznie rzecz biorąc, zadanie fenomenologicznego opisu siły jądrowej było ogromne. Pierwsze półempiryczne modele ilościowe pojawiły się w połowie lat pięćdziesiątych, takie jak potencjał Woodsa-Saxona (1954). W latach 60. i 70. nastąpił znaczny postęp w eksperymentach i teorii związanych z siłą jądrową. Jednym z wpływowych modeli był potencjał Reida (1968)

gdzie i gdzie potencjał jest podany w jednostkach MeV. W ostatnich latach eksperymentatorów skoncentrowały się na subtelności siły jądrowe, takie jak jego uzależnienia opłat, dokładna wartość gatunku NN stała sprzężenia, poprawa Analiza przesunięcia fazy o wysokiej precyzji NN danych , precyzyjne NN potencjały, NN rozpraszania przy średnich i wysokich energiach oraz próby wyprowadzenia siły jądrowej z QCD.

Siła jądrowa jako pozostałość siły silnej

Animacja interakcji. Kolorowe podwójne koła to gluony. Antykolory są pokazane jak na tym schemacie ( większa wersja ).
Ten sam diagram, co powyżej, z pokazanymi poszczególnymi składnikami kwarków , aby zilustrować, w jaki sposób fundamentalne oddziaływanie silne powoduje powstanie siły jądrowej . Linie proste to kwarki, a wielokolorowe pętle to gluony (nośniki siły podstawowej). Inne gluony, które wiążą ze sobą proton, neutron i pion „w locie”, nie są pokazane.

Siła jądrowa jest efektem szczątkowym bardziej fundamentalnej siły silnej lub oddziaływania silnego . Oddziaływanie silne to siła przyciągania, która wiąże cząstki elementarne zwane kwarkami, tworząc same nukleony (protony i neutrony). W tej potężniejszej sile, jednej z podstawowych sił natury, pośredniczą cząstki zwane gluonami . Gluony utrzymują razem kwarki poprzez ładunek kolorowy, który jest analogiczny do ładunku elektrycznego, ale jest znacznie silniejszy. Kwarki, gluony i ich dynamika są w większości ograniczone do nukleonów, ale wpływy szczątkowe rozciągają się nieco poza granice nukleonów, powodując powstanie siły jądrowej.

Siły jądrowe powstające między nukleonami są analogiczne do sił w chemii między neutralnymi atomami lub cząsteczkami, zwanych siłami dyspersyjnymi Londynu . Takie siły między atomami są znacznie słabsze niż przyciągające siły elektryczne, które utrzymują razem atomy (tzn. wiążą elektrony z jądrem), a ich zasięg między atomami jest krótszy, ponieważ wynikają z niewielkiego oddzielenia ładunków wewnątrz obojętnego atomu. Podobnie, mimo że nukleony zbudowane są z kwarków w kombinacjach, które znoszą większość sił gluonowych (są one „neutralne kolorystycznie”), niektóre kombinacje kwarków i gluonów mimo to wyciekają z nukleonów w postaci pól sił jądrowych krótkiego zasięgu, które rozciągają się od jeden nukleon na inny pobliski nukleon. Te siły jądrowe są bardzo słabe w porównaniu z bezpośrednimi siłami gluonowymi ("siłami koloru" lub siłami silnymi ) wewnątrz nukleonów, a siły jądrowe rozciągają się tylko na kilka średnic jądra, spadając wykładniczo wraz z odległością. Niemniej jednak są wystarczająco silne, aby wiązać neutrony i protony na krótkich dystansach i przezwyciężać odpychanie elektryczne między protonami w jądrze.

Czasami siła jądrowa nazywana jest szczątkową siłą silną , w przeciwieństwie do oddziaływań silnych, które powstają w wyniku QCD. To sformułowanie pojawiło się w latach 70., kiedy powstawała QCD. Wcześniej silne oddziaływanie jądrowe odnosiło się do potencjału międzynukleonowego. Po weryfikacji modelu kwarków , oddziaływanie silne doszła do średniej QCD.

Potencjały nukleonowo-nukleonowe

Układy dwunukleonowe, takie jak deuteron , jądro atomu deuteru, a także rozpraszanie proton-proton lub neutron-proton są idealne do badania siły NN . Takie układy można opisać przez przypisanie potencjału (takiego jak potencjał Yukawy ) do nukleonów i wykorzystanie potencjałów w równaniu Schrödingera . Forma potencjału jest wyprowadzana fenomenologicznie (poprzez pomiar), chociaż dla interakcji dalekiego zasięgu, teorie wymiany mezonów pomagają skonstruować potencjał. Parametry potencjału określa się dopasowując do danych eksperymentalnych, takich jak energia wiązania deuteronu lub przekroje elastycznego rozpraszania NN (lub równoważnie w tym kontekście tzw. przesunięcia fazowe NN ).

Najszerzej stosowane NN potencjały są potencjalna Paryż The potencjał Argonne AV18 The potencjał CD-Bonn i potencjały Nijmegen .

Nowszym podejściem jest opracowanie efektywnych teorii pola dla spójnego opisu sił nukleon-nukleon i trzech nukleonów. Hadrodynamika kwantowa to efektywna teoria pola sił jądrowych, porównywalna z QCD w przypadku oddziaływań barwnych i QED w przypadku oddziaływań elektromagnetycznych. Dodatkowo, łamanie symetrii chiralnej można analizować w kategoriach efektywnej teorii pola (zwanej chiralną teorią perturbacji ), która pozwala na perturbacyjne obliczenia oddziaływań nukleonów z pionami jako cząstkami wymiennymi.

Od nukleonów do jąder

Ostatecznym celem fizyki jądrowej byłoby opisanie wszystkich oddziaływań jądrowych na podstawie podstawowych oddziaływań między nukleonami. Nazywa się to podejściem mikroskopowym lub ab initio fizyki jądrowej. Do pokonania są dwie główne przeszkody:

  • Obliczenia w układach wielociałowych są trudne (ze względu na interakcje wielocząstkowe) i wymagają zaawansowanych technik obliczeniowych.
  • Istnieją dowody na to, że siły trzech nukleonów (i prawdopodobnie wyższe oddziaływania wielocząstkowe) odgrywają znaczącą rolę. Oznacza to, że model musi zawierać potencjały trzynukleonowe.

Jest to aktywny obszar badań, w którym nieustanne postępy w technikach obliczeniowych prowadzą do lepszych obliczeń struktury powłoki jądrowej według pierwszych zasad . Potencjały dwu- i trzynukleonowe zostały zaimplementowane dla nuklidów do A  = 12.

Potencjały jądrowe

Skutecznym sposobem opisu oddziaływań jądrowych jest skonstruowanie jednego potencjału dla całego jądra, zamiast rozważania wszystkich jego składników nukleonowych. Nazywa się to podejściem makroskopowym . Na przykład rozpraszanie neutronów z jąder można opisać, biorąc pod uwagę falę płaską w potencjale jądra, który składa się z części rzeczywistej i części urojonej. Model ten jest często nazywany modelem optycznym, ponieważ przypomina przypadek światła rozproszonego przez nieprzezroczystą szklaną kulę.

Potencjały jądrowe mogą być lokalne lub globalne : potencjały lokalne są ograniczone do wąskiego zakresu energii i/lub wąskiego zakresu mas jądrowych, podczas gdy potencjały globalne, które mają więcej parametrów i są zwykle mniej dokładne, są funkcjami energii i masy jądrowej oraz dlatego może być używany w szerszym zakresie zastosowań.

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

Dalsza lektura