Јадрена сила

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето
Force (in units of 10,000 N) between two nucleons as a function of distance as computed from the Reid potential (1968).[1] The spins of the neutron and proton are aligned, and they are in the S angular momentum state. The attractive (negative) force has a maximum at a distance of about 1 fm with a force of about 25,000 N. Particles much closer than a distance of 0.8 fm experience a large repulsive (positive) force. Particles separated by a distance greater than 1 fm are still attracted (Yukawa potential), but the force falls as an exponential function of distance.
Corresponding potential energy (in units of MeV) of two nucleons as a function of distance as computed from the Reid potential. The potential well is a minimum at a distance of about 0.8 fm. With this potential nucleons can become bound with a negative "binding energy."

Јадрена Сила (или јадрено заемодејство или сила на одбивање) — силата помеѓу протони и неутрони, субатомски честици кои колективно се наречени нуклеони. Јадрената сила е онаа којашто ги соединува протоните и неутроните во атомски јадра. Неутроните и протоните се подеднакво засегнати од јадрената сила. Бидејќи протоните имаат полнеж +1 e, тие доживуваат силна одивност во електричното поле (потпирајќи се на Кулоновиот закон) којшто тежнее кон нивно одделување, но на краток домет јадрената сила е обземена од електомагнетната сила. Масата на нуклеоние помала од сумата на индивидуалните маси на неутроните и протоните, кои што ја формираат. Разликата на масите меѓу поврзаните и неповрзаните нуклеони е позната како масен дефект. Енергија се ослободува кога некои големи јадра ќе се расцепат, и оваа е таа енергија којашто се користи за нуклеарна сила и нуклеарно оружје.[2][3]

Јадрената сила е посилна attractive помеѓу јадра на далечина од 1 femtometer (fm, or 1.0 × 10−15 metres) со разлика меѓу нивните центри, но брзо се намалува до безначајност на растојанија над околу 2.5 fm. На драстојанија помали од 0.7 fm, јадрената сила станува repulsive. Ваквата рапулзивна сила е главниот кривец за големината на јадрата, заради тоа што јадрата неможе да се доближат ништо повеќе од она што им овозможува силата. Споредувајќи, ја големината на атомот, мерена во ангстроми (Å, or 1.0 × 10−10 m), е пет реда поголема. Јадрената сила е е едноставна, иако, бидејќи зависи од вртежата на јадрото, има тензорска компонента, и може да зависи од релативниот момументум на јадрото.[4]

Квантитативниот опис на јадрената сила делумно зависи од емпирските равенки, кои ги формираат интрануклеарните потенцијални енергии, или потенцијали. (Генерално, силите во системот на честички може да бидат поедноставно моделирани опишувајќи ја потенцијалната енергија на системот; негативнот гардиент на потенцијал е еднаков со векторската сила.) Константите за равенките се феноменолошки, така што се утврдени со создавањето на равенките за експериментални податоци. Интернуклеарните потенцијали се трудат да ги опишат својствата на заемодејство јадро-јадро. Веќе утврдените, потенцијали може да се користат во, на пример Schrödinger equation којашто ги утврдува quantum mechanicalсвојствата на јадрениот систем.

Пронајдокот на неутронот во 1932 водел кон тоа дека атомот е составен од неутрони и протони, коишто се држат заедно благодрение на привлечната сила. До 1935 се сметало дека јадрената сила се пренесувала од честички наречени месони. Теоретскиот развој придонел и во описот на Yukawa potential, ран пример за нуклеарниот потенцијал. Месоните, пронајдени теоретски, биле експериментално докажани во 1947. До 1970s quark model бил развиен, па така се докажало дека месоните и јадрата биле составени од кваркови и глуони. Водејќи се по овој модел, јадрената сила резултирајќи како размена на месони меѓу соседните јадра , претставува остаток оддејството на силната сила.

Опис[уреди | уреди извор]

Јадрената сила се чувствува само помеѓу честички составени од кваркови или хардони. На мала далечина помеѓу јадрата (less than ~ 0.7 fm меѓу нивните центри, во зависност од спиналното усогласување) силата станува репулсивна, којашто ги држи јадрата на одредена просечна далечина, дури и ако се од различни типови. Ваквата одбивност произлегува од Pauli exclusion сина на идентични јадра (како два протона или два неутрона). Паулиевата сила на исклучување исто така се појавува меѓу кварковите од исти тип во јадрата, кога јадрата се различни (протон и неутрон, на пример). Јадрената сила исма исто така и „тензор“ компонента која завиди од тоа дали спиновите (ангуларни векторски моментуми) на јадрата се истонасочни (имаат иста насока) или различно насочни (имаат спротивна насока).

На растојанја поголеми од 0.7 fm силата станува привлечна помеѓу исто насочните јадра, станувајќи максимална на растојанието центар-центар, односно 0.9 fm. Над ова растојание силата опаѓа , се додека не стигне над околу 2.0 fm при што се одвојува, силата е неважна. Јадрата имаат радиус околу 0.8 fm.[5]

На кратки релации (помали од 1.7 fm or so), јадрената сила е посилна одколку што е Кулоновата сила помеѓу протоните; и така ја надминува репулсивната сила на протоните, внатре во јадрата. Како и да е, Колумбовата сила има мошне поголем домет благодарение на распаѓањето како инверзна коцка на оделување на полнежот, и Кулоновата одбивност станува едниствената значајна сила помеѓу протоните, кога нивното одвојување ќе достигне околу 2 to 2.5 fm.

За две честички коишто се исти (како сва протона или два неутрона) силата не е доволна за да ги спои, бидејќи спиналните вектори од честички од ист тип мора да има спротивна насока, кога честичките се блиску една до друга и се во иста квантна состојба. Ваквата условеност fermions stems from the Pauli exclusion principle. For fermion честички од различни типови, честичките можат да бидат блиску една до друга и да имаат регулирани спинови без да му наштетат на Паулиовиот експлозивен принцип, и так јадрената сила би мошела да ги спои (во случај, во deuteron), бидејќи јадрената сила е многу посилна кога станува збор за честички со регулирани спинови. Но ако честичките се нерегулирани јадрената сила е премногу слаба за да ги поврзе, дури и ако се од различни типови. За одвојување на јадрото во неповрзани протони и неутрони бара работа наспроти јадрената сила. Спротивно од тоа, се испушта енергија кога едно јадро се формира од други слободни нуклеони : јадрената поврзувачка енергија. Поради mass–energy equivalence (i.e. Einstein's famous formula E = mc2), испуштајќи ја ваквата енергија прави масата на јадрото да биде помала од вкупната маса на индивидуалните нуклеони водејќи до така наречената "Масен дефект".[6]

Јадрената сила е тотално независна оф фактот дали нуклеоните се неутрони или пак ротони. Ваквата карактеристика се нарекува независен полнеж. Силата зависи дали спинот spins на спиновите е паралелно или антипаралелно, и има тензор компонента. Овој дел од силата не поседува орбитала angular momentum, којашто е константа на движење централни сили.

Симетријата којашто е застапена во силната сила, предложена од Вернер Хеинсберг, е дека протоните и неутроните се идентични во секој аспрект, освен нивниот полнеж. Ова не е целосно точно, бидејќи неутроните се малку потешки, но е апроксимална симетрија. Како и да е протоните и неутронисе се разгледувани како иста честичка, но со различен isospin квантен број. Силната сила не е варијабилна под SU(2) трансформациите, само како честички со "регуларен спин" . Изоспинот и "регуларниот" спин се поврзани под оваа SU(2) група на симетрија. Постојат само силни привлечни сили кога вкупниот изоспин е 0, како што е и експериментално докажано.[7]

Информациите за јадрената сила се стекнати преку распрскувачките експерименти и истражувањата за слабата поврзувачка енергија.

A Feynman diagram of a strong protonneutron interaction mediated by a neutral pion. Time proceeds from left to right.

Јадрената сила се појавува со размената на виртуално лесните месони, како виртуалните пиони, како и два типа на виртуални месони со спин (векторски месони), rho mesons и месони. Векторите на сметка на спиновата зависност на јадрената сила формираат "виртуален мезон" слика.

Јадрената сила се одвојува од историските знаења како слаба јадрена сила. Слабото заемодејство е едно од четирите фундументални заемодејства, и се однесуваат натаму наречениот бета-распад. Слабата сила нема никаква улога во слабото заемодејство меѓу нуклеоните, иако е одговорна за распаѓањето на неутроните во протоните и обратно.

Историја[уреди | уреди извор]

Јарената сила била срцето на нуклеарната сила уште од нејзиното раѓање во 1932 со откривањето на неутронот од страна на Џејмс Чадвик. Традиционалната цел на нуклеарната физика е да ги разбере својствата на атомските нуклеони во смисла на гола реакција меѓу парови на нуклеони или нуклеон-нуклеон сили (NN forces).

По неколку месеци од откривањето на неутронот, Вернер Хеинсберг[8][9][10] and Dmitri Ivanenko[11] had proposed proton–neutron models for the nucleus.[12] Хеинсберг се насочил кон описот на протоните и неутроните во јадрото, преку квантната механика, ваквото приближување не било познато во тоа време. Хеинсберговата теорија за протоните и неутроните во јадрето била „огромен чекор во разбирањето на јадрото како квантен механички систем."[13] Хеинсберг ја поставил првата теорија за јадрената сила на замена којашто ги спојувала нуклеоните. Тој сметал дека протоните и неутроните се сосема различни квантни forces that bind the nucleons. He considered protons and neutrons to be different quantum свери но од иста честица, т.е нуклеоните биле одразувачи на изоспинот квантниот број.

Еден од најраните модели за јадрото бил liquid drop model развиен во 1930те. Една карактеристика за нуклеоните е тоа дека просечната поврзувачката сила по нуклеон е одприлика истата како и сите други стабилни нуклеони, што е слично со течната капка. Моделот течна капка ги третирал нуклеоните како капка од инкомпресибилен јадрен гас, со нуклеони коишто се однесувале како нуклеони во течност. Моделот најпрво бил предложен од страна на George Gamow , а бил развиен од Niels Bohr, Werner Heisenberg и Carl Friedrich von Weizsäcker. Ваквиот суров модел не ги објаснил карактеристиките на нуклеоните, но сепак ги објаснил сферичните форми на нуклеоните. Моделот исто така дал добри предвидувања за јадрената поврзувачка енергија на нуклеоните.

Во 1934, Hideki Yukawa го прави најраниот модел којшто ја објаснувал јадрената сила. Водејќи се според неговата теорија, massive bosons (mesons) посредува заемодејство меѓу два нуклеона. Иако, во контекстот на квантната хромодинамика (QCD), теоријата на месони повеќе не се смета за фундументална, концептот на замена на месони (кадехардоните се третирани како основни честички) продолжува да биде најдобриот модел за квантитативниот NN потенцијал. Јакуовиот потенцијал (исто така наречен скрининг Кулоновиот потенцијал) е потенцијал на формата.

where g is a magnitude scaling constant, i.e., the amplitude of potential, is the Yukawa particle mass, r is the radial distance to the particle. The potential is monotone increasing, implying that the force is always attractive. The constants are determined empirically. The Yukawa potential depends only on the distance between particles, r, hence it models a central force.

Throughout the 1930s a group at Columbia University led by I. I. Rabi developed magnetic resonance techniques to determine the magnetic moments of nuclei. These measurements led to the discovery in 1939 that the deuteron also possessed an electric quadrupole moment.[14][15] This electrical property of the deuteron had been interfering with the measurements by the Rabi group. Деутронот, составен од протон и неутрон претставува еден од наједноставните јадрени системи. Ваквиот пронајдок всушност укажувал дека физичката форма на деутронот не била симетрична, коешто довело до природата на јадрената сила помеѓу нуклеоните. Всушност моделот докажал дека јадрената сила не била централна сила, но имала тензорен карактер.[1] Hans Bethe го идентификувал пронајдокот deuteron's quadrupole момент како еден од најважните настани во текот на годините на развојот на нуклеарната физика. [14]

Историскизадачата за опишување на јадрената сила феноменолошки била опасна. Првите квантитативни модели се појавиле во средината на 1950те,[1] како и Woods–Saxon potential (1954). Имало значителен напредок во теоријата и експерименталноста поврзани со јадрената сила во 1960те и 1970те. Еден доминантен модел бил Reid potential (1968).[1] Во последниве години, експериментите се сконцентрирани на суптилностите на јадрената сила, како зависноста на полнежот, точната вредност на πNN, докажано анализата на фазалното поместување, голема прецизност NN data, голема прецизност NN потенцијали, NN расипување на средните и високи енергии, обидувајќи се да извлече јадрената сила од QCD.

Јадрената сила како пример за силна сила[уреди | уреди извор]

An animation of the interaction. The colored double circles are gluons. Anticolors are shown as per this diagram (larger version).
The same diagram as that above with the individual quark constituents shown, to illustrate how the fundamental strong interaction gives rise to the nuclear force. Straight lines are quarks, while multi-colored loops are gluons (the carriers of the fundamental force). Other gluons, which bind together the proton, neutron, and pion "in-flight," are not shown.

Јадрената сила е остаток од ефектот на фундументалната силна сила, или силно заемодејство. Силната сила е сила којашто ги соединува елементарните честички кваркови кои формираат нуклеони. Посилна сила е онаа што е предизвикана од честичките глуони. Глуоните ги држат кварковите заедно со сила на електричен полнеж, но со многу поголема сила. Кварковите, глуоните и нивните динамики се ограничени во самите нуклеони, но преостанатите влијанија се шират подалеку од границите на јадрото при што се добива јадрената сила. Јарените сили коишто се појавуваат се аналогни на силите во хемијата помеѓу неутралните атоми или олекули наречени Лондонски сили. Ваквите сили помеѓу атомите се многу послаби не они привлечните електрични сили кишто ги одржуваат атомите ( т.е ги поврзуваат електроните за нуклеусите), и нивниот домет помеѓу атоите е пократок, бидејќи се издигнуваат од разликата на полнежите во неутралнит атом. Слично, иако нуклеоните се составени од кваркови во комбинација коишто ги откажуваат повеќето глуонови сили. Вакбите јадрени сили се многу слаби во споредба со директните глуонови сили силни сили ватре во јадрото, и јадрените сили дејствуваат само на неколку јадрени дијаметри, опаѓајќи со зголемувањето на растојанието. Безразлика на ова тие се доволно силна за да ги спојат неутроните и протоните на кратки релации, и да го победат електричното одбивање помеѓу протоните во јадрото.

Нуклеон-нуклеон потенцијали[уреди | уреди извор]

Ква нуклеони системи како деутрон, како и проон-протон или неутрон-неутрон распрснување е идеално за изучување на NN силата. Ваквите системи се познати како потенцијал (како Yukawa potential) .Формата на потенцијалот е изведена феноменолошки (со мерење), иако за долгиот домет на заемодејство, теоријата за замена на месон помогнала во конструиање на потенцијалот. Параметрите за потенцијалот се направени според experimental data како поврзувачкта енергија не деутронот илиNN elastic scattering cross sections (or, equivalently in this context, so-called NN phase shifts).

The most widely used NN potentials are the Paris potential, the Argonne AV18 potential ,[16] the CD-Bonn potential and the Nijmegen potentials.

Понова теорија е сеуште во развој за effective field theories доследен опис на нуклеон-нуклеон силата. Вообичаено, chiral symmetry breakingможе да биде анализиран под услов на ефективна теорија (наречена chiral perturbation theory) којашто овозможува perturbative calculations на заемодејствата на нуклеоните со пионите за замена на честички.

Од јадро до нуклеони[уреди | уреди извор]

Главната цел на нуклеарната физика е да ги опише Јадрените реакции од основните заемодејства на нуклеоните. Ова е наречено microscopic или ab initio пристап на нуклеарната физика. Постојат две огромни пречки во достигнувањето на сонуваната цел за нуклеарната физика, а тоа се:

  • Калкулациите во many-body systems бидејќи бараат високи компарациски техники.
  • Ова е доказ дека three-nucleon forces имаат важна улога. Ова значи дека три нуклеарни потенцијали мора да се вметнат во моделот.

Ова е активно поле на истражувања со секојдневни напредувања во компутационите техники коишто водат кон откривање на први принципиелни пресметки на nuclear shell структура. Два или три нуклеарните потенцијали се имплементирани за за нуклиди до A = 12.

Нуклеарни потенцијали[уреди | уреди извор]

Најуспрешен начин на опис на јадрените заемодејства е да се конструира еден потенцијал за целото јадро наместо да се сметаат сите јадрени компоненти. Ова е наречено макроскопичен пристап. Јадрените потенцијали можат да бидат исто така локални или глобални: локалните потенцијали се лимитирани на ниски енергетски, додека глобалните потенцијали, коишто имаат повеќе параметри се обично помалку точни, се функции на енергијата и јадрената маса и можат да се користат во широк спектар на апликации.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Reid, R.V.. Local phenomenological nucleon–nucleon potentials. „Annals of Physics“ том  50: 411–448. doi:10.1016/0003-4916(68)90126-7. Bibcode1968AnPhy..50..411R. 
  2. Binding Energy, Mass Defect, Furry Elephant physics educational site, retr 2012 7 1
  3. Chapter 4 NUCLEAR PROCESSES, THE STRONG FORCE, M. Ragheb 1/30/2013, University of Illinois
  4. Kenneth S. Krane (1988). Introductory Nuclear Physics. Wiley & Sons. ISBN 0-471-80553-X. 
  5. Povh, B.; Rith, K.; Scholz, C.; Zetsche, F. (2002). Particles and Nuclei: An Introduction to the Physical Concepts. Berlin: Springer-Verlag. стр. 73. ISBN 978-3-540-43823-6. 
  6. Stern, Dr. Swapnil Nikam (February 11, 2009). "Nuclear Binding Energy". "From Stargazers to Starships". NASA website. конс. 2010-12-30. 
  7. Griffiths, David, Introduction to Elementary Particles
  8. Heisenberg, W.. Über den Bau der Atomkerne. I. „Z. Phys.“ том  77: 1–11. doi:10.1007/BF01342433. 
  9. Heisenberg, W.. Über den Bau der Atomkerne. II. „Z. Phys.“ том  78 (3–4): 156–164. doi:10.1007/BF01337585. 
  10. Heisenberg, W.. Über den Bau der Atomkerne. III. „Z. Phys.“ том  80 (9–10): 587–596. doi:10.1007/BF01335696. 
  11. Iwanenko, D.D., The neutron hypothesis, Nature 129 (1932) 798.
  12. Miller A. I. Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook, Cambridge University Press, Cambridge, 1995, ISBN 0521568919, pp. 84–88.
  13. Brown, L.M.; Rechenberg, H. (1996). The Origin of the Concept of Nuclear Forces. Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing. ISBN 0750303735. http://books.google.com/books?id=IJPTgDTOmgMC&pg=PA33&lpg=PA33&dq=heisenberg+proton+neutron+model&source=bl&ots=7FJ0u92GOQ&sig=9KYyLOf3pe9TEmEH5-HlX2txRWs&hl=en&sa=X&ei=-2hmVN3PLtjnoATY4YHYCQ&ved=0CDQQ6AEwAw#v=onepage&q=heisenberg%20proton%20neutron%20model&f=false. 
  14. 14,0 14,1 John S. Rigden (1987). Rabi, Scientist and Citizen. New York: Basic Books, Inc.. стр. 99–114. ISBN 9780674004351. https://books.google.com/books?id=Qgv9Xjv8_LYC&pg=PA106&lpg=PA106&dq=rabi+kellogg+zacharias+magnetic+moment+neutron&source=bl&ots=j3X6a2Wy-R&sig=_ok0ugOgyP2RvjPXJh73YwgZ6zU&hl=en&sa=X&ei=0-C-VOieEc34yQTg24HIDA&ved=0CCEQ6AEwAA#v=onepage&q=rabi%20kellogg%20zacharias%20magnetic%20moment%20neutron&f=false. посет. 9 мај 2015 г. 
  15. Kellogg, J.M.; Rabi, I.I.; Ramsey, N.F.; Zacharias, J.R.. An electrical quadrupole moment of the deuteron. „Physical Review“ том  55: 318–319. doi:10.1103/physrev.55.318. Bibcode1939PhRv...55..318K. http://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.55.318. посет. 9 мај 2015 г. 
  16. Wiringa, R. B.; Stoks, V. G. J.; Schiavilla, R.. Accurate nucleon–nucleon potential with charge-independence breaking. „Physical Review C“ том  51: 38. doi:10.1103/PhysRevC.51.38. Bibcode1995PhRvC..51...38W. 

Литература[уреди | уреди извор]

  • Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon–Nucleon Interaction, (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9
  • Ruprecht Machleidt and I. Slaus, "The nucleon–nucleon interaction", J. Phys. G 27 (2001) R69 (topical review).
  • E.A. Nersesov, Fundamentals of atomic and nuclear physics, (1990), Mir Publishers, Moscow, ISBN 5-06-001249-2
  • P. Navrátil and W.E. Ormand, "Ab initio shell model with a genuine three-nucleon force for the p-shell nuclei", Phys. Rev. C 68, 034305 (2003).

Дополнителна литература[уреди | уреди извор]

  • Nuclear Forces Ruprecht Machleidt, Scholarpedia, 9(1):30710. doi:10.4249/scholarpedia.30710