Ядерная сила

Эта статья о силе, которая удерживает нуклоны вместе в ядре. О силе, которая удерживает кварки вместе в нуклоне и которую также называют сильным ядерным взаимодействием , см. Сильное взаимодействие .

Не путать со слабым ядерным взаимодействием .

Сила (кратная 10 000 Н ) между двумя нуклонами как функция расстояния, рассчитанная на основе потенциала Рида (1968). Спины нейтрона и протона выровнены и находятся в S. состоянии углового момента имеет максимум на расстоянии около 1 Фм при силе около 25 000 Н. Сила притяжения (отрицательная ) Частицы, расположенные гораздо ближе, чем расстояние 0,8 фм, испытывают большую отталкивающую (положительную) силу. Частицы, разделенные расстоянием более 1 фм, все еще притягиваются (потенциал Юкавы), но сила падает экспоненциально с расстоянием.

Соответствующая потенциальная энергия (в единицах МэВ) двух нуклонов как функция расстояния, рассчитанная на основе потенциала Рейда. Потенциальная яма имеет минимум на расстоянии около 0,8 Фм. Благодаря этому потенциалу нуклоны могут связываться с отрицательной «энергией связи».

Ядерная сила (или нуклон-нуклонное взаимодействие , остаточная сильная сила , или, исторически, сильная ядерная сила ) — это сила, действующая между , чаще всего наблюдаемая между протонами и нейтронами атомов адронами . Нейтроны и протоны (оба нуклоны) подвергаются воздействию ядерных сил почти одинаково. Поскольку протоны имеют заряд +1 e , на них действует электрическая сила , которая стремится раздвинуть их, но на небольшом расстоянии ядерная сила притяжения достаточно сильна, чтобы преодолеть электростатическую силу. Ядерная сила связывает нуклоны в атомные ядра .

Ядерные силы обладают сильным притяжением между нуклонами на расстояниях около 0,8 фемтометра (фм, или 0,8 × 10 ⁻¹⁵  м ), но оно быстро уменьшается до незначительного на расстояниях более 2,5 фм. На расстояниях менее 0,7 фм ядерная сила становится отталкивающей. Это отталкивание ответственно за размер ядер, поскольку нуклоны не могут подойти ближе, чем позволяет сила. (Размер атома порядка ангстрем (Å или 10 ⁻¹⁰ m ), на пять порядков больше.) Однако ядерная сила непроста, поскольку она зависит от спинов нуклонов, имеет тензорную составляющую и может зависеть от относительного импульса нуклонов.

Ядерные силы играют важную роль в хранении энергии, которая используется в ядерной энергетике и ядерном оружии . Работа (энергия) необходима для того, чтобы сблизить заряженные протоны, преодолевая их электрическое отталкивание. Эта энергия сохраняется, когда протоны и нейтроны соединяются ядерной силой, образуя ядро. Масса ядра меньше суммы масс отдельных протонов и нейтронов. Разница в массах известна как дефект массы , который можно выразить как энергетический эквивалент. Энергия высвобождается, когда тяжелое ядро ​​распадается на два или более более легких ядра. Эта энергия представляет собой межнуклонную потенциальную энергию, которая высвобождается, когда ядерная сила больше не удерживает заряженные ядерные фрагменты вместе.

Количественное описание ядерной силы опирается на уравнения, которые частично являются эмпирическими . Эти уравнения моделируют межнуклонные потенциальные энергии или потенциалы. (Как правило, силы внутри системы частиц можно проще смоделировать, описав потенциальную энергию системы; отрицательный градиент потенциала равен векторной силе.) Константы для уравнений являются феноменологическими, то есть определяются путем подбора уравнения экспериментальным данным. Межнуклонные потенциалы пытаются описать свойства нуклон-нуклонного взаимодействия. После определения любой данный потенциал может быть использован, например, в уравнении Шредингера для определения квантово-механических свойств нуклонной системы.

Открытие нейтрона в 1932 году показало, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе силой притяжения. К 1935 году считалось, что ядерная сила передается частицами, называемыми мезонами . Эта теоретическая разработка включала описание потенциала Юкавы , раннего примера ядерного потенциала. Пионы , выполняющие предсказание, были открыты экспериментально в 1947 году. К 1970-м годам была разработана кварковая модель , согласно которой мезоны и нуклоны рассматривались как состоящие из кварков и глюонов. Согласно этой новой модели, ядерное взаимодействие, возникающее в результате обмена мезонами между соседними нуклонами, представляет собой многочастичное взаимодействие, коллективное воздействие сильного взаимодействия на основную структуру нуклонов.

Описание

Сравнение ядерной силы и силы Кулона. а – остаточная сильная сила (ядерная сила), быстро уменьшается до незначительности на расстояниях более 2,5 Фм, б – на расстояниях менее ~ 0,7 Фм между центрами нуклонов ядерная сила становится отталкивающей, в – кулоновская сила отталкивания между двумя протонами (более 3 fm, сила становится главной), d – положение равновесия протон – протон, r – радиус нуклона (облака из трёх кварков). Примечание: 1 фм = 10 ⁻¹⁵ м

Хотя ядерная сила обычно связана с нуклонами, в более общем плане эта сила ощущается между адронами или частицами, состоящими из кварков . При небольших расстояниях между нуклонами (менее ~ 0,7 фм между их центрами, в зависимости от выравнивания спинов) сила становится отталкивающей, что удерживает нуклоны на определенном среднем расстоянии. Для идентичных нуклонов (например, двух нейтронов или двух протонов) это отталкивание возникает из -за силы Паули . Паулиевское отталкивание происходит также между кварками одного и того же аромата от разных нуклонов (протона и нейтрона).

Напряженность поля

На расстояниях более 0,7 фм сила притяжения между нуклонами, ориентированными по спину, становится максимальной при расстоянии между центрами около 0,9 фм. За пределами этого расстояния сила падает экспоненциально, пока расстояние за пределами расстояния примерно 2,0 фм не станет незначительным. Нуклоны имеют радиус около 0,8 фм.

На коротких расстояниях (менее 1,7 фм или около того) ядерная сила притяжения сильнее, чем кулоновская сила отталкивания между протонами; таким образом, он преодолевает отталкивание протонов внутри ядра. Однако кулоновская сила между протонами имеет гораздо больший диапазон, поскольку она изменяется обратно пропорционально квадрату разделения зарядов, и, таким образом, кулоновское отталкивание становится единственной значимой силой между протонами, когда их расстояние превышает примерно 2–2,5 Фм .

Ядерное взаимодействие имеет спин-зависимую составляющую. Эта сила сильнее для частиц, спины которых выровнены, чем для частиц, спины которых направлены против направления. Если две частицы одинаковы, например, два нейтрона или два протона, силы недостаточно, чтобы связать частицы, поскольку векторы спина двух частиц одного и того же типа должны указывать в противоположных направлениях, когда частицы находятся рядом друг с другом и (за исключением спина) в одном и том же квантовом состоянии. Это требование для фермионов вытекает из принципа запрета Паули . Для фермионных частиц разных типов, таких как протон и нейтрон, частицы могут находиться близко друг к другу и иметь выровненные спины, не нарушая при этом принципа Паули, а ядерная сила может связать их (в данном случае в дейтрон ) , поскольку ядерная сила намного сильнее для частиц с выравниванием по спину. Но если спины частиц разнонаправлены, ядерная сила слишком слаба, чтобы связать их, даже если они относятся к разным типам.

Ядерная сила также имеет тензорную составляющую, которая зависит от взаимодействия между спинами нуклонов и угловым моментом нуклонов, что приводит к деформации из простой сферической формы.

Ядерное связывание

Чтобы разобрать ядро ​​на несвязанные протоны и нейтроны, требуется работа против ядерных сил. И наоборот, энергия высвобождается, когда ядро ​​создается из свободных нуклонов или других ядер: энергия связи ядра . Из-за эквивалентности массы и энергии (т.е. формулы Эйнштейна E = mc ² ), высвобождение этой энергии приводит к тому, что масса ядра становится меньше общей массы отдельных нуклонов, что приводит к так называемому «дефекту массы».

Ядерное взаимодействие почти не зависит от того, являются ли нуклоны нейтронами или протонами. Это свойство называется зарядовой независимостью . Сила зависит от того, параллельны или антипараллельны спины нуклонов, поскольку она имеет нецентральную или тензорную составляющую. Эта часть силы не сохраняет орбитальный угловой момент , который под действием центральных сил сохраняется.

Симметрия, приводящая к сильному взаимодействию, предложенная Вернером Гейзенбергом , заключается в том, что протоны и нейтроны идентичны во всех отношениях, кроме их заряда. Это не совсем так, поскольку нейтроны немного тяжелее, но это приблизительная симметрия. Таким образом, протоны и нейтроны рассматриваются как одна и та же частица, но с разными изоспина квантовыми числами ; обычно протон имеет изоспину вверх, а нейтрон — вниз . Сильное взаимодействие инвариантно относительно преобразований изоспина SU(2), так же, как другие взаимодействия между частицами инвариантны относительно преобразований собственного спина SU(2) . Другими словами, как изоспиновые, так и собственные спиновые преобразования изоморфны группе симметрии SU(2). Сильные притяжения возникают только тогда, когда общий изоспин множества взаимодействующих частиц равен 0, что подтверждается экспериментом.

Наше понимание ядерных сил получено на основе экспериментов по рассеянию и энергии связи легких ядер.

Упрощенная диаграмма Фейнмана сильного протон - нейтронного взаимодействия, опосредованного виртуальным нейтральным пионом . Время течет слева направо.

Ядерное взаимодействие возникает путем обмена виртуальными легкими мезонами , такими как виртуальные пионы , а также двумя типами виртуальных мезонов со спином ( векторные мезоны ), ро-мезонами и омега-мезонами . Векторные мезоны объясняют спиновую зависимость ядерных сил в этой картине «виртуальных мезонов».

Ядерное взаимодействие отличается от того, что исторически было известно как слабое ядерное взаимодействие . является Слабое взаимодействие одним из четырех фундаментальных взаимодействий и играет роль в таких процессах, как бета-распад . Слабое взаимодействие не играет никакой роли во взаимодействии нуклонов, хотя оно ответственно за распад нейтронов на протоны и наоборот.

История

Ядерные силы были в центре ядерной физики с тех пор, как эта область зародилась в 1932 году, когда был открыт нейтрон Джеймсом Чедвиком . Традиционная цель ядерной физики — понять свойства атомных ядер с точки зрения «голого» взаимодействия между парами нуклонов, или нуклон-нуклонных сил (NN-сил).

Через несколько месяцев после открытия нейтрона Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко предложил протон-нейтронные модели ядра. Гейзенберг подошел к описанию протонов и нейтронов в ядре с помощью квантовой механики, подход, который в то время был совсем не очевиден. Теория Гейзенберга протонов и нейтронов в ядре была «большим шагом к пониманию ядра как квантово-механической системы». Гейзенберг представил первую теорию ядерных обменных сил, связывающих нуклоны. Он считал протоны и нейтроны разными квантовыми состояниями одной и той же частицы, т. е. нуклонами, отличающимися величиной их изоспина квантовых чисел ядра.

Одной из первых моделей ядра была модель жидкой капли, разработанная в 1930-х годах. Одним из свойств ядер является то, что средняя энергия связи на нуклон примерно одинакова для всех стабильных ядер, что аналогично капле жидкости. Модель жидкой капли рассматривала ядро ​​как каплю несжимаемой ядерной жидкости, а нуклоны вели себя как молекулы в жидкости. Модель была впервые предложена Георгием Гамовым , а затем развита Нильсом Бором , Вернером Гейзенбергом и Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером . Эта грубая модель не объясняла всех свойств ядра, но объясняла сферическую форму большинства ядер. Модель также дала хорошие предсказания относительно энергии связи ядер.

В 1934 году Хидеки Юкава предпринял первую попытку объяснить природу ядерного взаимодействия. Согласно его теории, массивные бозоны ( мезоны ) опосредуют взаимодействие двух нуклонов. В свете квантовой хромодинамики (КХД) – и, как следствие, Стандартной модели – мезонная теория больше не воспринимается как фундаментальная. Но концепция мезонного обмена (где адроны рассматриваются как элементарные частицы ) продолжает представлять собой лучшую рабочую модель для количественного NN- потенциала. Потенциал Юкавы (также называемый экранированным кулоновским потенциалом ) представляет собой потенциал вида

$V_{\text{Yukawa}}(r)=-g^{2}{\frac {e^{-\mu r}}{r}},$

где g - масштабная константа величины, т. е. амплитуда потенциала, $\mu$ – масса частицы Юкавы, r – радиальное расстояние до частицы. Потенциал монотонно возрастает , что означает , что сила всегда притягивающая. Константы определяются эмпирически. Потенциал Юкавы зависит только от расстояния r между частицами, следовательно, он моделирует центральную силу .

На протяжении 1930-х годов группа Колумбийского университета под руководством И. И. Раби разрабатывала магнитно-резонансные методы определения магнитных моментов ядер. Эти измерения привели в 1939 году к открытию того, что дейтрон также обладает электрическим квадрупольным моментом . Это электрическое свойство дейтрона мешало измерениям группы Раби. Дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, является одной из простейших ядерных систем. Это открытие означало, что физическая форма дейтрона не была симметричной, что дало ценную информацию о природе ядерных сил, связывающих нуклоны. В частности, результат показал, что ядерная сила не была центральной силой , а имела тензорный характер. Ганс Бете назвал открытие квадрупольного момента дейтрона одним из важных событий в годы становления ядерной физики.

Исторически задача феноменологического описания ядерных сил была огромной. Первые полуэмпирические количественные модели появились в середине 1950-х годов. такой как потенциал Вудса – Саксона (1954). В 1960-х и 1970-х годах наблюдался значительный прогресс в экспериментах и ​​теории, связанных с ядерными силами. Одной из влиятельных моделей был потенциал Рида (1968).

$V_{\text{Reid}}(r)=-10.463{\frac {e^{-\mu r}}{\mu r}}-1650.6{\frac {e^{-4\mu r}}{\mu r}}+6484.2{\frac {e^{-7\mu r}}{\mu r}},$

где $\mu =0.7~{\text{fm}}^{-1},$ и где потенциал дан в единицах МэВ . В последние годы, экспериментаторы сосредоточились на тонкостях ядерной силы, таких как ее зарядовая зависимость, точное значение константы связи π NN , улучшенный анализ фазового сдвига , высокоточные NN данные , высокоточные NN- потенциалы, NN- рассеяние на промежуточных и высокие энергии и попытки вывести ядерную силу из КХД.

Как остаток сильной силы

Анимация взаимодействия. Цветные двойные кружки — это глюоны. Антицвета показаны согласно этой схеме ( увеличенная версия ).

Та же диаграмма, что и выше, с изображением отдельных компонентов кварков , чтобы проиллюстрировать, как фундаментальное сильное взаимодействие порождает ядерное взаимодействие . Прямые линии — это кварки, а разноцветные петли — это глюоны (переносчики фундаментальной силы). Другие глюоны, связывающие протон, нейтрон и пион «в полете», не показаны.

Ядерное взаимодействие — это остаточный эффект более фундаментального сильного взаимодействия, или сильного взаимодействия . Сильное взаимодействие — это сила притяжения, которая связывает элементарные частицы, называемые кварками, вместе, образуя сами нуклоны (протоны и нейтроны). Эта более мощная сила, одна из фундаментальных сил природы, передается частицами, называемыми глюонами . Глюоны удерживают кварки вместе посредством цветового заряда , который аналогичен электрическому заряду, но гораздо сильнее. Кварки, глюоны и их динамика в основном заключены внутри нуклонов, но остаточные влияния выходят немного за пределы границ нуклонов, приводя к возникновению ядерного взаимодействия.

Ядерные силы, возникающие между нуклонами, аналогичны силам в химии между нейтральными атомами или молекулами, называемым дисперсионными силами Лондона . Такие силы между атомами гораздо слабее, чем электрические силы притяжения, удерживающие сами атомы вместе (т. е. связывающие электроны с ядром), а их расстояние между атомами короче, поскольку они возникают из-за малого разделения зарядов внутри нейтрального атома. Точно так же, хотя нуклоны состоят из кварков в комбинациях, которые нейтрализуют большинство глюонных сил (они «нейтральны по цвету»), некоторые комбинации кварков и глюонов, тем не менее, утекают из нуклонов в форме ядерных силовых полей ближнего действия, которые простираются от одного нуклона к другому ближайшему нуклону. Эти ядерные силы очень слабы по сравнению с прямыми глюонными силами («силами цвета» или сильными силами ) внутри нуклонов, а ядерные силы распространяются только на несколько ядерных диаметров, экспоненциально падая с расстоянием. Тем не менее, они достаточно сильны, чтобы связывать нейтроны и протоны на коротких расстояниях и преодолевать электрическое отталкивание между протонами в ядре.

Иногда ядерное взаимодействие называют остаточной сильной силой , в отличие от сильных взаимодействий , возникающих в результате КХД. Эта формулировка возникла в 1970-х годах, когда создавалось КХД. До этого сильное ядерное взаимодействие относилось к межнуклонному потенциалу. После проверки модели кварковой сильное взаимодействие стало означать КХД.

Нуклон

Двухнуклонные системы, такие как дейтрон , ядро ​​атома дейтерия, а также протон-протонное или нейтрон-протонное рассеяние идеально подходят для изучения NN- силы. Такие системы можно описать, приписывая потенциал (например, потенциал Юкавы нуклонам ) и используя потенциалы в уравнении Шрёдингера . Форма потенциала выводится феноменологически (путем измерения), хотя для дальнодействия теории мезонного обмена помогают построить потенциал. Параметры потенциала определяются путем подгонки к экспериментальным данным , таким как энергия связи дейтрона или NN упругого рассеяния сечения (или, что то же самое в этом контексте, так называемые NN фазовые сдвиги ).

Наиболее широко используемые NN- потенциалы — парижский потенциал , аргоннский потенциал AV18 , потенциал CD -Бонна и потенциалы Неймегена .

Более поздний подход заключается в разработке эффективных теорий поля для последовательного описания нуклон-нуклонных и трехнуклонных сил. Квантовая адродинамика — это эффективная полевая теория ядерных сил, сравнимая с КХД для цветовых взаимодействий и КЭД для электромагнитных взаимодействий. Кроме того, нарушение киральной симметрии можно анализировать с точки зрения эффективной теории поля (называемой киральной теорией возмущений ), которая позволяет проводить пертурбативные расчеты взаимодействий между нуклонами с пионами как обменными частицами.

От нуклонов к ядрам

Конечной целью ядерной физики было бы описание всех ядерных взаимодействий на основе базовых взаимодействий между нуклонами. Это называется микроскопическим или ab initio подходом ядерной физики. Необходимо преодолеть два основных препятствия:

• Расчеты в системах многих тел сложны (из-за многочастичных взаимодействий) и требуют передовых вычислительных методов.
• Есть свидетельства того, что трехнуклонные силы (и, возможно, более высокие многочастичные взаимодействия) играют значительную роль. Это означает, что в модель необходимо включить трехнуклонные потенциалы.

Это активная область исследований, в которой постоянно совершенствуются вычислительные методы, ведущие к улучшению расчетов структуры ядерной оболочки из первых принципов . Двух- и трехнуклонные потенциалы реализованы для нуклидов до А = 12.

потенциалы

Успешный способ описания ядерных взаимодействий — построить один потенциал для всего ядра вместо рассмотрения всех его нуклонных компонентов. Это называется макроскопическим подходом. Например, рассеяние нейтронов на ядрах можно описать, рассматривая плоскую волну в потенциале ядра, состоящую из вещественной и мнимой частей. Эту модель часто называют оптической, поскольку она напоминает случай света, рассеянного непрозрачной стеклянной сферой.

Ядерные потенциалы могут быть локальными или глобальными : локальные потенциалы ограничены узким диапазоном энергий и/или узким диапазоном ядерных масс, в то время как глобальные потенциалы, которые имеют больше параметров и обычно менее точны, являются функциями энергии и ядерной массы и поэтому может использоваться в более широком диапазоне приложений.

См. также

• Физический портал
• Энергия ядерной связи

Библиография

• Джеральд Эдвард Браун и А.Д. Джексон (1976). Нуклон-нуклонное взаимодействие . Амстердамское издательство Северной Голландии. ISBN   0-7204-0335-9 .
• Р. Махлейдт и И. Слаус, «Нуклон-нуклонное взаимодействие». Архивировано 7 мая 2021 г. в Wayback Machine , J. Phys. G 27 (май 2001 г.) R69. дои : 10.1088/0954-3899/27/5/201 . (Тематический обзор.)
• Е. А. Нерсесов (1990). Основы атомной и ядерной физики . Москва: Издательство «Мир». ISBN   5-06-001249-2 .
• Навратил, Петр; Орманд, В. Эрих (2003). «Модель Ab initio оболочки с настоящей трехнуклонной силой для ядер p-оболочки». Физический обзор C . 68 (3): 034305. arXiv : nucl-th/0305090 . Бибкод : 2003PhRvC..68c4305N . дои : 10.1103/PhysRevC.68.034305 . S2CID   119091461 .

Дальнейшее чтение

• Рупрехт Махлейдт , «Ядерные силы» , Scholarpedia , 9(1):30710. doi : 10.4249/scholarpedia.30710 .