Ядерная сила (или взаимодействие нуклонов с нуклонами , остаточная сильная сила или, исторически, сильная ядерная сила ) — это сила, которая действует между адронами , чаще всего наблюдаемая между протонами и нейтронами атомов . Нейтроны и протоны, оба нуклона, подвергаются воздействию ядерной силы почти одинаково. Поскольку протоны имеют заряд +1 e , они испытывают электрическую силу , которая стремится оттолкнуть их друг от друга, но на близком расстоянии притягивающая ядерная сила достаточно сильна, чтобы преодолеть электростатическую силу. Ядерная сила связывает нуклоны в атомные ядра .
Ядерная сила сильно притягивает нуклоны на расстоянии около 0,8 фемтометра (фм, или0,8 × 10 −15 м ), но она быстро уменьшается до несущественности на расстояниях свыше примерно 2,5 фм. На расстояниях менее 0,7 фм ядерная сила становится отталкивающей. Это отталкивание отвечает за размер ядер, поскольку нуклоны не могут приблизиться ближе, чем позволяет сила. (Размер атома, размером порядка ангстремов (Å, или(10 −10 м ), на пять порядков больше.) Однако ядерная сила не проста, поскольку она зависит от спинов нуклонов, имеет тензорную составляющую и может зависеть от относительного импульса нуклонов. [2]
Ядерная сила играет важную роль в хранении энергии, которая используется в ядерной энергетике и ядерном оружии . Работа (энергия) требуется для соединения заряженных протонов против их электрического отталкивания. Эта энергия сохраняется, когда протоны и нейтроны связываются вместе ядерной силой, образуя ядро. Масса ядра меньше, чем сумма индивидуальных масс протонов и нейтронов. Разница в массах известна как дефект массы , который может быть выражен как энергетический эквивалент. Энергия высвобождается, когда тяжелое ядро распадается на два или более легких ядра. Эта энергия является межнуклонной потенциальной энергией, которая высвобождается, когда ядерная сила больше не удерживает заряженные ядерные фрагменты вместе. [3] [4]
Количественное описание ядерной силы опирается на уравнения, которые частично являются эмпирическими . Эти уравнения моделируют потенциальные энергии межнуклонных частиц или потенциалы. (Обычно силы внутри системы частиц можно проще моделировать, описывая потенциальную энергию системы; отрицательный градиент потенциала равен векторной силе.) Константы для уравнений являются феноменологическими, то есть определяются путем подгонки уравнений к экспериментальным данным. Межнуклонные потенциалы пытаются описать свойства взаимодействия нуклонов. После определения любой заданный потенциал может быть использован, например, в уравнении Шредингера для определения квантово-механических свойств системы нуклонов.
Открытие нейтрона в 1932 году показало, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе силой притяжения. К 1935 году было принято считать, что ядерная сила передается частицами, называемыми мезонами . Эта теоретическая разработка включала описание потенциала Юкавы , раннего примера ядерного потенциала. Пионы , соответствующие предсказанию, были экспериментально открыты в 1947 году. К 1970-м годам была разработана кварковая модель , в которой мезоны и нуклоны рассматривались как состоящие из кварков и глюонов. Согласно этой новой модели, ядерная сила, возникающая в результате обмена мезонами между соседними нуклонами, является многочастичным взаимодействием, коллективным эффектом сильной силы на основную структуру нуклонов.
В то время как ядерная сила обычно ассоциируется с нуклонами, в более общем смысле эта сила ощущается между адронами или частицами, состоящими из кварков . При малых 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 (таких как два нейтрона или два протона) это отталкивание возникает из-за силы исключения Паули . Отталкивание Паули также происходит между кварками одного и того же аромата из разных нуклонов (протона и нейтрона).
На расстояниях больше 0,7 фм сила становится притягивающей между выровненными по спину нуклонами, достигая максимума на расстоянии центр-центр около 0,9 фм. За пределами этого расстояния сила падает экспоненциально, пока за пределами разделения около 2,0 фм сила не становится незначительной. Радиус нуклонов составляет около 0,8 фм. [5]
На коротких расстояниях (менее 1,7 фм или около того) притягивающая ядерная сила сильнее отталкивающей кулоновской силы между протонами; таким образом, она преодолевает отталкивание протонов внутри ядра. Однако кулоновская сила между протонами имеет гораздо больший диапазон, поскольку она изменяется обратно пропорционально квадрату разделения зарядов, и кулоновское отталкивание, таким образом, становится единственной значимой силой между протонами, когда их разделение превышает примерно2-2,5 фм .
Ядерная сила имеет компонент, зависящий от спина. Сила сильнее для частиц с выровненными спинами, чем для тех, у которых спины антивыровнены. Если две частицы одинаковы, например, два нейтрона или два протона, силы недостаточно, чтобы связать частицы, поскольку векторы спина двух частиц одного типа должны указывать в противоположных направлениях, когда частицы находятся рядом друг с другом и находятся (за исключением спина) в одном и том же квантовом состоянии. Это требование для фермионов вытекает из принципа исключения Паули . Для фермионных частиц разных типов, таких как протон и нейтрон, частицы могут находиться близко друг к другу и иметь выровненные спины, не нарушая принципа исключения Паули, и ядерная сила может связать их (в данном случае в дейтрон ) , поскольку ядерная сила намного сильнее для частиц с выровненными спинами. Но если спины частиц антивыровнены, ядерная сила слишком слаба, чтобы связать их, даже если они разных типов.
Ядерная сила также имеет тензорную составляющую, которая зависит от взаимодействия между спинами нуклонов и угловым моментом нуклонов, что приводит к деформации от простой сферической формы.
Чтобы разобрать ядро на несвязанные протоны и нейтроны, требуется работа против ядерной силы. И наоборот, энергия высвобождается, когда ядро создается из свободных нуклонов или других ядер: ядерная энергия связи . Из-за эквивалентности массы и энергии (т. е. формулы Эйнштейна E = mc2 ), высвобождение этой энергии приводит к тому, что масса ядра становится ниже общей массы отдельных нуклонов, что приводит к так называемому «дефекту массы». [ 6 ]
Ядерная сила почти не зависит от того, являются ли нуклоны нейтронами или протонами. Это свойство называется независимостью от заряда . Сила зависит от того, параллельны или антипараллельны спины нуклонов, поскольку 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, за исключением их заряда. Это не совсем верно, поскольку нейтроны немного тяжелее, но это приблизительная симметрия. Поэтому протоны и нейтроны рассматриваются как одна и та же частица, но с разными квантовыми числами изоспина ; традиционно протон имеет изоспин вверх, а нейтрон — изоспин вниз . Сильное взаимодействие инвариантно относительно преобразований изоспина SU(2), так же как и другие взаимодействия между частицами инвариантны относительно преобразований SU(2) собственного спина . Другими словами, как изоспин, так и собственное спиновое преобразование изоморфны группе симметрии SU(2). Сильное притяжение существует только тогда, когда общий изоспин набора взаимодействующих частиц равен 0, что подтверждается экспериментом. [7]
Наше понимание ядерной силы получено с помощью экспериментов по рассеянию и энергии связи легких ядер.
Ядерная сила возникает в результате 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 отвечают за спин-зависимость ядерной силы в этой картине «виртуальных мезонов».
Ядерная сила отличается от того, что исторически было известно как слабая ядерная сила . Слабое взаимодействие является одним из четырех фундаментальных взаимодействий и играет роль в таких процессах, как бета-распад . Слабая сила не играет никакой роли во взаимодействии нуклонов, хотя она отвечает за распад нейтронов на протоны и наоборот.
Ядерная сила была в центре ядерной физики с тех пор, как эта область зародилась в 1932 году с открытием нейтрона Джеймсом Чедвиком . Традиционная цель ядерной физики — понять свойства атомных ядер с точки зрения «голого» взаимодействия между парами нуклонов или нуклон-нуклонных сил (NN-сил).
В течение нескольких месяцев после открытия нейтрона Вернер Гейзенберг [8] [9] [10] и Дмитрий Иваненко [11] предложили протон-нейтронные модели для ядра. [12] Гейзенберг подошел к описанию протонов и нейтронов в ядре через квантовую механику, подход, который в то время был совсем не очевиден. Теория Гейзенберга для протонов и нейтронов в ядре была «важным шагом к пониманию ядра как квантово-механической системы». [13] Гейзенберг представил первую теорию сил ядерного обмена, которые связывают нуклоны. Он считал протоны и нейтроны различными квантовыми состояниями одной и той же частицы, т. е. нуклонами, отличающимися значением их ядерных изоспиновых квантовых чисел.
Одной из самых ранних 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 похоже на жидкую каплю. Модель жидкой капли рассматривала ядро как каплю несжимаемой ядерной жидкости, а нуклоны вели себя как молекулы в жидкости. Модель была впервые предложена Георгом Гамовым , а затем развита Нильсом Бором , Вернером Гейзенбергом и Карлом Фридрихом фон Вайцзеккером . Эта грубая модель не объясняла все свойства ядра, но она объясняла сферическую форму большинства ядер. Модель также дала хорошие предсказания для энергии связи ядер.
В 1934 году Хидеки Юкава предпринял самую раннюю попытку объяснить природу ядерной силы. Согласно его теории, массивные бозоны ( мезоны ) опосредуют взаимодействие между двумя нуклонами. В свете квантовой хромодинамики (КХД) — и, как следствие, Стандартной модели — теория мезонов больше не воспринимается как фундаментальная. Но концепция обмена мезонами (где адроны рассматриваются как элементарные частицы ) продолжает представлять собой наилучшую рабочую модель для количественного потенциала NN . Потенциал Юкавы (также называемый экранированным кулоновским потенциалом ) — это потенциал вида
где g — константа масштабирования величины, т. е. амплитуда потенциала, — масса частицы Юкавы, r — радиальное расстояние до частицы. Потенциал монотонно увеличивается , что означает , что сила всегда притягивающая. Константы определяются эмпирически. Потенциал Юкавы зависит только от расстояния r между частицами, поэтому он моделирует центральную силу .
В течение 1930-х годов группа в Колумбийском университете под руководством И. И. Раби разрабатывала методы магнитного резонанса для определения магнитных моментов ядер. Эти измерения привели к открытию в 1939 году, что дейтрон также обладает электрическим квадрупольным моментом . [14] [15] Это электрическое свойство дейтрона мешало измерениям группы Раби. Дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, является одной из простейших ядерных систем. Открытие означало, что физическая форма дейтрона не была симметричной, что дало ценное представление о природе ядерной силы, связывающей нуклоны. В частности, результат показал, что ядерная сила не была центральной силой , а имела тензорный характер. [1] Ганс Бете определил открытие квадрупольного момента дейтрона как одно из важных событий в годы становления ядерной физики. [14]
Исторически задача описания ядерной силы феноменологически была трудной. Первые полуэмпирические количественные модели появились в середине 1950-х годов [1] , такие как потенциал Вудса-Саксона (1954). Существенный прогресс в эксперименте и теории, связанной с ядерной силой, наблюдался в 1960-х и 1970-х годах. Одной из влиятельных моделей был потенциал Рида (1968) [1]
где и где потенциал дан в единицах МэВ . В последние годы [ когда? ] экспериментаторы сосредоточились на тонкостях ядерной силы, таких как ее зависимость от заряда, точное значение константы связи π NN , улучшенный анализ сдвига фаз, высокоточные данные NN , высокоточные потенциалы NN , рассеяние NN при промежуточных и высоких энергиях и попытки вывести ядерную силу из КХД. [ необходима цитата ]
Ядерная сила является остаточным эффектом более фундаментальной сильной силы или сильного взаимодействия . Сильное взаимодействие является силой притяжения, которая связывает элементарные частицы, называемые кварками, вместе, чтобы сформировать сами нуклоны (протоны и нейтроны). Эта более мощная сила, одна из фундаментальных сил природы, опосредована частицами, называемыми глюонами . Глюоны удерживают кварки вместе посредством цветового заряда , который аналогичен электрическому заряду, но гораздо сильнее. Кварки, глюоны и их динамика в основном ограничены нуклонами, но остаточные влияния немного выходят за границы нуклонов, порождая ядерную силу.
Ядерные силы, возникающие между нуклонами, аналогичны силам в химии между нейтральными атомами или молекулами, называемыми силами Лондона . Такие силы между атомами намного слабее, чем притягивающие электрические силы, которые удерживают сами атомы вместе (т. е. которые связывают электроны с ядром), и их диапазон между атомами короче, потому что они возникают из-за небольшого разделения зарядов внутри нейтрального атома. [ необходимо дальнейшее объяснение ] Аналогично, хотя нуклоны состоят из кварков в комбинациях, которые отменяют большинство глюонных сил (они «цветно-нейтральны»), 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 близлежащему нуклону. Эти ядерные силы очень слабы по сравнению с прямыми глюонными силами («цветными силами» или сильными силами ) внутри нуклонов, и 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 ядерную силу называют остаточной сильной силой , в отличие от сильных взаимодействий , которые возникают из КХД. Эта формулировка возникла в 1970-х годах, когда создавалась КХД. До этого времени сильная ядерная сила относилась к межнуклонному потенциалу. После проверки кварковой модели сильное взаимодействие стало означать КХД.
Двухнуклонные системы, такие как дейтрон , ядро атома дейтерия, а также рассеяние протон-протон или нейтрон-протон идеально подходят для изучения силы NN . Такие системы можно описать, приписав потенциал (такой как потенциал Юкавы ) нуклонам и используя потенциалы в уравнении Шредингера . Форма потенциала выводится феноменологически (путем измерения), хотя для дальнодействующего взаимодействия теории обмена мезонами помогают построить потенциал. Параметры потенциала определяются путем подгонки под экспериментальные данные, такие как энергия связи дейтрона или сечения упругого рассеяния NN (или, что эквивалентно в этом контексте, так называемые фазовые сдвиги NN ).
Наиболее широко используемыми потенциалами NN являются парижский потенциал, аргоннский потенциал AV18 [16] , 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 ядерной силы, сравнимая с КХД для цветовых взаимодействий и КЭД для электромагнитных взаимодействий. Кроме того, нарушение киральной симметрии можно проанализировать в терминах эффективной теории поля (называемой киральной теорией возмущений ), которая позволяет проводить пертурбативные расчеты взаимодействий между нуклонами с пионами в качестве обменных частиц.
Конечной целью ядерной физики было бы описание всех ядерных взаимодействий из основных взаимодействий между нуклонами. Это называется микроскопическим или ab initio подходом ядерной физики. Необходимо преодолеть два основных препятствия:
Это активная область исследований с постоянными достижениями в вычислительных методах, ведущими к лучшим расчетам на основе первых принципов структуры ядерной оболочки . Двух- и трехнуклонные потенциалы были реализованы для нуклидов до A = 12.
Успешным способом описания ядерных взаимодействий является построение одного потенциала 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, которая состоит из действительной части и мнимой части. Эту модель часто называют оптической моделью, 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 масс ядра, в то время как глобальные потенциалы, которые имеют больше параметров и обычно менее точны, являются функциями энергии и массы ядра и поэтому могут использоваться в более широком диапазоне приложений.
