Beweis dafür, dass Kerne Neutronen und Protonen enthalten (anders als Nukleonen, die erscheinen, wenn ein Kern zertrümmert wird)?

Dies mag wie eine dumme Frage erscheinen, aber ich glaube, dass sie sehr grundlegend ist, weil das Standardmodell der Teilchenphysik auf dem Axiom oder der Annahme zu beruhen scheint, dass Neutronen und Protonen „wie sie sind“ innerhalb von Atomkernen existieren.

Warum sonst würde das Standardmodell eine starke Kernkraft benötigen, um alles zusammenzuhalten?

Sicherlich muss es mehr Beweise dafür geben als die Tatsache, dass Neutronen und Protonen erscheinen, wenn ein Kern zertrümmert wird?

BEARBEITEN: Es ist lange her, seit ich diese Frage gestellt habe, und wenn ich sie mir jetzt ansehe (5. Dezember 2017), scheint es, als hätte ich keinen wichtigen Grund für das Stellen dieser Frage erwähnt. Jedenfalls möchte ich die Frage jetzt noch ergänzen:

Nehmen Sie zum Beispiel den Helium-Kern, von dem postuliert wird, dass er aus vier separaten Baryonen besteht, die mit der starken Kraft im Standardmodell zusammengehalten werden müssen. Ich würde erwarten, dass in diesem Fall die Gesamtmasse eines Heliumkerns mindestens die der 4 einzelnen Baryonen zusammengenommen wäre, und dann würde ich erwarten, dass ich aufgrund der Bindungsenergie der starken Kraft mehr Masse hinzufügen muss.

Stattdessen ist die Masse des Heliumkerns geringer als die der vier einzelnen Baryonen zusammen. Ist das nicht ein Beweis dafür, dass der Heliumkern nicht aus vier separaten Baryonen bestehen kann?

Und wenn das der Fall ist, was ist der Beweis dafür, dass diese, was ich „reduzierte“ Baryonen nennen würde, immer noch eine starke Kraft benötigen, um zusammengehalten zu werden? Ich meine, diese Baryonen haben beim Verschmelzen zu einem Heliumkern etwas Masse verloren, was bedeutet, dass sie sich irgendwie verändert haben. Dann frage ich mich, was wäre, wenn diese Änderung auch die Abstoßungskräfte zwischen ihnen in beispielsweise Anziehungskräfte umwandelt, während alle anderen partikelspezifischen Eigenschaften erhalten bleiben? Wäre das nicht eine elegantere Erklärung als eine starke Kernkraft?

Ich meine, es würde nichts an den freigesetzten Energieniveaus ändern, wenn zwei Protonen und zwei Neutronen miteinander verschmolzen würden. Das Einzige, was sich ändert, ist das Modell. Ein Modell, das mit den Daten genauso kompatibel erscheint wie das Modell mit starker Kernkraft.

Alle auftretenden Fusionen und Spaltungen sind nur erklärbar, wenn Atome aus Protonen und Neutronen bestehen, und Sie können tatsächlich Kerne haben, die Neutronen "einfangen", um ein schwereres Isotop zu bilden.
Wahrscheinlich sollten Korrekturen an Atomspektren mit der Anwesenheit von Neutronen und Protonen einhergehen. Es gibt Messungen der Wirkung des Protonenformfaktors auf den Alphastrahl des Wasserstoffs, wobei sie den Ladungsradius des Protons abschätzen.
@DroneScientist Sie haben Recht, diese Aussage ist überhaupt nicht wahr - eigentlich sind Neutronen und Protonen Folgen des Standardmodells, keine Axiome davon - aber das Wesentliche der Frage ist immer noch gültig.
Nun, einige Eigenschaften der Nukleonen sind im Kern ganz anders, wie zum Beispiel die Stabilität des Neutrons. Ich weiß nicht genug Kernphysik, um die Frage endgültig zu beantworten, obwohl ich auch nicht weiß, nach welcher Art von Antwort der Fragesteller sucht.
Um @SirElderberry zu wiederholen Die Formfaktoren gebundener Nukleonen unterscheiden sich von denen ihrer freien Gegenstücke. Für die Verwendung in Monte Carlos gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Parametrisierungen davon. Eine frühe, die immer noch viel Verwendung findet, ist die von de Forrest.
Neutronen sind jedoch nur in bestimmten Konfigurationen des Kerns stabil, sie selbst sind instabil mit einer mittleren Lebensdauer von etwa 15 Minuten, wo sie zerfallen
@Drone Scientist: Meine Argumentation war: Die starke Kernkraft erklärt theoretisch, warum die Nukleonen zusammengehalten werden. Und man muss nur zusammenhalten, was tatsächlich da ist. Die (verborgene?) Annahme scheint also zu sein, dass Nukleonen innerhalb eines Kerns existieren. Da sich die Lösung, eine starke Kraft zu theoretisieren, um die Probleme zu lösen, die man bekommt, wenn man versucht, diese Nukleonen zusammenzuhalten, für mich unangenehm und ungeschickt anfühlt, war ich neugierig was die Erklärung ist, warum dies "sicher" ist.
@ Drone Scientist Das ist nicht die ganze Geschichte. Die starke Kraft wird auch benötigt, um der Abstoßungskraft zwischen Protonen entgegenzuwirken. Jedenfalls: Für mich stellt sich die Frage „Nachweis, dass Nukleonen Quarks enthalten?“ entspricht meiner Frage oben.
RE: Ihre Zusatzfrage - die Masse eines Heliumkerns ist kleiner als die Summe der Massen von zwei Neutronen und zwei Protonen wegen der Addition der (negativen) Bindungsenergie, die sie zusammenhält. Jeder gebundene Zustand, ob elektromagnetisch, gravitativ oder nuklear, weist diese Eigenschaft auf.
Negative Bindungsenergie. Interessant. Das wäre in der Tat die einzig mögliche Konsequenz. Ich weiß, dass ich nicht das Recht habe, über diese Dinge zu sprechen, weil ich auf diesem Gebiet Laie bin, aber das kommt mir sehr künstlich vor. Wäre ein naheliegenderes Modell nicht die Annahme, dass die Baryonen etwas Masse verlieren und dass dieser Massenverlust einige Baryoneneigenschaften ändert, die es ihnen ermöglichen, ohne Kraft auf natürliche Weise zusammenzuhalten? Eine Analogie, die mir in den Sinn kommt, ist, wie Seifenblasen in einer effizienteren Konfiguration mit weniger Gesamtfläche zusammenkleben als getrennt?

Antworten (2)

Der Nachweis, dass es unterschiedliche Protonen und Neutronen in Kernen gibt, beginnt mit dem Pauli- Term (Paarungsterm) in der semiempirischen Massenformel des Flüssigkeitstropfenmodells.

Außerdem haben alle Kerne mit gerader Anzahl von Protonen und Neutronen einen Kernspin von Null. Dies stimmt damit überein, dass Schalen mit Spin-up- und Spin-down-Paaren von Nukleonen gefüllt sind, wobei jedes Paar zu einem Netto-Null-Spin führt.

Allgemeiner gesagt, dass experimentelle Daten mit dem Nuclear Shell Model übereinstimmen, ist ein Beweis dafür, dass unterschiedliche Protonen und Neutronen im Kern existieren.

Außerdem werden die Protonen und Neutronen durch den Austausch von Pionen zusammengehalten. Der Austausch kann dazu führen, dass das Proton zu einem Neutron und ein Neutron zu einem Proton wird, es ist also nicht so, dass sie vollständig "wie sie sind" existieren.

Siehe Eine Neubewertung des Mechanismus des Pion-Austauschs und seine Implikationen für den Unterricht der Teilchenphysik für eine weitere Diskussion des Pion-Austauschs.

Kurze Antwort: Wir können ihre Energie- und Impulsverteilungsfunktionen im Kern messen .

Wir tun dies, indem wir einzeln mit ihnen interagieren, indem wir sie entweder aus einem ansonsten ungestörten Kern schlagen (quasi-elastische Streuung) oder indem wir sie zu höheren Energiezuständen innerhalb des Kerns anregen (viele inelastische Streureaktionen, die durch Daten aus verschiedenen Erfassungen und Produktionen gestützt werden). Reaktionen).

Quasi-elastische Streuung

Der Weg der quasi-elastischen Streuung ist eine Reaktion, die ich gut kenne, weil ich meine Dissertationsarbeit über Farbtransparenz mit ihr gemacht habe A ( e , e ' P ) als Sonde. Ein gut charakterisierter Elektronenstrahl wird von einem festen nuklearen Target gestreut und die Produkte mit zwei Spektrometern gemessen, die so positioniert und abgestimmt sind, dass sie das gestreute Elektron und Proton in elastischer Kinematik erkennen (d. h. als ob das Target gewesen wäre 1 H eher als ein Kern) innerhalb des Fermi-Impulses. Schwierig an der Messung ist lediglich, wie klein der Wirkungsquerschnitt als Quadrat der Impulsübertragung wird Q 2 wächst.

Die Messung gibt uns ein Bild von der Energie- und Impulsverteilung der Protonen im Inneren des Kerns , und zwar für kleine A diese Ergebnisse stimmen ziemlich gut mit Ergebnissen von Mean-Field-Berechnungen überein (die mit dem abstrakten Schalenmodell für die Kernstruktur übereinstimmen). Für größere A sie bleiben qualitativ konsistent, aber die Genauigkeit der Übereinstimmung sinkt etwas.

Ich möchte betonen, dass, obwohl die Reaktion hier eine Knock-out-Reaktion ist, wir die Energie und den Impuls messen, die das ausgeschaltete Nukleon im Kern hatte .

Erregung

Durch Messen der Energien der von angeregten Kernen freigesetzten Gammastrahlen und der Impulsübertragung auf Teilchen, die zu ihrer Anregung verwendet werden, erhalten wir eine weitere Sonde der inneren Struktur der Kerne, und diese Sonde ist ebenfalls konsistent mit dem Schalenmodell. Ein Datensatz, über den ich hier etwas gelesen habe, betrifft die Energieniveaus von 17 Ö , die in situ untersucht werden können , durch verschiedene inelastische Stöße und durch die Erzeugung von kurzlebigen, hoch angeregten Zuständen in der Reaktion 13 C ( a , N ) 16 Ö .

Hier messen wir den Energieunterschied zwischen verschiedenen Zuständen, die von einzelnen Nukleonen besetzt sind. Wieder die Energie, die das Nukleon im Kern hatte.

Es sieht so aus, als würden Sie demonstrieren, dass Sie eine Sammlung von Annahmen treffen können, einschließlich der Annahme, dass ein Nukleon, das Sie aus dem Kern herausschlagen, zuvor seine unabhängige Existenz im Kern hatte, und Sie erhalten experimentelle Ergebnisse, die diesen Annahmen nicht widersprechen. Haben Sie stattdessen bewiesen, dass keine anderen Annahmen mit Ihren Ergebnissen vereinbar sind?
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