Grundlegende Fragen zur starken Kraft

Ich habe einen wahrscheinlich bitteren Irrtum über die starke Kraft, den ich gerne aufklären möchte.

Hier ist meine (wahrscheinlich fehlerhafte) Argumentation.

  • Die starken Kräfte halten Protonen und Neutronen aus nächster Nähe zusammen und überwinden die Abstoßung zwischen Protonen.

  • Die starken Kräfte können nicht erkennen oder auswählen, welche Anzahl von Konfigurationen von Protonen und Neutronen sie zusammenhalten sollen.

  • Daher würde die starke Kraft eine beliebige Anzahl von Protonen und Neutronen zusammenhalten, wenn sie nahe genug gebracht würden.

Aber das klingt nicht richtig, da nicht alle "möglichen Kerne" Kerne tatsächlicher Elemente sind, und wenn die Fusion stattfindet, sind die Produkte sehr spezifische Kerne anstelle eines viel vielfältigeren Salats.

Was also sagt der starken Kraft „wann“, um Dinge zusammenzuhalten?

Worauf Sie sich beziehen, ist die "Kernkraft", nicht die starke Kraft. Die Kernkraft wird nicht als fundamentale Wechselwirkung angesehen, sie ist eine Restwechselwirkung der eigentlichen starken Kraft, die zwischen Quarks wirkt. Ähnlich wie sich die Van-der-Waals-Kraft auf die EM-Wechselwirkung bezieht. Während die starke Kraft durch Gluonen vermittelt wird, wird die Kernkraft durch Mesonen vermittelt, die ihrerseits ein Quark und ein Antiquark enthalten.
@Uldreth vergib mir, wenn das lächerlich ist, aber der Wiki-Eintrag besagt, dass die starke Kraft auf zwei Skalen wirkt, von denen die größere das Kleben von Protonen und Neutronen beinhaltet. Jedenfalls ändert das, was Sie sagen, nichts an meiner Frage. Warum bleiben einige Konfigurationen von Protonen und Neutronen zusammen, während andere dies nicht tun?
physical.stackexchange.com/q/267909 .Dieser Link könnte hilfreich sein. Die starke Kraft kann nicht unbegrenzt Protonen und Neutronen zusammenhalten, sonst hätten wir Elemente jenseits von Uran mit 92 Protonen, und das haben wir nicht.
@count_to_10 das erklärt nicht, warum nicht alle möglichen kleineren Konfigurationen von Protonen und Neutronen Kerne einiger Atome sind.
Die auf nuklearer Ebene wirkende Restkraft wird manchmal als "Kernkraft", "starke Kernkraft", "effektive starke Kraft" und natürlich "starke Restkraft" bezeichnet. Es scheint auch keine wirkliche Standardisierung zwischen den Autoren zu geben.

Antworten (2)

Der Grund, warum in der Natur nicht beliebige Kerne (z. B. mit nur Protonen) existieren können, ist die Tatsache, dass sie eine sehr niedrige Bindungsenergie haben werden, verglichen mit einem Kern, der die gleiche Anzahl von Nukleonen hat, aber mit mehr stabiles Protonen/Neutronen-Verhältnis.

Ein einfaches Modell, das es uns ermöglicht, ziemlich genaue Schätzungen der Bindungsenergien zu erhalten, ist das Liquid Drop-Modell. Basierend auf diesem Modell wird die Bindungsenergie durch die Semi-empirische Massenformel angegeben: https://en.wikipedia.org/wiki/Semi-empirical_mass_formula

Die starke Kraft unterscheidet zwar nicht zwischen Protonen und Neutronen. Wir wissen jedoch, dass die Natur einige Kombinationen von Protonen und Neutronen besser bevorzugt als andere. Beispielsweise ist ein Kern mit einer Nukleonenzahl von 40 (Calcium) am stabilsten, wenn er 20 Protonen und 20 Neutronen hat.

Eine andere Möglichkeit wären 30 Protonen und 10 Neutronen, aber 30 Protonen würden dazu führen, dass die Kerne aufgrund der erhöhten elektrostatischen Abstoßung instabiler wären.

Was ist mit 10 Protonen und 30 Neutronen? Dies hätte eine geringere elektrostatische Abstoßung. Aber jetzt wird der Asymmetrieterm in der halbempirischen Massenformel dazu führen, dass die Kerne weniger stabil sind. Dies liegt daran, dass Protonen und Neutronen unabhängig voneinander Energie stapeln.

Die Grenze der starken Kraft, die die Dinge zusammenhält, ist durch die Kombination einer Reichweite und der Entartung der Kernmaterie gegeben.

Die starke Restkraft wird mathematisch gut durch ein Yukawa-Potential beschrieben

v ( R ) = − G 2 4 π C 2 e − M R R ,
wo die Masse M das darin erscheint, ist ungefähr die Pion-Masse und G eine effektive Kopplungskonstante ist. Diese Form bewirkt, dass die Stärke der Kraft oberhalb von ein paar Femptometern stark abklingt.

Gleichzeitig bilden die Nukleonen in einem großen Kern ein entartetes Gas und können ohne großen Energieanstieg nicht weiter komprimiert werden. Ihre Zustandsgleichung ist ziemlich steif. Infolgedessen vergrößert das Hinzufügen zusätzlicher Nukleonen zwangsläufig die Größe des Kerns. Dies ist nicht nur eine Vermutung, sondern wird durch die gemessenen Größen gestützt, die ungefähr der Kubikwurzel der Nukleonenzahl entsprechen

R Kern ∝ A 1 / 3 ,
impliziert eine konstante Dichte.

Der einzige Ort, an dem die Energie für eine weitere Verdichtung zu finden ist, sind sehr dichte astronomische Objekte.

Waleckas Buch hat in den ersten Kapiteln eine nette Behandlung dieses Zeugs.

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