Wie ändert sich die Natur der Kernkraft je nach Entfernung zwischen anziehend oder abstoßend?

Die Frage geht davon aus, dass die Kernkraft auf große Entfernungen eine Anziehungskraft und auf kurze Entfernungen einen abstoßenden Kern hat . Die Realität ist komplizierter, und es gibt tatsächlich keinen eindeutigen Weg, um zu entscheiden, ob diese Annahme wirklich richtig ist.

Die starke Kraft zwischen zwei Quarks wird oft mit einem Potential modelliert$V\propto r^n$, Wo$n\ge 1$, damit die Wechselwirkung mit der Entfernung nicht schwächer wird. Dieses Merkmal dieser Modelle reproduziert die Tatsache, dass einzelne Quarks niemals frei beobachtet werden.

Ein Nukleon ist ein zusammengesetztes Objekt aus drei Quarks. Das Nukleon ist farbneutral, also erwarten wir in erster Ordnung, dass ein Nukleon überhaupt nicht mit einem anderen Nukleon wechselwirken sollte. Dies ist tatsächlich ungefähr das, was wir sehen, da die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung bei großen Entfernungen exponentiell abfällt. Aber die Auslöschung ist nicht exakt, und bei kleinen Abständen bekommen wir eine Wechselwirkung. Dies wird als Restwechselwirkung bezeichnet und ist genau analog zur Restwechselwirkung zwischen zwei elektrisch neutralen Atomen, der Van-der-Waals-Kraft, die oft durch ein Lennard-Jones-Potential modelliert wird.

Wir haben keinen brauchbaren Weg, um aus einer postulierten Quark-Quark-Wechselwirkung auf die korrekte Restwechselwirkung zwischen Nukleonen zu schließen. Also machen wir stattdessen Modelle. Einige dieser Modelle haben einen abstoßenden Kern, andere nicht. Insbesondere ist es nicht notwendig, einen abstoßenden Kern zu haben, um die Größe von Kernen oder die Tatsache zu erklären, dass sie nicht kollabieren; ihre Größen werden grundsätzlich durch die Heisenbergsche Unschärferelation festgelegt. Beispielsweise lassen sich mit Wechselwirkungen wie der Skyrme-Wechselwirkung, die keinen solchen harten Kern haben, recht gute globale Beschreibungen der Größen und Bindungsenergien von Kernen erzielen. [Chamel 2010, Stone 2006] Es gibt auch erfolgreiche Modelle, die einen haben ein harter Kern.

Wenn Sie ein Modell mit einem harten Kern verwenden möchten, möchten Sie vielleicht eine physikalische Interpretation dafür haben, und eine natürliche Interpretation ist, dass es sich um eine Austauschkraft handelt, die sich auf die Statistik der Fermionen bezieht. Zum Vergleich ist dies die übliche physikalische Interpretation für den abstoßenden Term im Lennard-Jones-Potential.

Chamel und Pearson, 2010, „The Skyrme-Hartree-Fock-Bogoliubov method: its application to finite nuclei and neutron-star crusts“, http://arxiv.org/abs/1001.5377

Stone und Reinhard, 2006, „Die Skyrme-Wechselwirkung in endlichen Kernen und Kernmaterie“, http://arxiv.org/abs/nucl-th/0607002

Im Gegensatz zu Ihren bisherigen Kommentaren und Antworten verhindert das Ausschlussprinzip nicht , dass zwei Teilchen denselben Raumbereich einnehmen. Betrachten Sie zum Beispiel die Elektronen in der$s$Orbitale eines Atoms. Diese kugelsymmetrischen Verteilungen haben eine von Null verschiedene Überlappung mit dem Kern. Für ein Atom, das schwerer als Radium ist, alle sieben$s$Orbitale sind gefüllt, jedes mit zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin. Alle vierzehn dieser Elektronen verbringen einen Teil ihrer Zeit im Kern und haben tatsächlich auch eine ziemlich große Überlappung in den Regionen außerhalb des Kerns. Nur wenn Sie die gesamten Elektronenwellenfunktionen betrachten, erhalten Sie die magische Aufhebung in der Überlappung. Das Ausschlussprinzip erlaubt Partikeln vollständig, sich im Raum zu überlappen, solange sie dies in orthogonalen Zuständen tun .

Was im Nukleon-Nukleon-Potential passiert, ist eigentlich relativ einfach. Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung wird durch Yukawa-Potentiale bestimmt,

Es gibt ein Theorem (von dem ich Erwähnungen und technische Erklärungen , aber kein Zitat gefunden habe ), dass bei einer durch Bosonen vermittelten Kraft eine Korrelation zwischen dem Spin des Kraftträgers und dem Vorzeichen der Kraft zwischen gleichen Ladungen besteht. Ist der Spin des Kraftträgers gleichmäßig, ziehen sich gleiche Ladungen an. Dies ist der Fall für die Schwerkraft (Massen werden von anderen Massen angezogen), vermittelt durch einen hypothetischen Spin-2$\hbar$Graviton und für den langreichweitigen Teil der Kernkraft, vermittelt durch das spinlose Pion. Wenn der Spin des Kraftträgers ungerade ist, wie im Fall des Spin-$\hbar$Photon, erhalten Sie gleiche Ladungen, die sich abstoßen, und entgegengesetzte Ladungen, die sich anziehen. Das Pion ist ein Skalarteilchen (eigentlich ein Pseudoskalar, obwohl das hier nicht wichtig ist), und daher ist der pionische Teil der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung attraktiv. Jedoch die$\rho$Und$\omega$sind beide Unit-Spin-Teilchen.

Das Kernpotential ist bei bescheidenen Entfernungen attraktiv, da die Pion-Wechselwirkung ein attraktives Potential ergibt. Es wird abstoßend, weil schwerere Mesonen dazu neigen, einen Einheitsspin zu haben und eine abstoßende Kraft zwischen Nukleonen tragen.

Als diese Frage wieder auftauchte, dachte ich, ich würde eine vereinfachte Version als Einführung hinzufügen.

Kernphysikalische Studien begannen, als man erkannte, dass die Kerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Dies wurde in der Tabelle der Elemente, dem Periodensystem , organisiert , das die Anzahl der Protonen, dh positive Ladungen als Z und die Gesamtmasse als A in atomaren Masseneinheiten zählte. A, fast immer größer als Z, gab die Anzahl der Neutronen an, da die Massen von Protonen und Neutronen sehr nahe beieinander liegen. Es war bekannt, dass es die Anzahl der Protonen war, die chemisch wechselwirkten und die Elemente unterschieden, so dass sie bekannt waren als: Wasserstoff ... Eisen ... Uran ... Die Chemie hängt von elektromagnetischen Wechselwirkungen ab.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass es für jedes Z in der Chemie ähnliche Elemente gibt, Isotope genannt , die ein unterschiedliches A haben, was zu einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen für die gleiche Art von Element, Eisen, Gold, xxx, führt.

Es war bekannt, dass sich gleiche Ladungen abstoßen. Kerne mit mehr als einem Proton haben eine Abstoßung zwischen sich. Um die Stabilität von Kernen zu erklären, wurde eine andere Kraft postuliert, eine Kernkraft, die anziehend war und zwischen Protonen und Neutronen wirkte, ohne zwischen ihnen zu unterscheiden und als Nukleonen behandelt zu werden. Ein Gleichgewicht zwischen den abstoßenden Kräften vieler Protonen und dem anziehenden Prozess vieler Nukleonen wurde postuliert, um die Stabilität der Materie zu erklären. Es ist also nicht eine Kraft, sondern ein Gleichgewicht zwischen Anziehungs- und Abstoßungskräften, und weitere Studien zeigten, dass auch Quantenzahlen eine wichtige Rolle spielen. Die Kernkraft ist im Kern immer anziehend, die elektromagnetische immer abstoßend. Die Entfernung kommt ins Spiel, weil je näher geladene Nukleonen sich nähern, desto größer die Abstoßung, desto stärker die Anziehung,

Hier ist das weitere Studium vereinfacht:

Bevor wir etwas über Quarks und die Tatsache lernten, dass es drei Quarks pro Proton oder Neutron gibt, wurden Kernkräfte beschreibend durch Potentiale modelliert, die die Beobachtungen erfüllten und angemessene Energieniveaus ergaben, die mit den Beobachtungen übereinstimmten, wie das Schalenmodell :

1) dass die Kernkraft anziehend war, solange die elektromagnetische Abstoßung von denselben Protonenladungen gering genug war, und dieses Gleichgewicht zwischen den beiden Kräften erzeugte die Elementtabelle

2) Protonen galten damals als Elementarteilchen und Neutronen wurden entsprechend nach einer SU(2)-Symmetrie ( Isotopenspin ) modelliert

Als Fermionen, Protonen und Neutronen konnten sie in den Lösungen für das Potential nicht die gleichen Quantenzahlen besetzen und das resultierte als effektive Abstoßung aufgrund des oben kommentierten Pauli-Ausschlussprinzips , nicht der starken Kraft.

Die Modelle erklären recht erfolgreich das Periodensystem der Elemente und das Strahlungs- und Zerfallsverhalten von Atomkernen.

Wir wissen jetzt, dass es die Quarks sind, die elementar sind und dass das Proton und das Neutron gemäß der starken SU(3)-Symmetrie aus jeweils drei Quarks zusammengesetzt sind, und dass die Kraft, die die Quarks in die Nukleonen einbindet, sehr stark ist und davon abhängt eine sogenannte "Farbladung" und ein vermittelndes Boson, das Gluon. Nukleonen sind farbneutral und werden durch die Kernkraft , die eine überschwappende Restkraft der starken farbigen Kräfte innerhalb des Protons und des Neutrons ist, voneinander angezogen .