Was wissen wir über die Wechselwirkungen zwischen den Protonen und Neutronen in einem Atomkern?

Protonen und Neutronen werden gemeinsam als Nukleonen bezeichnet. Nukleonen interagieren über die starke Kernkraft, und diese Wechselwirkung kann nicht durch eine einfache Gleichung ausgedrückt werden. Der Grund ist, dass Nukleonen keine Elementarteilchen sind. Sie sind eigentlich Cluster von Quarks.

Kurze Reichweite

Die Niedrigenergiestruktur von Kernen ist erstaunlich unempfindlich gegenüber den Details der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung, die Sie als Annäherung an die tatsächlich zugrunde liegende Quark-Quark-Wechselwirkung auswählen. Das ist sowohl gut als auch schlecht. Das ist gut, weil Sie nicht viel über die fiesen Details verstehen müssen, um die Eigenschaften von Kernen herauszufinden, zB warum Kerne die Größe und Form haben, die sie haben. Es ist schlecht, weil es bedeutet, dass Sie nie viel über die Wechselwirkung schließen können, indem Sie einfach die Eigenschaften von Kernen beobachten. Als Beispiel dafür, wie unempfindlich die Kernstruktur gegenüber den Details der starken Kernkraft ist, haben Cluster von Natriumatomen magische Zahlen , die mit den ersten paar magischen Zahlen übereinstimmenfür Kerne; Dies liegt daran, dass diese magischen Zahlen nur von der kurzreichweitigen Natur der Wechselwirkung abhängen.

Andere Effekte, die aufgrund der kurzen Reichweite der Wechselwirkung verstanden werden können, sind:

• Kerne verhalten sich so, als hätten sie eine Oberflächenspannung (so dass sie einer Verformung widerstehen).

• Kerne sind am stabilsten, wenn sie eine gerade Anzahl von Neutronen und eine gerade Anzahl von Protonen haben (weil sich die Neutronen und Protonen dann in zeitumgekehrten Umlaufbahnen paaren können, die ihre räumliche Überlappung maximieren).

• Nukleonen in einer offenen Schale neigen dazu, sich zu koppeln, um den minimalen Gesamtdrehimpuls zu bilden (das Gegenteil der Hundschen Regeln für Elektronen).

Eine verbleibende Wechselwirkung

Die Kurzreichweite der Kernwechselwirkung ist sehr überraschend, da angenommen wird, dass die Quark-Quark-Kraft ungefähr unabhängig von der Entfernung ist. Was hier passiert, ist, dass Nukleonen farbneutral sind, genau wie ein Wasserstoffatom ladungsneutral ist. So wie Wasserstoffatome "nicht" interagieren "sollten", "sollten" auch Nukleonen nicht interagieren. Die Kräfte zwischen Nukleonen heben sich nahezu auf, und ebenso heben sich die elektrischen Kräfte zwischen zwei neutralen Wasserstoffatomen nahezu auf. Die nicht verschwindende Wechselwirkung kommt von Effekten wie der Polarisation eines Teilchens durch das andere. Aus diesem Grund wird die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung als Restwechselwirkung bezeichnet.

Abgesehen von der Kopplungskonstante und der Reichweite, welche anderen Merkmale der nuklearen Wechselwirkung sind wichtig für das Verständnis der niederenergetischen Kernstruktur?

Spin-Umlaufbahn

Es gibt eine Spin-Bahn-Wechselwirkung, die viel stärker ist als die, die von der speziellen Relativitätstheorie allein erwartet wird, und in die entgegengesetzte Richtung geht.

Symmetrie zwischen Neutronen und Protonen

Die Kernwechselwirkung bleibt unverändert, wenn wir Neutronen in Protonen und Protonen in Neutronen umwandeln. Aus diesem Grund weisen leichte Kerne nahezu identische Eigenschaften auf, wenn man N und Z vertauscht. Schwere Kerne haben diese Symmetrie nicht, die durch die elektrische Wechselwirkung gebrochen wird.

Keine qualitativen Merkmale aus Kerngrößen ableitbar

Wir erhalten keine eindeutigen, qualitativen Informationen über die Wechselwirkung, basierend auf den beobachteten Kerngrößen. Eine extrem breite Klasse von Wechselwirkungen zwischen Punktteilchen führt zu n-Körper-Systemen mit gebundenen Zuständen und endlicher Dichte. Die endliche Dichte (dh das Fehlen eines totalen Zusammenbruchs bis zu einem Punkt) ist im Wesentlichen ein generisches Ergebnis der Heisenbergschen Unschärferelation. Nur für bestimmte spezielle Arten von Potentialen, die explodieren$-\infty$auf kurze Distanzen kann man dies umgehen (Lieb 1976).

Eine Vielzahl von Modellen

Da die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung eine Restwechselwirkung ist und Nukleonen eher zusammengesetzt als punktförmig sind, ist die gesamte Vorstellung einer Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung eine Annäherung, und man kann sie auf verschiedene Weise modellieren und gleichzeitig eine Übereinstimmung mit den Daten herstellen . Insbesondere haben einige Modelle einen harten, abstoßenden Kern, andere nicht (Chamel 2010, Stone 2006) und beide Typen können die beobachteten Kerngrößen reproduzieren. Dies widerlegt das weit verbreitete Missverständnis, dass ein solch harter Kern benötigt wird, um die Größe von Kernen zu erklären.

Verweise

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

Lieb, Rev Mod Phys 48 (1976) 553, verfügbar unter http://www.pas.rochester.edu/~rajeev/phy246/lieb.pdf

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