Nukleon-til-nukleon-kraft

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Denne artikkelen er om kraften som på engelsk ofte kalles the residual strong force. Dette er ikke det samme som den sterke kjernekraften eller den svake kjernekraften.

Språk: Denne artikkelen trenger språkvask og korrektur for å oppnå en høyere språklig standard.

Nukleon-til-nukleon-kraften (eller den residuelle kjernekraften) virker mellom to eller flere nukleoner i atomkjernen. Den binder protoner og nøytroner slik at de kan danne en stabil kjerne. Langt på vei kan kraften mellom nukleonene forstås som utveksling av lette mesoner, slik som pionet.

Skille mellom den residuelle kjernekraften og den sterke kjernekraften ble innført på 70-tallet i forbindelse med utviklingen av kvante-kromodynamikk (QCD). Før den tid ble kraftpotensialet mellom to nukleoner omtalt som den sterke kjernekraften, men med innføringen av kvarker og gluoner ble den sterke kjernekrafen assosiert med fargeegenskapen til kvarkene. Siden nukleonene er ``fargeløse´´ skal det per definisjon ikke være noen sterk kjernekraft mellom nukleoner. Likevel antas det den residuelle kjernekraften å ha sitt opphav i den sterke kjernekraften.

Videre i denne artikkelen vil vi omtale nukleon-nukleon-kraften som kjernekraften der det ikke er rom for misforståelser.

[rediger] Historie

Kraften som binder nukleonene sammen har vært sentral innen kjernefysikken siden feltet oppsto i 1932 med James Chadwicks oppdagelse av nøytronet. Tradisjonelt har målet for kjernefysikken vært å forstå egenskapene til atomkjernen utifra kreftene mellom nukleonene.

I 1935, gjorde Hideki Yukawa de første forsøkene på å forklare egenskapene til kraften som binder atomkjernen. I følge ham skiulle massive bosoner (som er en type mesoner) formidle kraften mellom nukleonene. På grunn av framveksten av kvante-kromodynamikk blir ikke meson modellen betraktet som fundamental, men den blir fortsatt ansett som det beste utgansunktet for kvantitative nukleon-nukleon potensialer.

Det viste seg å bli en formidabel oppgave å beskrive kjernekraften, selv med enkle fenomenologiske modeller, og det tok et kvart århundre før man kom fram til de første semi-empiriske kvantitative modellene på 1950-tallet. Siden da har det blitt gjort store framskritt både eksperimentelt og teoretisk. De fleste grunnleggende spørsmålene ble utforsket og løst i 1960- og 1970-tallet. I de senere år har kjernefysikerne fokusert på mer raffinerte detaljer slik som ladningsavhengighet, den nøyaktige verdien av koblingskonstanten, forbedret phase shift analysis, høyere presisjon på parametre, spredningsforsøk ved et vidt spekter av energier og forsøk på å utlede den residuelle kjernekraften fra QCD.

[rediger] Grunnleggende egenskaper for den residuelle kjernekraften

• Kjernekraften påvirker kun hadroner.
• For to nukleoner med en avstand typisk i atomkjernen (1.3 fm) er det en veldig sterk tiltrekkende kraft på 104 newton.
• For veldig små avstander er kraften sterkt frastøtende. Dette sammen med punktet ovenfor holder nukleonene på en viss gjennomsnittlig avstand fra hverandre.
• Utenfor 1.3 fm vil kraften avta eksponensielt til null.
• For korte distanser er kjernekraften sterkere enn Coulomb kraften. Dermed kan kjernekraften overvinne coloumbfrastøtningen mellom to protoner, og kjerner som Helium-3 er mulige. Coulomb-kraften har lengre rekkevidde, og for avstander større enn 2.5 fm er coloumb kraften langt sterkere. da kan kjernekraften neglisjeres.
• Den residuelle kjernekraften er nesten uavhengig av om nukleonene er nøytroner eller protoner. Denne egenskapen kalles ladningsuavhengighet.
• Kraften avhenger av om spinnet til nukleonene er parallelt eller antiparallelt
• Det finnes også en betydelig ikke-sentral kraftbidrag. Denne delen av kjernekraften har slike egenskaper at bane-angulært moment ikke er bevart. For en ren sentralkraft er banespinnet alltid bevart.

[rediger] Nukleon-nukleon-potensialer

Systemer med to nukleoner slik som deuteronet og spredningsforsøk men nøytron-nøytron eller nøytron-proton er idelle for å studere den residuelle kjernekraften. Slike systemer kan beskrives ved å ta utgangspunkt i et potensial (for eksempel Yukawa potensialet) og løse den tilhørende schrödinger likningen. Formen på potnesialet er som regel utledet fenomenologisk. For reaksjoner som skjer på litt større avstander kan teorier basert på utveksling av mesoner brukes til å konstruere potensialet. Parametrene i potensialet må tilpasses slik at man reproduserer eksperimentelle data, slik som bindingsenergi eller spredningstverrsnitt/faseskift.

De mest brukte nukleon-nukleon potensialene er Paris potensialet, Argonne AV18 potensialet, CD-Bonn potensialet og Nijmegen potensialet.

[rediger] Fra nukleoner til atomkjerner

Det overordnede målet innen kjernefysikk er å beskrive egenskapene til atomkjernen ved help av de grunnleggende kreftene mellom nukleonene. Dette kalles for en mikroskopisk eller ab initio framgansmåte. Det finnes to betydelige utfordringer:

• Beregninger i flerlegeme systemer er kompliserte og betinger kraftige datamaskiner.
• I systemer med mer enn to nukleoner vil det være nødvendig å ta i betraktning krefter som påvirker partikler tre og tre (tre-legeme krefter).

Dette er utfordinger som setter sterke begrensninger for hva som er mulig med dagens teknikker. Med moderne superdatamaskiner er det mulig å gjøre skall modell-beregniner som inkluderer to- og tre-legeme krefter for kjerner med nukleontall opp til A=12.

[rediger] Potensialer for hele atomkjernen -- nucleære potensial

En måte å beskrive krefter i atomkjernen er å bruke et potensial for hele kjernen, i stedet for eksplisitt å ta høyde for hver enkelt av komponentene i kjernen. Dette kalles gjerne en makroskopisk framgansmåte. Eksempelvis kan spredning av nøytroner på atomkjerner beskrives som en planbølge som påvirkes av potensialet til kjernen. Når potensialet brukes på denne måten er det ikke uvanlig at det har en reell og en imaginær del. Dette kalles gjærne for en optisk modell fordi det minner om hvordan lys blir spredt av en glasskule.

[rediger] Kilder

• Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, The Nucleon-Nucleon Interaction, (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9
• R. Machleidt and I. Slaus, "The nucleon-nucleon interaction", J. Phys. G 27 (2001) R69 (topical review).
• Kenneth S. Krane, "Introductory Nuclear Physics", (1988) Wiley & Sons.
• P. Navrátil and W.E. Ormand, "Ab initio shell model with a genuine three-nucleon force for the p-shell nuclei", Phys. Rev. C 68, 034305 (2003).