Сильное взаимодействие - Strong interaction

«Цветовая сила» перенаправляется сюда. Для компании см. Color Force.
Ядро атома гелия. Два протоны имеют то же самое обвинять, но по-прежнему оставаться вместе из-за остаточной ядерной силы
Стандартная модель из физика элементарных частиц
Стандартная модель элементарных частиц.svg

В ядерная физика и физика элементарных частиц, то сильное взаимодействие механизм, ответственный за сильная ядерная сила, и является одним из четырех известных фундаментальные взаимодействия, а остальные электромагнетизм, то слабое взаимодействие, и гравитация. В диапазоне 10−15 м (1фемтометр ) сильное взаимодействие примерно в 137 раз сильнее электромагнетизма, в миллион раз сильнее, чем слабое взаимодействие, и 1038 раз сильнее гравитации.[1] Сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе самую обычную материю, потому что ограничивает кварки в адрон частицы, такие как протон и нейтрон. Кроме того, сильная сила связывает эти нейтроны и протоны с образованием атомных ядер. Большинство из масса общего протон или же нейтрон это результат энергия сильного силового поля; отдельные кварки обеспечивают только около 1% массы протона.

Сильное взаимодействие наблюдается на двух диапазонах и обеспечивается двумя носителями силы. В более крупном масштабе (примерно от 1 до 3FM ), это сила (переносимая мезоны ) что связывает протоны и нейтроны (нуклоны) вместе, чтобы сформировать ядро из атом. В меньшем масштабе (менее 0,8 фм, радиус нуклона) это сила (переносимая глюоны ) который имеет кварки вместе, чтобы сформировать протоны, нейтроны и другие адрон частицы.[2] В последнем контексте его часто называют цветовая сила. Сильное взаимодействие по своей сути обладает такой высокой силой, что адроны, связанные с помощью сильного взаимодействия, могут производить новые массивные частицы. Таким образом, если адроны поражаются частицами высоких энергий, они порождают новые адроны вместо того, чтобы испускать свободно движущееся излучение (глюоны ). Это свойство сильной силы называется ограничение цвета, и это предотвращает свободное "излучение" сильного взаимодействия: вместо этого на практике струи массивных частиц.

В контексте атомных ядер та же самая сильная сила взаимодействия (которая связывает кварки внутри нуклон ) также связывает протоны и нейтроны вместе, чтобы сформировать ядро. В этом качестве он называется ядерная сила (или же остаточная сильная сила). Таким образом, остаток от сильного взаимодействия протонов и нейтронов также связывает ядра вместе.[3] Таким образом, остаточное сильное взаимодействие подчиняется зависимому от расстояния поведению между нуклонами, которое сильно отличается от того, когда оно действует для связывания кварков внутри нуклонов. Кроме того, существуют различия в энергии связи ядерной силы термоядерная реакция против ядерное деление. На ядерный синтез приходится большая часть производства энергии в солнце и другие звезды. Ядерное деление допускает распад радиоактивных элементов и изотопы, хотя это часто опосредуется слабое взаимодействие. Искусственно энергия, связанная с ядерной силой, частично высвобождается в атомная энергия и ядерное оружие, оба в уран или же плутоний -основное оружие деления и термоядерное оружие, такое как водородная бомба.[4][5]

Сильное взаимодействие опосредуется обменом безмассовыми частицами, называемыми глюоны которые действуют между кварками, антикварки, и другие глюоны. Считается, что глюоны взаимодействуют с кварками и другими глюонами посредством типа заряда, называемого цветной заряд. Цветной заряд аналогичен электромагнитному заряду, но он бывает трех типов (± красный, ± зеленый, ± синий), а не один, что приводит к другому типу силы с другими правилами поведения. Эти правила подробно описаны в теории квантовая хромодинамика (КХД), которая представляет собой теорию кварк-глюонных взаимодействий.

История

До 1970-х годов физики не знали, как атомные ядра связаны друг с другом. Было известно, что ядро ​​состоит из протоны и нейтроны и что протоны обладают положительным электрический заряд, а нейтроны были электрически нейтральными. Согласно пониманию физики того времени, положительные заряды будут отталкиваться друг от друга, а положительно заряженные протоны должны заставить ядро ​​разлететься. Однако этого никогда не наблюдалось. Для объяснения этого явления требовалась новая физика.

Постулировалась более сильная сила притяжения, чтобы объяснить, как атомное ядро ​​было связано, несмотря на взаимное влияние протонов. электромагнитное отталкивание. Эта предполагаемая сила была названа сильная сила, который считался фундаментальной силой, действующей на протоны и нейтроны, составляющие ядро.

Позже было обнаружено, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, а состоят из составляющих частиц, называемых кварки. Сильное притяжение между нуклонами было побочным эффектом более фундаментальной силы, которая связала кварки в протоны и нейтроны. Теория квантовая хромодинамика объясняет, что кварки несут то, что называется цветной заряд, хотя к видимому цвету отношения не имеет.[6] Кварки с разным цветным зарядом притягиваются друг к другу в результате сильное взаимодействие, и частица, которая опосредовала это, была названа глюон.

Поведение сильной силы

Фундаментальный муфты сильного взаимодействия слева направо: глюонное излучение, глюонное расщепление и глюонное самосвязь.

Слово сильный используется, поскольку сильное взаимодействие является «самым сильным» из четырех фундаментальных сил. На расстоянии 1фемтометр (1 FM = 10−15 метров) или меньше, его сила примерно в 137 раз больше, чем у электромагнитная сила, около 106 раз больше, чем у слабая сила, и около 1038 раз, что из гравитация.

Сильная сила описывается квантовая хромодинамика (QCD), часть стандартная модель физики элементарных частиц. Математически КХД представляет собой неабелева калибровочная теория на основе местного (манометрического) группа симметрии называется SU (3).

Частицей-носителем силы сильного взаимодействия является глюон, безмассовый бозон. в отличие от фотон в электромагнетизме, который является нейтральным, глюон несет цветной заряд. Кварки и глюоны - единственные фундаментальные частицы, которые несут ненулевой цветной заряд, и, следовательно, они участвуют в сильных взаимодействиях только друг с другом. Сильное взаимодействие является выражением взаимодействия глюона с другими кварковыми и глюонными частицами.

Все кварки и глюоны в КХД взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. Сила взаимодействия параметризуется сильным константа связи. Эта сила изменяется калибровочным цветным зарядом частицы, a теоретическая группа свойство.

Между кварками действует сильное взаимодействие. В отличие от всех других сил (электромагнитной, слабой и гравитационной), сильная сила не уменьшается по мере увеличения расстояния между парами кварков. После предельного расстояния (размером с адрон ) был достигнут, его численность составляет около 10 000 человек.ньютоны (Н), независимо от того, насколько дальше расстояние между кварками.[7] По мере того, как расстояние между кварками увеличивается, энергия, добавленная к паре, создает новые пары совпадающих кварков между двумя исходными; следовательно, невозможно создать отдельные кварки. Объяснение состоит в том, что количество работы, проделанной против силы в 10 000 ньютонов, достаточно для создания пар частица-античастица на очень коротком расстоянии от этого взаимодействия. Сама энергия, добавленная к системе, необходимая для разрыва двух кварков, создаст пару новых кварков, которые сойдутся в пары с исходными. В КХД это явление называется ограничение цвета; в результате можно наблюдать только адроны, а не отдельные свободные кварки. Провал всех экспериментов, которые искали свободные кварки считается свидетельством этого явления.

Элементарные кварковые и глюонные частицы, участвующие в столкновении высоких энергий, не наблюдаются напрямую. Взаимодействие создает наблюдаемые струи вновь созданных адронов. Эти адроны создаются как проявление эквивалентности массы и энергии, когда в кварк-кварковую связь вкладывается достаточная энергия, например, когда кварк одного протона сталкивается с очень быстрым кварком другого протона во время ускоритель частиц эксперимент. Тем не мение, кварк-глюонная плазма наблюдались.[8]

Остаточная сильная сила

Основная статья: Ядерная сила

Это не тот случай, когда каждый кварк во Вселенной притягивает каждый другой кварк указанным выше способом, не зависящим от расстояния. Конфайнмент цвета подразумевает, что сильная сила действует без уменьшения расстояния только между парами кварков, а также в коллекциях связанных кварков (адроны ) чистый цветной заряд кварков существенно отменяет, что приводит к пределу действия сил. Коллекции кварков (адронов) поэтому появляются почти без цветного заряда, и поэтому между этими адронами почти отсутствует сильное взаимодействие. Однако отмена не совсем идеальна, и остаточная сила (описанная ниже) остается. Эта остаточная сила делает быстро убывают с расстоянием и, таким образом, очень малодействующие (фактически несколько фемтометров). Он проявляется как сила между «бесцветными» адронами, и иногда ее называют сильная ядерная сила или просто ядерная сила.

Анимация ядерная сила (или остаточная сильная сила) взаимодействие между протоном и нейтроном. Маленькие цветные двойные кружки - это глюоны, которые можно увидеть, связывая протон и нейтрон вместе. Эти глюоны также содержат комбинацию кварк / антикварк, называемую пион вместе и, таким образом, помогают передавать остаточную часть сильного взаимодействия даже между бесцветными адронами. Антиколоры показаны согласно эта диаграмма. Для более крупной версии кликните сюда

Ядерная сила действует между адроны, известный как мезоны и барионы. Эта «остаточная сильная сила», действуя косвенно, передает глюоны, которые составляют часть виртуального π и ρ  мезоны, которые, в свою очередь, передают силу между нуклонами, удерживающими ядро ​​(за пределы протий ) вместе.

Таким образом, остаточное сильное взаимодействие является незначительным остатком сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе в протоны и нейтроны. Эта же сила намного слабее между нейтронов и протонов, потому что он в основном нейтрализован в их, так же, как электромагнитные силы между нейтральными атомами (силы Ван дер Ваальса ) намного слабее, чем электромагнитные силы, которые удерживают электроны вместе с ядром, образуя атомы.[9]

В отличие от самой сильной силы, остаточная сильная сила, делает уменьшается в силе, и фактически она быстро убывает с расстоянием. Уменьшение примерно как отрицательная экспоненциальная степень расстояния, хотя для этого нет простого выражения; видеть Потенциал Юкавы. Быстрое уменьшение остаточной силы притяжения с расстоянием и менее быстрое уменьшение отталкивающей электромагнитной силы, действующей между протонами внутри ядра, вызывает нестабильность более крупных атомных ядер, таких как все ядра с атомные номера больше 82 (элемент вести ).

Хотя ядерное взаимодействие слабее, чем само сильное взаимодействие, оно все же обладает высокой энергией: переходы производят гамма излучение. Масса ядра существенно отличается от суммарных масс отдельных нуклонов. Этот массовый дефект происходит из-за потенциальной энергии, связанной с ядерной силой. Различия в мощности массовых дефектов термоядерная реакция и ядерное деление.

Объединение

Так называемой Теории Великого Объединения (GUT) стремятся описать сильное взаимодействие и электрослабое взаимодействие как аспекты единой силы, аналогично тому, как электромагнитное и электрослабое взаимодействие слабые взаимодействия были объединены Модель Глэшоу – Вайнберга – Салама в электрослабое взаимодействие.. Сильное взаимодействие имеет свойство, называемое асимптотическая свобода, в котором сила сильного взаимодействия уменьшается при более высоких энергиях (или температурах). Теоретическая энергия, при которой его сила становится равной электрослабому взаимодействию, является энергия великого объединения. Однако теория Великого Объединения еще не сформулирована, чтобы описать этот процесс, и Великое Объединение остается нерешенная проблема в физике.

Если GUT правильный, после Большой взрыв и во время электрослабая эпоха Вселенной, электрослабая сила отделился от сильной силы. Соответственно, эпоха великого объединения предполагается, что существовала до этого.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Относительная сила взаимодействия зависит от расстояния. См., Например, эссе Мэтта Страсслера: «Сила известных сил».
  2. ^ Четыре силы: сильное взаимодействие веб-сайт кафедры астрофизики Университета Дьюка
  3. ^ Четыре силы: сильное взаимодействие веб-сайт кафедры астрофизики Университета Дьюка
  4. ^ по энергии связывания: см. Связующая энергия, дефект массы, Образовательный сайт по физике пушистых слонов, ретр 2012-07-01
  5. ^ по энергии связывания: см. Глава 4 Ядерные процессы, сильная сила, М. Рагхеб 27.01.2012, Иллинойсский университет
  6. ^ Фейнман, Р. (1985). QED: странная теория света и материи. Издательство Принстонского университета. п. 136. ISBN  978-0-691-08388-9. Идиоты-физики, которые больше не могут придумать никаких чудесных греческих слов, называют этот тип поляризации неудачным названием «цвет», которое не имеет ничего общего с цветом в обычном смысле.
  7. ^ Fritzsch, op. цитировать, стр. 164. Автор утверждает, что сила между кварками разного цвета остается постоянной на любом расстоянии после того, как они проходят лишь крошечное расстояние друг от друга, и равна силе, необходимой для подъема одной тонны, что составляет 1000 кг × 9,8 м / с² = ~ 10000 Н.
  8. ^ «Кварк-глюонная плазма - самое изначальное состояние вещества». About.com Образование. Архивировано из оригинал на 2017-01-18. Получено 2017-01-16.
  9. ^ Фрич, Х. (1983). Кварки: вещество материи. Основные книги. стр.167–168. ISBN  978-0-465-06781-7.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка