Silná interakce

Silné interakce (i velká síla , gluonová síla , barva síla ) je jedním ze čtyř základních sil fyziky . Vysvětluje to vazbu mezi kvarky v hadronech . Jejich výměnnými částicemi jsou gluony .

Před zavedením modelu quark, jen přitažlivá síla mezi nukleony v v atomovém jádru byl odkazoval se na jak silné interakce . H. Protony a neutrony . I dnes se silná interakce často vztahuje pouze na tuto zbytkovou interakci , která se z historických důvodů také nazývá jaderná síla nebo silná jaderná síla .

Feynmanovy diagramy pro základní vazebné možnosti silné interakce, a) emise gluonu, b) štěpení gluonu c), d) „samopropojení“ gluonů.

Vazba mezi kvarky

Interakce uvnitř neutronu (příklad). Gluony jsou zobrazeny jako body s barevným nábojem ve středu a anti- barvou na okraji.

Podle kvantové chromodynamiky (dále jen QCD) je silná interakce - podobně jako elektromagnetická a slabá - popsána výměnou měřicích bosonů . Výměnné částice silné interakce jsou známé jako gluony , kterých je osm typů (různé stavy barevného náboje ). Gluony přenášejí barevný náboj mezi kvarky. Gluon může interagovat s jinými gluony a vyměňovat si barevné náboje.

Potenciál mezi dvěma kvarky jako funkce jejich vzdálenosti. Kromě toho jsou označeny střední poloměry různých kvark-antikvarkových států.

Přitažlivost mezi kvarky zůstává konstantní i se zvyšující se vzdáleností, na rozdíl od z. B. v případě Coulombovy síly , ve které je snazší a snazší oddělit dvě atraktivní částice, jak se vzdálenost zvětšuje. Je to zhruba srovnatelné s gumovou šňůrou nebo tažnou pružinou . Pokud je vzdálenost příliš velká, lano se v této analogii „zlomí“ a mezon se vytvoří generováním dvojice kvark-antikvark z vakua. Pokud je vzdálenost malá, lze kvarky považovat za volné částice ( asymptotická volnost ). S větší vzdáleností narůstající energie interakce způsobuje, že kvarky ztrácejí charakter nezávislých částic, a proto je nelze pozorovat jako volné částice ( vězení ).

Vazba mezi nukleony

Ačkoli nukleony mají vždy barevný náboj nula, existuje mezi nimi zbytková interakce nebo jaderná síla (vzdáleně srovnatelná s Van der Waalsovými silami , které lze považovat za zbytkové elektromagnetické interakce mezi elektricky neutrálními atomy a / nebo molekulami ).

Rozsah přitažlivosti prostřednictvím zbytkové interakce je kolem 2,5  femtometrů (fm). S touto hodnotou vzdálenosti je stejně silná jako elektrické odpuzování ( Coulombova síla ) mezi protony a na kratších vzdálenostech je silnější než Coulombova síla. Nad touto vzdáleností naopak přitažlivost klesá rychleji než Coulombova síla, která úměrně klesá. Tato souhra dvou základních sil vysvětluje soudržnost a velikost atomových jader. B. také štěpení těžkých jader . ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle 1 / r ^ {2}}$

Jaderná síla působí odpudivě na velmi krátké vzdálenosti, což odpovídá tvrdému jádru 0,4 až 0,5 fm. Je také spin-závislé: je silnější pro paralelní otočení než pro antiparalelní, takže deuteron (skládající se z neutronu a protonu) je vázán pouze pro paralelní otočení (celkem spin 1), a diproton a dineutron (s antiparalelně otáčení v důsledku na principu Pauli ) nejsou vázány. Kromě centrální složky potenciálu a složky interakce spin-spin má také tenzorovou složku a složku spin-orbit.

Před zavedením modelu kvarku byla zbytková interakce a její krátký dosah vysvětlen účinnou teorií : interakce Yukawa mezi nukleony a piony ( model výměny pionů ). Krátký dosah je vysvětlen nenulovou hmotností pionů, což vede k exponenciálnímu útlumu potenciálu Yukawa na větší vzdálenosti. Výměna dalších mezonů byla navíc zohledněna v modelech nukleon-nukleonového potenciálu (jako je rho mezon ). Protože dosud nebylo možné vypočítat jadernou sílu pomocí QCD, jsou v popisu rozptylu nukleon-nukleon použity různé fenomenologicky přizpůsobené potenciály založené na modelech mezonové výměny (jako je Bonnův potenciál).

Vysvětlení zbytkové interakce

Feynmanův diagram silné interakce proton - neutron zprostředkovaný neutrálním pionem . Časová osa běží zleva doprava.

Stejný diagram, který je znázorněn u kvarků jednotlivých složek, ukazuje, jak základní silná interakce vytváří „jadernou sílu“. Přímky jsou kvarky, různobarevné smyčky jsou gluony (nosiče základní síly ). Jiné gluony, které drží proton, neutron a pion pohromadě (v „letu“), nejsou zobrazeny.

Animace interakce, dvě malé barevné tečky jsou gluony. V tomto diagramu lze vidět anti-barvy . ( větší verze )

Odpudivý potenciál mezi atomy na malé vzdálenosti je důsledkem Pauliho principu pro stavy elektronů . Když se dva nukleony se šesti kvarky přiblíží k sobě, má každý kvark podstatně více stupňů volnosti v nejnižším stavu (orbitální moment hybnosti l = 0): kromě spinu (2 stavy) existuje také barevný náboj (3 stavy) a isospin (2 stavy), tj. Celkem 12 na šest kvarků lze rozdělit podle Pauliho principu. Pauliho princip není přímo zodpovědný za odpor, který je patrný pod 0,8 fm. Důvod spočívá spíše v silné spin-spin interakci kvarků, což je evidentní ve skutečnosti, že delta rezonance (s paralelními rotacemi tří kvarků) má hmotu asi o třetinu vyšší než proton. Pokud jsou otáčení kvarků navzájem rovnoběžná, zvyšuje se potenciální energie systému. To platí také pro překrývající se nukleony a tím více, čím blíže je vzdálenost mezi nukleony. Pokud se kvarky pokusí minimalizovat svou chromomagnetickou energii obrácením rotace , lze toho dosáhnout pouze přechodem do energeticky vyššího stavu orbitální hybnosti (l = 1).

S ještě větší vzdáleností od sebe vstupují nukleony do atraktivní části silné interakce. Výměna tvaroh-tvaroh (dva kvarky jsou přiřazeny k oběma zúčastněnými nukleonů současně), která se očekává, že analogicky k kovalentní vazby , hraje menší roli zde než kvark-antikvark párů barevně neutrální (mesons) od moře kvarků části funkce nukleonových vln v QCD.

Úplný popis jaderné síly z kvantové chromodynamiky zatím není možný.

Klasifikace silné interakce

literatura

• Manfred Boehm , Ansgar Denner , Hans Joos : měřicí teorie silných a elektroslabých interakcí , Teubner-Verlag, Stuttgart 2001, ISBN 978-3-519-23045-8 (německy: Becher Böhm-Joos, měřicí teorie silných a elektroslabých) Interaction ) - standardní práce pro teorii
• Bogdan Povh , Klaus Rith , Christoph Scholz, Frank Zetsche Particles and Cores , 8. vydání, Springer Verlag 2009
• Wolfgang Wild síly jádra a struktura jádra , část 1,2, Physikalische Blätter 1977, str. 298, 356, část 1 , část 2

webové odkazy

• Marc Gänsler: Silná interakce . In: Introduction: The 4 Fundamental Forces of Physics , accessed 30. ledna 2009.
• Gluony a silná síla . DESYs Kwork Quark, "Částicová fyzika pro každého"

Individuální důkazy

1. ↑ Funkce celkové vlny je antisymetrická, a proto, protože barevná složka je vždy antisymetrická (celkový barevný náboj nula) se symetrickou funkcí prostorových vln (orbitální moment hybnosti 0), musí být také složka spin-isospin symetrická
2. ↑ Diskuse podle Povha, Ritha, Schulzeho, Zetsche Particles a Kerna , str. 250f, podle Amanda Fäßlera