แรงนิวเคลียร์และการยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

แรงนิวเคลียร์ยึดเหนี่ยวโปรตอนและนิวตรอนเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียส และพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาจากการยึดเหนี่ยวนี้เป็นตัวกำหนดมวลและความเสถียรของนิวเคลียส

Definition

แรงนิวเคลียร์คืออันตรกิริยาแบบดึงดูดอย่างแรงในระยะสั้นระหว่างนิวคลีออนที่ยึดเหนี่ยวพวกมันเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียส และพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์คือพลังงานที่จำเป็นในการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนที่แยกจากกัน หรือเทียบเท่ากับมวลพร่อง (mass deficit) ของนิวเคลียส

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงแรงนิวเคลียร์แบบแรง (strong nuclear force) ที่มีระยะสั้นและไม่ขึ้นกับประจุ ซึ่งเอาชนะแรงผลักระหว่างโปรตอนเพื่อยึดเหนี่ยวนิวเคลียสเข้าด้วยกัน คุณสมบัติของการอิ่มตัว (saturation) ที่ทำให้พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน (binding energy per nucleon) มีค่าคงที่โดยประมาณ และเส้นโค้งพลังงานยึดเหนี่ยว (binding-energy curve) ที่มีจุดสูงสุดใกล้ธาตุเหล็ก นอกจากนี้ยังกล่าวถึงสูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์ (semi-empirical mass formula) ที่ใช้กำหนดพารามิเตอร์พลังงานยึดเหนี่ยว และแนวคิดการแลกเปลี่ยนมีซอน (meson-exchange picture) ของแรงนิวเคลียร์ในฐานะอันตรกิริยาแบบแรงที่เหลืออยู่ (residual strong interaction) ระหว่างนิวคลีออนที่เป็นกลางทางสี (color-neutral nucleons)

Core questions

• คุณสมบัติหลักของแรงที่ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเข้าด้วยกันมีอะไรบ้าง?
• ทำไมพลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจึงมีค่าสูงสุดใกล้ธาตุเหล็กและนิกเกิล?
• สูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์สามารถจำลองมวลนิวเคลียร์ได้อย่างไร?
• แรงนิวเคลียร์เกิดขึ้นได้อย่างไรจากอันตรกิริยาแบบแรงระหว่างควาร์กที่อยู่เบื้องหลัง?

Key concepts

• ระยะสั้นและการอิ่มตัวของแรงนิวเคลียร์
• ความเป็นอิสระของประจุ
• พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออน
• มวลพร่องและความสมมูลของมวล-พลังงาน
• สูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์
• การแลกเปลี่ยนมีซอนและแรงแบบแรงที่เหลืออยู่

Key theories

ทฤษฎีการแลกเปลี่ยนมีซอนของยูกาวะ

ยูกาวะเสนอว่าแรงนิวเคลียร์เกิดจากการแลกเปลี่ยนมีซอนที่มีมวลระหว่างนิวคลีออน โดยมวลของมีซอนเป็นตัวกำหนดระยะสั้นของอันตรกิริยา ซึ่งได้รับการยืนยันจากการค้นพบไพออน

สูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์

สูตรพลังงานยึดเหนี่ยวแบบหยดของเหลวของไวซ์แซกเกอร์รวมพจน์ปริมาตร พื้นผิว คูลอมบ์ อสมมาตร และการจับคู่ เพื่อจำลองมวลนิวเคลียร์ทั่วทั้งแผนภูมินิวไคลด์

Clinical relevance

เส้นโค้งพลังงานยึดเหนี่ยวอธิบายว่าทำไมพลังงานจึงถูกปลดปล่อยออกมาจากการรวมนิวเคลียสเบา (fusing light nuclei) และจากการแตกตัวของนิวเคลียสหนัก (fissioning heavy nuclei) ซึ่งเป็นพื้นฐานเชิงปริมาณสำหรับพลังงานนิวเคลียร์ อาวุธนิวเคลียร์ และการสร้างพลังงานของดาวฤกษ์

History

หลังจากการค้นพบนิวตรอนในปี ค.ศ. 1932 ซึ่งทำให้แนวคิดนิวเคลียสแบบโปรตอน-นิวตรอนเป็นไปได้ ยูกาวะได้เสนอในปี ค.ศ. 1935 ว่าอนุภาคแลกเปลี่ยนมวล (massive exchange particle) เป็นตัวกลางของแรงนิวเคลียร์ โดยทำนายมีซอนซึ่งต่อมาถูกระบุว่าเป็นไพออน ในปีเดียวกัน ไวซ์แซกเกอร์ได้กำหนดสูตรมวลกึ่งเชิงประจักษ์ และแนวคิดเหล่านี้ยังคงเป็นหัวใจสำคัญในการทำความเข้าใจการยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส ซึ่งปัจจุบันถูกมองว่าเป็นอันตรกิริยาแบบแรงที่เหลืออยู่ (residual strong interaction) ที่อธิบายได้ด้วยควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (quantum chromodynamics) ในที่สุด

Key figures

• Hideki Yukawa
• Carl Friedrich von Weizsacker
• Hans Bethe

Seminal works

• yukawa1935
• weizsacker1935

Frequently asked questions

ทำไมแรงนิวเคลียร์จึงมีระยะสั้นมาก?

ในแนวคิดของยูกาวะ แรงนี้ถูกส่งผ่านโดยมีซอนที่มีมวล เช่น ไพออน มวลของอนุภาคที่แลกเปลี่ยนจำกัดระยะทางที่มันสามารถเดินทางได้ ทำให้แรงนิวเคลียร์แบบแรงถูกจำกัดอยู่ในระยะไม่กี่เฟมโตเมตร

พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนบอกอะไรเราบ้าง?

มันวัดว่านิวคลีออนแต่ละตัวถูกยึดเหนี่ยวแน่นหนาเพียงใด เส้นโค้งมีค่าสูงสุดใกล้ธาตุเหล็ก ดังนั้นการรวมนิวเคลียสที่เบากว่าเหล็กหรือการแยกนิวเคลียสที่หนักกว่าเหล็กต่างก็ปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานของการหลอมรวมในดาวฤกษ์และการแตกตัวของนิวเคลียส