Liên kết hạt nhân và Lực hạt nhân

Lực hạt nhân liên kết các proton và neutron thành hạt nhân, và năng lượng giải phóng trong liên kết của chúng chi phối khối lượng và độ bền của hạt nhân.

Definition

Lực hạt nhân là tương tác hấp dẫn mạnh, tầm ngắn giữa các nucleon liên kết chúng thành hạt nhân, và năng lượng liên kết hạt nhân là năng lượng cần thiết để phân tách một hạt nhân thành các proton và neutron riêng biệt, tương đương với sự thiếu hụt khối lượng của hạt nhân.

Scope

Chủ đề này bao gồm lực hạt nhân mạnh tầm ngắn, không phụ thuộc điện tích, khắc phục lực đẩy proton để giữ các hạt nhân lại với nhau, tính chất bão hòa giúp năng lượng liên kết trên mỗi nucleon gần như không đổi, và đường cong năng lượng liên kết đạt đỉnh gần sắt. Nó đề cập đến công thức khối lượng bán thực nghiệm để tham số hóa năng lượng liên kết và hình ảnh trao đổi meson của lực hạt nhân như tương tác mạnh còn lại giữa các nucleon trung hòa màu.

Core questions

• Các tính chất chính của lực liên kết các nucleon là gì?
• Tại sao năng lượng liên kết trên mỗi nucleon đạt đỉnh gần sắt và niken?
• Công thức khối lượng bán thực nghiệm tái tạo khối lượng hạt nhân như thế nào?
• Lực hạt nhân phát sinh từ tương tác mạnh cơ bản giữa các quark như thế nào?

Key concepts

• Tầm ngắn và sự bão hòa của lực hạt nhân
• Tính độc lập điện tích
• Năng lượng liên kết trên mỗi nucleon
• Khuyết tật khối lượng và sự tương đương khối lượng-năng lượng
• Công thức khối lượng bán thực nghiệm
• Trao đổi meson và lực mạnh còn lại

Key theories

Lý thuyết trao đổi meson của Yukawa

Yukawa đề xuất rằng lực hạt nhân phát sinh từ sự trao đổi các meson khối lượng lớn giữa các nucleon, với khối lượng meson xác định tầm ngắn của tương tác, một dự đoán đã được chứng minh bằng việc phát hiện ra pion.

Công thức khối lượng bán thực nghiệm

Công thức năng lượng liên kết giọt lỏng của Weizsacker kết hợp các số hạng thể tích, bề mặt, Coulomb, bất đối xứng và ghép cặp để tái tạo khối lượng hạt nhân trên biểu đồ các hạt nhân.

Clinical relevance

Đường cong năng lượng liên kết giải thích tại sao năng lượng được giải phóng khi hợp nhất các hạt nhân nhẹ và phân hạch các hạt nhân nặng, cung cấp cơ sở định lượng cho năng lượng hạt nhân, vũ khí hạt nhân và sự tạo ra năng lượng sao.

History

Sau khi neutron được phát hiện vào năm 1932 đã tạo điều kiện cho hình ảnh proton-neutron của hạt nhân, Yukawa đã đề xuất vào năm 1935 rằng một hạt trao đổi khối lượng lớn làm trung gian cho lực hạt nhân, dự đoán meson sau này được xác định là pion. Cùng năm đó, Weizsacker đã xây dựng công thức khối lượng bán thực nghiệm, và những ý tưởng này vẫn là trung tâm để hiểu liên kết hạt nhân, hiện được xem là tương tác mạnh còn lại được mô tả cuối cùng bởi sắc động lực học lượng tử.

Key figures

• Hideki Yukawa
• Carl Friedrich von Weizsacker
• Hans Bethe

Seminal works

• yukawa1935
• weizsacker1935

Frequently asked questions

Tại sao lực hạt nhân lại có tầm ngắn như vậy?

Trong hình ảnh của Yukawa, lực được làm trung gian bởi các meson khối lượng lớn như pion. Khối lượng của hạt trao đổi giới hạn khoảng cách nó có thể di chuyển, giới hạn lực hạt nhân mạnh trong phạm vi vài femtomet.

Năng lượng liên kết trên mỗi nucleon cho chúng ta biết điều gì?

Nó đo lường mức độ chặt chẽ của mỗi nucleon. Đường cong đạt đỉnh gần sắt, vì vậy việc hợp nhất các hạt nhân nhẹ hơn sắt hoặc phân tách các hạt nhân nặng hơn sắt đều giải phóng năng lượng, đây là cơ sở của phản ứng tổng hợp hạt nhân sao và phân hạch hạt nhân.