In der Teilchenphysik ist die starke Wechselwirkung der Mechanismus, der für die starke Kernkraft verantwortlich ist ( auch als starke Kraft starke nukleare Kraft oder Farbkraft ) bezeichnet und ist eine der vier bekannten grundlegenden Wechselwirkungen, mit den anderen Elektromagnetismus schwache Wechselwirkung und Gravitation. Im Bereich von 10 −15 m (1 Femtometer) ist die starke Kraft etwa 137 Mal so stark wie der Elektromagnetismus, eine Million Mal so stark wie die schwache Wechselwirkung und 10 38 mal so stark wie die Gravitation. [1] Die starke Kernkraft hält die meisten gewöhnlichen Materien zusammen, weil sie Quarks in Hadron-Teilchen wie Proton und Neutron einschränken. Darüber hinaus bindet die starke Kraft Neutronen und Protonen zu Atomkernen. Der Großteil der Masse eines gemeinsamen Protons oder Neutrons ist das Ergebnis der starken Kraftfeldenergie. Die einzelnen Quarks liefern nur etwa 1% der Masse eines Protons.
Die starke Wechselwirkung ist in zwei Bereichen zu beobachten: In größerem Maßstab (etwa 1 bis 3 fm) ist es die Kraft, die Protonen und Neutronen (Nukleonen) miteinander verbindet, um den Kern eines Atoms zu bilden. Auf der kleineren Skala (weniger als etwa 0,8 fm, dem Radius eines Nukleons) hält die von Gluonen getragene Kraft die Quarks zusammen, um Protonen, Neutronen und andere Hadronenpartikel zu bilden. Im letzteren Zusammenhang wird sie häufig als Farbkraft bezeichnet. Die starke Kraft hat von Natur aus eine so hohe Festigkeit, dass Hadronen, die durch die starke Kraft gebunden sind, neue massive Teilchen erzeugen können. Wenn Hadronen von energiereichen Partikeln getroffen werden, erzeugen sie neue Hadronen, anstatt frei bewegliche Strahlung (Gluonen) zu emittieren. Diese Eigenschaft der starken Kraft wird als Farbbegrenzung bezeichnet und verhindert die freie "Emission" der starken Kraft. Stattdessen werden in der Praxis Strahlen von massiven Partikeln erzeugt.
Im Zusammenhang mit der Bindung von Protonen und Neutronen an Atomkerne wird die starke Wechselwirkung Nuklearkraft (19459015) als starke Kraft bezeichnet. In diesem Fall sind es die Residuen der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen. Daher folgt die starke Wechselwirkung zwischen den Nukleonen einem ganz anderen entfernungsabhängigen Verhalten, als wenn sie Quarks innerhalb der Nukleonen binden soll. Unterschiede in der Bindungsenergie der Kernkraft führen zur Kernfusion und Kernspaltung. Die Kernfusion ist für die meiste Energieproduktion in der Sonne und anderen Sternen verantwortlich. Die Kernspaltung ermöglicht den Zerfall radioaktiver Elemente und Isotope, obwohl dies häufig durch die schwache Wechselwirkung vermittelt wird. Künstlich wird die mit der Atomkraft verbundene Energie teilweise in Kernkraft und Atomwaffen freigesetzt, sowohl in Uran- oder Plutoniumspaltungswaffen als auch in Fusionswaffen wie der Wasserstoffbombe. [2] [3]
Die starke Wechselwirkung wird durch den Austausch masseloser Teilchen, die als Gluonen bezeichnet werden, vermittelt, die zwischen Quarks, Antiquarks und anderen Gluonen wirken. Man nimmt an, dass Gluonen mit Quarks und anderen Gluonen über eine Art Ladung, die Farbladung genannt wird, interagieren. Die Farbladung ist analog zur elektromagnetischen Ladung, aber es gibt drei Arten (± rot, ± grün, ± blau) und nicht nur eine. Dies führt zu einer unterschiedlichen Kraftart mit unterschiedlichen Verhaltensregeln. Diese Regeln sind in der Theorie der Quantenchromodynamik (QCD), der Theorie der Quark-Gluon-Wechselwirkungen, ausführlich beschrieben.
Geschichte [ edit ]
Vor den 1970er Jahren waren sich die Physiker unsicher, wie der Atomkern miteinander verbunden ist. Es war bekannt, dass der Kern aus Protonen und Neutronen bestand und dass Protonen eine positive elektrische Ladung besaßen, während Neutronen elektrisch neutral waren. Nach dem damaligen Verständnis der Physik würden sich positive Ladungen gegenseitig abstoßen, und die positiv geladenen Protonen sollten dazu führen, dass der Kern auseinander fliegt. Dies wurde jedoch nie beobachtet. Um dieses Phänomen zu erklären, war eine neue Physik erforderlich.
Es wurde eine stärkere Anziehungskraft postuliert, um zu erklären, wie der Atomkern trotz der gegenseitigen elektromagnetischen Abstoßung der Protonen gebunden wurde. Diese hypothetische Kraft wurde 19459015 als starke Kraft bezeichnet, von der man annimmt, dass sie eine grundlegende Kraft ist, die auf die Protonen und Neutronen wirkt, aus denen der Kern besteht.
Später wurde entdeckt, dass Protonen und Neutronen keine fundamentalen Partikel sind, sondern aus konstituierenden Partikeln bestehen, die als Quarks bezeichnet werden. Die starke Anziehungskraft zwischen Nukleonen war die Nebenwirkung einer grundlegenderen Kraft, die die Quarks zu Protonen und Neutronen verband. Die Theorie der Quantenchromodynamik erklärt, dass Quarks eine so genannte Farbladung tragen, obwohl sie keinen Bezug zur sichtbaren Farbe hat. [4] Quarks mit ungleicher Farbladung ziehen sich infolge der starken Wechselwirkung an . und das Teilchen, das dies vermittelte, wurde Gluon genannt.
Verhalten der starken Kraft [ edit ]
Das Wort strong wird verwendet, da die starke Wechselwirkung die "stärkste" der vier fundamentalen Kräfte ist. Bei einem Abstand von 1 Femtometer (1 fm = 10 -15 Metern) oder weniger ist seine Stärke etwa 137-mal so groß wie die der elektromagnetischen Kraft, etwa 10 6 mal so groß der schwachen Kraft und etwa 10 38 mal die der Gravitation.
Die starke Kraft wird von der Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben, einem Teil des Standardmodells der Teilchenphysik. Mathematisch ist QCD eine nicht-abelsche Eichlehre, die auf einer lokalen (Eich-) Symmetriegruppe namens SU (3) basiert.
Das Kraftträgerpartikel der starken Wechselwirkung ist das Gluon, ein masseloses Boson. Im Gegensatz zu dem im Elektromagnetismus neutralen Photon trägt das Gluon eine Farbladung. Quarks und Gluonen sind die einzigen fundamentalen Teilchen, die eine nicht verschwindende Farbladung tragen, und nehmen daher nur an starken Wechselwirkungen miteinander teil. Die starke Kraft ist der Ausdruck der Gluonwechselwirkung mit anderen Quark- und Gluonteilchen.
Alle Quarks und Gluonen in der QCD interagieren durch die starke Kraft miteinander. Die Stärke der Wechselwirkung wird durch die starke Kopplungskonstante parametrisiert. Diese Stärke wird durch die Farbe der Ladung des Teilchens, eine gruppentheoretische Eigenschaft, verändert.
Die starke Kraft wirkt zwischen Quarks. Im Gegensatz zu allen anderen Kräften (elektromagnetischen, schwachen und gravitativen Kräften) nimmt die Stärke nicht mit zunehmendem Abstand zwischen Quarkpaaren ab. Nachdem ein Grenzabstand (etwa die Größe eines Hadrons) erreicht wurde, bleibt er bei einer Stärke von etwa 10.000 Newton (N), egal wie weit der Abstand zwischen den Quarks entfernt ist. [5] Mit wachsendem Abstand zwischen den Quarks Die Energie, die dem Paar hinzugefügt wird, erzeugt neue Paare von übereinstimmenden Quarks zwischen den ursprünglichen beiden. Daher ist es nicht möglich, separate Quarks zu erstellen. Die Erklärung ist, dass der Arbeitsaufwand bei einer Kraft von 10.000 Newton ausreichend ist, um Partikel-Antiteilchen-Paare innerhalb einer sehr kurzen Entfernung dieser Wechselwirkung zu erzeugen. Die Energie, die dem System hinzugefügt wird, um zwei Quarks auseinander zu ziehen, würde ein Paar neue Quarks erzeugen, die sich mit den ursprünglichen Quarks verbinden. In der QCD wird dieses Phänomen als Farbbegrenzung bezeichnet. Daher können nur Hadronen beobachtet werden, nicht einzelne freie Quarks. Das Scheitern aller Experimente, die nach freien Quarks gesucht haben, wird als Beweis für dieses Phänomen angesehen.
Die elementaren Quark- und Gluonteilchen, die an einer Kollision mit hoher Energie beteiligt sind, sind nicht direkt beobachtbar. Die Interaktion erzeugt Jets neu erzeugter Hadronen, die beobachtbar sind. Diese Hadronen werden als Manifestation der Massenenergieäquivalenz erzeugt, wenn ausreichend Energie in einer Quark-Quark-Bindung abgeschieden wird, als wenn ein Quark in einem Proton von einem sehr schnellen Quark eines anderen aufprallenden Protons während eines Teilchenbeschleuniger-Experiments getroffen wird. Es wurden jedoch Quark-Gluon-Plasmen beobachtet. [6]
Residual Strong Force [ edit ]
Es ist nicht der Fall, dass jedes Quark im Universum jedes andere Quark in der obigen Entfernung anzieht unabhängige Weise. Farbeinschränkung impliziert, dass die starke Kraft ohne Entfernungseinschränkung nur zwischen Paaren von Quarks wirkt und dass in Sammlungen von gebundenen Quarks (Hadronen) die Nettofarbladung der Quarks im Wesentlichen aufgehoben wird, was zu einer Einschränkung der Wirkung der führt Kräfte. Sammlungen von Quarks (Hadronen) erscheinen daher nahezu ohne Farbladung, und die starke Kraft zwischen diesen Hadronen ist daher fast nicht vorhanden, mit der Ausnahme, dass die Aufhebung nicht ganz perfekt ist. Eine Restkraft (nachstehend beschrieben) bleibt als Restkraft bekannt. Diese Restkraft nimmt mit der Entfernung rasch ab und ist daher sehr kurz (effektiv einige Femtometer). Es manifestiert sich als eine Kraft zwischen den "farblosen" Hadronen und wird manchmal als starke Atomkraft oder einfach als Atomkraft bezeichnet.
Die verbleibende Wirkung der starken Kraft wird als Kernkraft bezeichnet. Die Kernkraft wirkt zwischen Hadronen, bekannt als Mesonen und Baryonen. Diese "verbleibende starke Kraft" überträgt indirekt Gluonen, die Teil der virtuellen Mesonen π und ρ sind, die wiederum die Kraft zwischen den Nukleonen übertragen ( jenseits von protium) zusammen.
Die starke Restkraft ist daher ein kleiner Rest der starken Kraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenhält. Dieselbe Kraft ist zwischen 19459016 und den Protonen viel schwächer weil sie innerhalb von 19459016 weitgehend neutralisiert wird, genauso wie die elektromagnetischen Kräfte zwischen neutralen Atomen (van der Waals-Kräfte) viel schwächer sind als die elektromagnetischen Kräfte, die Elektronen in Verbindung mit dem Kern halten und die Atome bilden. [7]
Im Gegensatz zu der starken Kraft selbst nimmt die verbleibende starke Kraft an Stärke ab und es nimmt tatsächlich mit der Entfernung rasch ab. Die Abnahme ist ungefähr eine negative exponentielle Entfernungsstärke, obwohl dafür kein einfacher Ausdruck bekannt ist. siehe Yukawa-Potenzial. Die schnelle Abnahme der anziehenden Restkraft mit dem Abstand und die weniger schnelle Abnahme der elektromagnetischen Abstoßungskraft, die zwischen den Protonen innerhalb eines Kerns wirkt, verursacht die Instabilität größerer Atomkerne, wie etwa aller mit Atomzahlen größer als 82 (das Element führen ).
Obwohl die Kernkraft schwächer ist als die starke Wechselwirkung selbst, ist sie immer noch hochenergetisch: Übergänge erzeugen Gammastrahlen. Die Masse der Kerne unterscheidet sich signifikant von den Massen der einzelnen Nukleonen. Dieser Massendefekt ist auf die potentielle Energie zurückzuführen, die mit der Kernkraft verbunden ist. Unterschiede zwischen Massendefekten führen zur Kernfusion und Kernspaltung.
Unification [ edit ]
Die sogenannten Grand Unified Theories (GUT) zielen darauf ab, die starke Wechselwirkung und die elektroschwachen Wechselwirkung als Aspekte einer einzelnen Kraft zu beschreiben, ähnlich wie bei der Kraft Elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen wurden durch das Glashow-Weinberg-Salam-Modell in der elektroschwachen Wechselwirkung vereinheitlicht. Die starke Wechselwirkung hat eine Eigenschaft, die als asymptotische Freiheit bezeichnet wird, wobei die Stärke der starken Kraft bei höheren Energien (oder Temperaturen) abnimmt. Die theoretisierte Energie, bei der ihre Stärke der elektroschwachen Wechselwirkung gleichkommt, ist die Energie der großen Vereinigung. Es wurde jedoch noch keine Grand Unified Theory formuliert, um diesen Prozess zu beschreiben, und die Grand Unification ist nach wie vor ein ungelöstes Problem in der Physik.
Wenn die GUT nach dem Urknall und während der elektroschwachen Epoche des Universums korrekt ist, trennte sich die elektroschwache Kraft von der starken Kraft. Demnach wird davon ausgegangen, dass es eine große Zeit der Vereinigung gegeben hat.
Siehe auch [ edit ]
Referenzen [ edit
- ^ Die relative Stärke der Wechselwirkung variiert mit der Entfernung. Siehe zum Beispiel Matt Strasslers Essay "Die Stärke der bekannten Kräfte".
- ^ über Bindungsenergie: siehe Bindungsenergie, Massendefekt, Ausbildungsstätte für Furry-Elefantenphysik, retr 2012-07-01
- ^ zur Bindungsenergie: siehe Kapitel 4 Nukleare Prozesse, The Strong Force, M. Ragheb, 27.7.2012, University of Illinois
- ^ Feynman, RP (1985). QED: Die merkwürdige Theorie von Licht und Materie . Princeton University Press. p. 136. ISBN 978-0-691-08388-9. 19459049 Die Idiotenphysiker, die keine wundervollen griechischen Worte mehr finden können, nennen diese Art der Polarisierung mit dem unglücklichen Namen "Farbe", der mit Farbe im normalen Sinne nichts zu tun hat.
- ] Fritzsch, op. zitieren, p. 164. Der Autor gibt an, dass die Kraft zwischen unterschiedlich gefärbten Quarks in jeder Entfernung konstant bleibt, nachdem sie sich nur eine winzige Entfernung voneinander entfernt haben, und ist gleich dem Erfordernis, eine Tonne anzuheben, dh 1000 kg × 9,8 m / s² = ~ 10.000 N.
- ^ "Quark-Gluon-Plasma ist der ursprünglichste Zustand der Materie". About.com Education . Archiviert aus dem Original am 18.01.2017 . 2017-01-16
- ^ Fritzsch, H. (1983). Quarks: Das Zeug der Materie . Grundlegende Bücher. S. 167–168. ISBN 978-0-465-06781-7.
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