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跟胖哥學物理 原子核內強相互作用力
同學們都知道,歸根結底物質最後都是由原子構成的,而原子又是由原子核和核外電子構成。而原子核又是質子和中子構成的,核內質子數和核外電子數相同,整個原子呈中心。不同原子核內質子數決定了原子種類,化學裡我們學過元素,元素是一類原子總稱。這裡類就是指質子數相同,質子數相同,中子數不同的原子我們叫做同位素 譬如氫元素有三種原子:氫原子、氘原子和氚原子。
大家知道在原子核內質子和中子之間也有一種力存在,這種力就是強相互作用力,應該說這種作用力屬於一種短程力。那麼它們是如何把這種質子和中子結合在一起的,要讓原子核發生變化是一件不容易的事。大家知道要破壞這種作用力,讓原子核發生變化是一件非常困難的事。我們已經學過,原子核變化有兩種方式,一是原子核裂變,還有一類是原子核聚變。
很多同學一提到原子彈和氫彈就以為是件很簡單事情,其實並不是那樣,質子和中子靠強大的強相互作用力結果在一起,是非常穩定的。要是很簡單,我們神話裡那些神仙點石石成金早已經實現。就是我們學過發生原子彈的核聚變反應,需要給中子加速,因此粒子加速器就是一個國家能否製造原子彈基本條件,就是這個最基本條件,也不是每一個國家有能力製造的。美國打下伊拉克,根本不可能發現原子彈就是這個原因。
對於核聚變,更是難上加難,因為一是需要幾百萬高溫,還需要把小原子核壓縮,那種壓力不是說得到就能得到的。當然太陽由於本身,這種壓力可以控制自由,但是人類無法自由控制,因此早期的核聚變發生前都是核先發生裂變。不過,由於五十年後鐳射技術進步,強鐳射控制核聚變已經成為了可能。只是這種大壓力和能量,足說明簡單氫的強作用力也是驚人的。
1964 年,美國科學家蓋爾曼等人提出“夸克模型”:質子,中子又由夸克組成。他們認為,所有的強子都是由若干種叫做“夸克”的更深層次的粒子組成。西方人將這些粒子稱為“夸克”,華人則常常又稱它們為“ 層子”。顧名思義,層子是相對電子、質子、中子這些基本粒子來說的,它屬於“下一層次的粒子”。蓋爾曼等人認為夸克帶“分數電荷”,它們被禁閉在強子內部,不能脫離強子自由運動。人們根據強子的夸克模型和規範場的概念提出量子色動力學。
根據量子色動力學,強作用是一種色相互作用,具有色荷的夸克所具有的相互作用,核子間的核力就是強相互作用,它抵抗了質子之間的強大的電磁力,維持了原子核的穩定。
現在物理學家認為強相互作用的產生與夸克、膠子有關。 它將質子和中子中的夸克束縛在一起,並將原子中的質子和中子束縛在一起。一般認為,稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強核力具有一種稱為禁閉的古怪性質:它總是把粒子束縛成不帶顏色的結合體。
由於夸克有顏色(紅、綠或藍),人們不能得到單獨的夸克。反之,一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍夸克聯結在一起(紅+綠+藍=白)。這樣的三胞胎構成了質子或中子。其他的可能性是由一個夸克和一個反夸克組成的對(紅+反紅,或綠+反綠,或藍+反藍=白)。
這樣的結合構成稱為介子的粒子。介子是不穩定的,因為夸克和反夸克會互相湮滅而產生電子和其他粒子。類似地,由於膠子也有顏色,色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子。相反地,人們所能得到的膠子的團,其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
強相互作用的理論是量子色動力學(QCD).帶電粒子之間有電磁相互作用,帶色荷的粒子之間有強相互作用.兩個中性原子之間沒有相互作用,靠近電子雲重疊出現作用力稱為範德瓦爾斯力,出現強相互作用強子之間的力程都很短。
膠子本身帶有色荷而產生強相互作用。膠子間自相互作用使得色場可以形成弦狀體,通常稱為“通量管”。通量管兩端連線著夸克。像彈簧一樣,當通量管被拉長時,需要耗費能量,且隨著通量管的長度增加能量成線性增長。夸克正是透過這種機制被囚禁於強子內部。當通量管被拉到足夠長時,通量管會斷裂,並在斷裂處產生一對新的正反夸克,與原有的夸克配對分別形成強子態。夸克之間透過互相交換膠子產生了強相互作用力,它們就會結合成諸如質子和中子這樣的強子。同時由於夸克的色禁閉,強相互作用力會有所殘留,這樣強子之間就能克服電磁力作用而束縛在一起形成原子核。
強相互作用究竟有多大呢?宏觀上講,夸克間的強相互作用力是16萬牛頓,相對於16噸物體的重力!是不是被嚇到懵逼了,呵呵,就是這個一個巨大的力。
關於強核力的運用有核裂變,也是原子彈的製造方法。假設在鈾原子內打入一顆中子,它會因為不穩定而分裂成氪,鋇及兩顆中子(有連鎖反應),其中釋放大量能量,便可製成原子彈。
2019年3月13日於宜昌吾同齋
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3 # 手機使用者3503570243
首先要知道強相互作用是在質子和中子內部,把三個夸克束縛在一起的力,這種作用力是透過夸克之間交換膠子實現的。 所以,問題就是帶正電的質子是靠什麼束縛在一起的呢? 事實上,在質子非常靠近的時候,質子內部的膠子會去附近的質子內部“串門”,結果就形成了某種吸引力,把質子粘合在一起形成原子核。
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當前的流行說法是膠子將重粒子貼上在一起。但是我有另外的解釋,任何粒子都在自旋,左手旋與右手旋,其中一個是另一個的反粒子,如電子與正電子,質子與中子等。當兩自旋相反的粒子相遇時,由於兩粒子自旋相反,在相遇點附近區域,兩個粒子的線速度方向是相同的,旋轉使內部的混沌光子只向一個方向流動,這流動使內部區域的混沌光子的碰撞減少,壓力變小,而在外圍的混沌光子碰撞機率增大,壓力增大,這樣形成的壓力差使兩粒子結合成一個整體。質子與中子就是由這種混沌壓力差結合成緊密的原子核的。