Nükleer kuvvet

Nükleer kuvvet (veya nükleon-nükleon etkileşimi veya artık güçlü kuvvet), atomların protonları ve nötronları arasında etkili olan bir kuvvettir. Her ikisi de nükleon olan nötronlar ve protonlar, nükleer kuvvetten neredeyse aynı şekilde etkilenir. Protonlar +1 e yüküne sahip olduklarından, onları ayırma eğiliminde olan bir elektrik kuvveti yaşarlar, ancak kısa menzilde çekici nükleer kuvvet elektromanyetik kuvvetin üstesinden gelebilecek kadar güçlüdür. Nükleer kuvvet, nükleonları atom çekirdeğine bağlar.

Nükleon kuvveti, yaklaşık 1 femtometre (fm veya 1.0 × 10⁻¹⁵ metre) mesafelerdeki nükleonlar arasında güçlü bir şekilde çekicidir, ancak yaklaşık 2.5 fm'nin ötesindeki mesafelerde hızla önemsiz hale gelir. 0.7 fm'den daha az mesafelerde, nükleer kuvvet itici hale gelir. Bu itici bileşen, çekirdeklerin fiziksel boyutundan sorumludur, çünkü nükleonlar kuvvetin izin verdiğinden daha fazla yaklaşamaz. Karşılaştırıldığında, angstrom cinsinden ölçülen bir atomun boyutu (A veya 1.0 × 10⁻¹⁰ m), beş büyüklük sırası daha büyüktür. Bununla birlikte, nükleer kuvvet basit değildir, çünkü nükleon dönüşlerine bağlıdır, bir tensör bileşenine sahiptir ve nükleonların nispi momentumuna bağlı olabilir.

Nükleer kuvvet, nükleer enerji ve nükleer silahlarda kullanılan enerjinin depolanmasında önemli bir rol oynar. Yüklü protonları elektrik itmelerine karşı bir araya getirmek için iş (enerji) gerekir. Bu enerji, protonlar ve nötronlar bir çekirdek oluşturmak için nükleer kuvvet tarafından birbirine bağlandığında depolanır. Bir çekirdeğin kütlesi, protonların ve nötronların tek tek kütlelerinin toplamından daha azdır. Kütlelerdeki fark, enerji eşdeğeri olarak ifade edilebilen kütle kusuru olarak bilinir. Enerji, ağır bir çekirdek iki veya daha fazla hafif çekirdeğe bölündüğünde açığa çıkar. Bu enerji, nükleer kuvvet artık yüklü nükleer parçaları bir arada tutmadığında açığa çıkan elektromanyetik potansiyel enerjidir.

Nükleer kuvvetin nicel bir tanımı, kısmen ampirik olan denklemlere dayanır. Bu denklemler nükleonlar arası potansiyel enerjileri veya potansiyelleri modellerdir. (Genel olarak, bir parçacık sistemi içindeki kuvvetler, sistemin potansiyel enerjisi tanımlanarak daha basit bir şekilde modellenebilir; bir potansiyelin negatif gradyanı, vektör kuvvetine eşittir.) Denklemlerin sabitleri fenomenolojiktir, yani denklemlerin deneysel verilere uydurulmasıyla belirlenir. Nükleonlar arası potansiyeller, nükleon-nükleon etkileşiminin özelliklerini açıklamaya çalışır. Bir kez belirlendikten sonra, herhangi bir potansiyel, nükleon sisteminin kuantum mekanik özelliklerini belirlemek için örneğin Schrödinger denkleminde kullanılabilir.

1932'de nötronun keşfi, atom çekirdeklerinin çekici bir kuvvet tarafından bir arada tutulan proton ve nötronlardan yapıldığını ortaya çıkardı. 1935'e gelindiğinde, nükleer kuvvetin mezon adı verilen parçacıklar tarafından aktarılması düşünüldü. Bu teorik gelişme, nükleer potansiyelin erken bir örneği olan Yukawa potansiyelinin bir tanımını içeriyordu. Tahmini yerine getiren Pions, 1947'de deneysel olarak keşfedildi. 1970'lere gelindiğinde, mezonların ve nükleonların kuarklar ve gluonlardan oluştuğunu gösteren kuark modeli geliştirildi. Bu yeni modele göre, komşu nükleonlar arasında mezonların değiş tokuşundan kaynaklanan nükleer kuvvet, güçlü kuvvetin artık bir etkisidir.

Tanımlama

Nükleon kuvveti genellikle nükleonlarla ilişkilendirilirken, daha genel olarak bu kuvvet hadronlar veya kuarklardan oluşan parçacıklar arasında hissedilir. Nükleonlar arasındaki küçük ayrımlarda (dönüş hizalamasına bağlı olarak merkezleri arasında ~ 0.7 fm'den az) kuvvet itici hale gelir ve bu da nükleonları belirli bir ortalama ayrılıkta tutar. Özdeş nükleonlar için (iki nötron veya iki proton gibi) bu itme Pauli dışlama kuvvetinden kaynaklanır. Bir Pauli itmesi, farklı nükleonlardan (bir proton ve bir nötron) aynı tipe sahip kuarklar arasında da meydana gelir.

Alan kuvveti

0.7 fm'den büyük mesafelerde kuvvet, spin hizalı nükleonlar arasında çekici hale gelir ve yaklaşık 0.9 fm'lik bir merkez-merkez mesafesinde maksimum hale gelir. Bu mesafenin ötesinde kuvvet üssel olarak düşer, yaklaşık 2.0 fm'lik ayrımın ötesine kadar kuvvet önemsizdir. Nükleonların yarıçapı yaklaşık 0.8 fm'dir.

Kısa mesafelerde (1,7 fm'den daha az), çekici nükleer kuvvet, protonlar arasındaki itici Coulomb kuvvetinden daha güçlüdür; böylece protonların çekirdekteki itilmesinin üstesinden gelir. Bununla birlikte, protonlar arasındaki Coulomb kuvveti, yük ayrımının ters karesi olarak değiştiğinden çok daha büyük bir menzile sahiptir ve Coulomb itmesi, böylece, ayrılmaları yaklaşık 2 ila 2.5 fm'yi aştığında protonlar arasındaki tek önemli kuvvet haline gelir.

Nükleer kuvvetin dönüşe bağlı bir bileşeni vardır. Kuvvet, dönüşleri hizalı olan parçacıklar için, dönüşleri hizasız olanlardan daha güçlüdür. İki nötron veya iki proton gibi iki parçacık aynıysa, kuvvet parçacıkları bağlamak için yeterli değildir, çünkü aynı tipteki iki parçacığın spin vektörleri, parçacıklar birbirine yakın olduğunda zıt yönleri işaret etmelidir. Bu fermiyon gereksinimi Pauli dışlama ilkesinden kaynaklanmaktadır. Proton ve nötron gibi farklı türlerdeki fermiyon parçacıkları için, parçacıklar birbirine yakın olabilir ve Pauli dışlama ilkesini ihlal etmeden hizalanmış dönüşlere sahip olabilir ve nükleer kuvvet onları bağlayabilir (bu durumda, bir döterona) çünkü nükleer kuvvet, spin hizalı parçacıklar için çok daha güçlüdür. Ancak parçacıkların dönüşleri hizasızsa, nükleer kuvvet, farklı türlerde olsalar bile onları bağlayamayacak kadar zayıftır.

Nükleer kuvvet ayrıca, nükleon dönüşleri ile nükleonların açısal momentumu arasındaki etkileşime bağlı olan ve basit bir küresel şekilden deformasyona yol açan bir tensör bileşenine sahiptir.

Nükleer bağlanma

Bir çekirdeği bağlanmamış protonlara ve nötronlara ayırmak, nükleer kuvvete karşı çalışmayı gerektirir. Tersine, serbest nükleonlardan veya diğer çekirdeklerden bir çekirdek oluşturulduğunda enerji açığa çıkar: nükleer bağlanma enerjisi. Kütle-enerji denkliğinden dolayı (yani Einstein'ın formülü E = mc²), bu enerjinin serbest bırakılması çekirdeğin kütlesinin tek tek nükleonların toplam kütlesinden daha düşük olmasına ve sözde "kütle kusuruna" yol açar.

Nükleon kuvveti, nükleonların nötron veya proton olmasından neredeyse bağımsızdır. Buna özelliğe yük bağımsızlığı denir. Kuvvet, merkezi olmayan veya tensör bir bileşene sahip olduğundan, nükleonların spinlerinin paralel veya antiparalel olmasına bağlıdır. Kuvvetin bu kısmı, merkezi kuvvetlerin etkisi altında korunan yörüngesel açısal momentumu korumaz.

Werner Heisenberg tarafından önerilen güçlü kuvvetle sonuçlanan simetri, protonların ve nötronların yükleri dışında her açıdan özdeş olmasıdır. Bu tamamen doğru değil, çünkü nötronlar biraz daha ağırdır, ancak yaklaşık bir simetridir. Protonlar ve nötronlar bu nedenle aynı parçacık olarak görülürler, ancak farklı izospin kuantum sayılarıyla; geleneksel olarak, nötron izospin aşağı iken proton izospin yukarıdır. Güçlü kuvvet, SU(2) izospin dönüşümleri altında değişmez, tıpkı parçacıklar arasındaki diğer etkileşimlerin içsel dönüşün SU(2) dönüşümleri altında değişmez olması gibi. Başka bir deyişle, hem izospin hem de iç spin dönüşümleri SU(2) simetri grubuna izomorfiktir. Etkileşen parçacıkların toplam izospini 0 olduğunda yalnızca güçlü çekicilikler vardır, bu da deneyle doğrulanır.

Nükleer kuvvet hakkındaki anlayışımız, saçılma deneyleri ve hafif çekirdeklerin bağlanma enerjisi ile elde edilir.

Nükleer kuvvet, sanal piyonlar gibi sanal ışık mezonlarının yanı sıra spinli iki tür sanal mezon (vektör mezonlar), rho mezonlar ve omega mezonların değişimi ile oluşur. Vektör mezonlar, bu "sanal mezon" resimde nükleer kuvvetin spin bağımlılığını açıklar.

Nükleer kuvvet, tarihsel olarak zayıf nükleer kuvvet olarak bilinen kuvvetten farklıdır. Zayıf etkileşim, dört temel etkileşimden biridir ve beta bozunması gibi süreçlerde rol oynar. Zayıf kuvvet, nötronların protonlara bozunmasından sorumlu olsa da nükleonların etkileşiminde hiçbir rol oynamaz.

Tarihçe

Nükleer kuvvet, nötronun James Chadwick tarafından keşfedilmesiyle, alan 1932'de doğduğundan beri nükleer fiziğin merkezinde yer alıyor. Nükleon fiziğinin geleneksel amacı, nükleon çiftleri veya nükleon-nükleon kuvvetleri (NN kuvvetleri) arasındaki 'çıplak' etkileşim açısından atom çekirdeğinin özelliklerini anlamaktır.

Nötronun keşfinden sonraki aylar içinde, Werner Heisenberg ve Dmitri Ivanenko çekirdek için proton-nötron modelleri önermişti. Heisenberg, çekirdekteki proton ve nötronların tanımına kuantum mekaniği aracılığıyla yaklaştı, o zamanlar hiç de aşikar olmayan bir yaklaşım. Heisenberg'in çekirdekteki protonlar ve nötronlar için teorisi, "çekirdeği kuantum mekanik bir sistem olarak anlamaya yönelik büyük bir adımdı". Heisenberg, nükleonları bağlayan ilk nükleer değişim kuvvetleri teorisini tanıttı. Proton ve nötronların aynı parçacığın farklı kuantum durumları, yani nükleer izospin kuantum sayılarının değeriyle ayırt edilen nükleonlar olduğunu düşünüyordu.

Çekirdek için en eski modellerden biri, 1930'larda geliştirilen sıvı damla modeliydi. Çekirdeklerin bir özelliği, nükleon başına ortalama bağlanma enerjisinin, sıvı damlasına benzeyen tüm kararlı çekirdekler için yaklaşık olarak aynı olmasıdır. Sıvı damla modeli, çekirdeği, bir sıvıdaki moleküller gibi davranan nükleonlarla sıkıştırılamaz bir nükleer sıvı damlası olarak değerlendirdi. Model ilk olarak George Gamow tarafından önerildi ve daha sonra Niels Bohr, Werner Heisenberg ve Carl Friedrich von Weizsäcker tarafından geliştirildi. Bu kaba model, çekirdeğin tüm özelliklerini açıklamadı, ancak çoğu çekirdeğin küresel şeklini açıkladı. Model ayrıca çekirdeklerin bağlanma enerjisi için iyi tahminler verdi.

Hideki Yukawa, 1934'te nükleer gücün doğasını açıklamaya yönelik ilk girişimde bulundu. Teorisine göre, büyük bozonlar (mezonlar) iki nükleon arasındaki etkileşime aracılık eder. Kuantum kromodinamiğinin (QCD) ve uzantı olarak Standart Modelin ışığında, mezon teorisi artık temel olarak algılanmıyor. Ancak mezon değişimi kavramı (hadronların temel parçacıklar olarak ele alındığı yer) nicel bir NN potansiyeli için en iyi çalışma modelini temsil etmeye devam ediyor. Yukawa potansiyeli (taranmış bir Coulomb potansiyeli olarak da adlandırılır) formun bir potansiyelidir.

$V_{\text{Yukawa}}(r)=-g^{2}{\frac {e^{-\mu r}}{r}},$

burada g bir büyüklük ölçekleme sabiti, yani potansiyelin genliği, $\mu$ Yukawa parçacık kütlesi, r, parçacığa olan radyal uzaklıktır. Potansiyel tekdüze artıyor, bu da kuvvetin her zaman çekici olduğunu gösteriyor. Sabitler ampirik olarak belirlenir. Yukawa potansiyeli yalnızca parçacıklar arasındaki mesafeye bağlıdır, r, dolayısıyla merkezi bir kuvveti modeller.

1930'lar boyunca Columbia Üniversitesi'nde I.I. Rabi liderliğindeki bir grup, çekirdeklerin manyetik momentlerini belirlemek için manyetik rezonans teknikleri geliştirdi. Bu ölçümler, 1939'da döteronun da elektrik dört kutuplu bir momente sahip olduğunun keşfedilmesine yol açtı. Döteronun bu elektriksel özelliği, Rabi grubunun ölçümlerini engelliyordu. Bir proton ve bir nötrondan oluşan döteron, en basit nükleer sistemlerden biridir. Keşif, döteronun fiziksel şeklinin simetrik olmadığı anlamına geliyordu, bu da nükleer kuvvet bağlayıcı nükleonların doğası hakkında değerli bilgiler sağladı. Özellikle sonuç, nükleer kuvvetin merkezi bir kuvvet olmadığını, ancak bir tensör karakterine sahip olduğunu gösterdi. Hans Bethe, döteronun dört kutuplu anının keşfini, nükleer fiziğin oluşum yıllarındaki önemli olaylardan biri olarak tanımladı.

Tarihsel olarak, nükleer kuvveti fenomenolojik olarak tanımlama görevi zorluydu. İlk yarı deneysel nicel modeller, Woods-Sakson potansiyeli (1954) gibi 1950'lerin ortalarında geldi. 1960'larda ve 1970'lerde nükleer kuvvetle ilgili deney ve teoride önemli ilerleme oldu. Etkili modellerden biri Reid potansiyeli idi (1968)

$V_{\text{Reid}}(r)=-10.463{\frac {e^{-\mu r}}{\mu r}}-1650.6{\frac {e^{-4\mu r}}{\mu r}}+6484.2{\frac {e^{-7\mu r}}{\mu r}},$

burada $\mu =0.7{\text{fm}}^{-1}$ ve burada potansiyel MeV birimleri cinsinden verilmiştir.

Son yıllarda deneyciler, nükleer kuvvetin yük bağımlılığı, πNN kuplaj sabitinin kesin değeri, geliştirilmiş faz kayması analizi, yüksek hassasiyetli NN verileri, yüksek hassasiyetli NN potansiyelleri, NN saçılımı gibi orta ve yüksek enerjiler ve nükleer kuvveti QCD'den türetme girişimleri inceliklerine odaklandılar.

Güçlü kuvvetin kalıntısı olarak nükleer kuvvet

Nükleer kuvvet, daha temel kuvvetli kuvvetin veya güçlü etkileşimin artık etkisidir. Güçlü etkileşim, nükleonların (protonlar ve nötronlar) kendilerini oluşturmak için kuark adı verilen temel parçacıkları birbirine bağlayan çekici kuvvettir. Doğanın temel güçlerinden biri olan bu daha güçlü kuvvete, gluon adı verilen parçacıklar aracılık eder. Gluonlar, kuarkları elektrik yüküne benzer, ancak çok daha güçlü olan renk yükü yoluyla bir arada tutar. Kuarklar, gluonlar ve dinamikleri çoğunlukla nükleonlarla sınırlıdır, ancak artık etkiler nükleer kuvveti oluşturmak için nükleon sınırlarının biraz ötesine uzanır.

Nükleonlar arasında ortaya çıkan nükleer kuvvetler, nötr atomlar veya Londra kuvvetleri olarak adlandırılan moleküller arasındaki kimyadaki kuvvetlere benzer. Atomlar arasındaki bu tür kuvvetler, atomları bir arada tutan (yani elektronları çekirdeğe bağlayan) çekici elektriksel kuvvetlerden çok daha zayıftır ve atomlar arasındaki aralıkları daha kısadır, çünkü bunlar, nötr atom içindeki küçük yük ayrışmalarından kaynaklanır. Benzer şekilde, nükleonlar, gluon kuvvetlerinin çoğunu iptal eden ("renk nötrdürler") kombinasyonlardaki kuarklardan yapılmış olsalar da, yine de bazı kuark ve gluon kombinasyonları, kısa menzilli nükleer kuvvet alanları bir nükleondan başka bir yakın nükleona şeklinde nükleonlardan sızar. Bu nükleer kuvvetler, nükleonların içindeki doğrudan gluon kuvvetleri ("renk kuvvetleri" veya güçlü kuvvetler) ile karşılaştırıldığında çok zayıftır ve nükleer kuvvetler yalnızca birkaç nükleer çapa yayılır ve mesafe ile üssel olarak düşer. Bununla birlikte, nötronları ve protonları kısa mesafelerde bağlayacak ve çekirdekteki protonlar arasındaki elektriksel itmenin üstesinden gelebilecek kadar güçlüdürler.

Bazen, nükleer kuvvet, QCD'den kaynaklanan güçlü etkileşimlerin aksine, artık güçlü kuvvet olarak adlandırılır. Bu ifade, QCD'nin kurulduğu 1970'lerde ortaya çıktı. O zamandan önce, güçlü nükleer kuvvet nükleonlar arası potansiyele işaret ediyordu. Kuark modelinin doğrulanmasından sonra, güçlü etkileşim QCD anlamına gelmektedir.

Nükleon-nükleon potansiyelleri

Döteryum atomunun çekirdeği olan döteron gibi iki nükleon sistemleri ve proton-proton veya nötron-proton saçılması, NN kuvvetini incelemek için idealdir. Bu tür sistemler, bir potansiyeli (Yukawa potansiyeli gibi) nükleonlara atayarak ve bir Schrödinger denklemindeki potansiyelleri kullanarak tanımlanabilir. Potansiyelin formu fenomenolojik olarak (ölçüm yoluyla) türetilir, ancak uzun menzilli etkileşim için mezon-değişim teorileri potansiyeli oluşturmaya yardımcı olur. Potansiyelin parametreleri, döteron bağlanma enerjisi veya NN elastik saçılma kesitleri (veya bu bağlamda eşdeğer olarak NN faz kaymaları olarak adlandırılan) gibi deneysel verilere uydurularak belirlenir.

En yaygın olarak kullanılan NN potansiyelleri, Paris potansiyeli, Argonne AV18 potansiyeli, CD-Bonn potansiyeli ve Nijmegen potansiyelleridir.

Daha yeni bir yaklaşım, nükleon-nükleon ve üç-nükleon kuvvetlerinin tutarlı bir tanımı için etkili alan teorileri geliştirmektir. Kuantum hadrodinamiği, renk etkileşimleri için QCD ve elektromanyetik etkileşimler için QED ile karşılaştırılabilir, nükleer kuvvetin etkili bir alan teorisidir. Ek olarak, kiral simetri kırılması, değişim parçacıkları olarak piyonlar ile nükleonlar arasındaki etkileşimlerin tedirgin edici hesaplamalarına izin veren etkili bir alan teorisi (kiral pertürbasyon teorisi olarak adlandırılır) açısından analiz edilebilir.

Nükleonlardan çekirdeklere

Nükleon fiziğinin nihai amacı, nükleonlar arasındaki temel etkileşimlerden tüm nükleer etkileşimleri tanımlamak olacaktır. Buna nükleer fiziğin mikroskobik veya ab initio yaklaşımı denir. Üstesinden gelinmesi gereken iki büyük engel var:

• Çok cisimli sistemlerde hesaplamalar zordur ve gelişmiş hesaplama teknikleri gerektirir.
• Üç nükleon kuvvetlerinin (ve muhtemelen daha yüksek çok parçacıklı etkileşimlerin) önemli bir rol oynadığına dair kanıtlar vardır. Bu, üç nükleon potansiyellerinin modele dahil edilmesi gerektiği anlamına gelir.

Bu, nükleer kabuk yapısının daha iyi ilk prensip hesaplamalarına yol açan hesaplama tekniklerinde devam eden ilerlemelere sahip aktif bir araştırma alanıdır. A = 12'ye kadar olan çekirdekler için iki ve üç nükleon potansiyelleri uygulanmıştır.

Nükleer potansiyeller

Nükleer potansiyeller Nükleer etkileşimleri tanımlamanın başarılı bir yolu, tüm nükleon bileşenlerini dikkate almak yerine tüm çekirdek için tek bir potansiyel oluşturmaktır. Buna makroskopik yaklaşım denir. Örneğin, nötronların çekirdeklerden saçılması, çekirdeğin potansiyelinde gerçek bir kısım ve hayali bir kısım içeren bir düzlem dalgası dikkate alınarak tanımlanabilir. Bu model, opak bir cam küre tarafından saçılan ışık durumuna benzediği için genellikle optik model olarak adlandırılır.

Nükleer potansiyeller yerel veya küresel olabilir: yerel potansiyeller dar bir enerji aralığı veya dar bir nükleer kütle aralığı ile sınırlıyken, daha fazla parametresi olan ve genellikle daha az doğru olan küresel potansiyeller enerjinin ve nükleer kütlenin ve bu nedenle daha geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılabilir.