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是什么力让原子核中的质子紧挨在一起?

本帖由 漂亮的石头2020-12-05 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] 子乾,兴趣使然的科普 阅读原文

    从核子尺度上说,是强(核)力让原子核中的质子和中子吸引在一起,

    而从更基本的结构看,

    强(核)力是夸克之间强相互作用在核子尺度上的一种剩余作用。

    [​IMG]

    1、核子尺度

    到 1932 年的时候,人们就已经知道了原子核是由带电的质子和不带电的中子构成的。

    但是原子核的大小只有几个飞米([​IMG],即[​IMG]),

    在这么小的空间内,质子之间应该会存在非常强的电磁斥力,

    原子核瞬间就会分崩离析,

    但是,现实中的原子核是非常稳定的存在。

    因此,质子 / 中子之间必须存在一种更强的吸引力,

    这种力就叫做强力。

    强力只在原子核内的范围有明显作用,

    超出原子核后迅速衰减。

    类比电磁相互作用是通过电磁场(其量子化后的粒子即为光子)传递的,

    1935 年, 日本物理学家汤川秀树认为,

    强力是经过强力场传递的,强力场量子化后的粒子叫做 [​IMG] 介子。

    [​IMG]
    日本物理学家汤川秀树(ゆかわ ひでき,Hideki Yukawa,1907-01-23 ~ 1981-09-08)

    (图片来自[1])

    [​IMG] 介子一共有三种:中性 [​IMG] 介子、带正电性 [​IMG] 介子以及带负电 [​IMG] 介子。

    (分别记为:[​IMG][​IMG][​IMG])光子是无质量的,电磁力的作用距离为无限远;

    与此对应,传递强力的 [​IMG] 介子是有质量的,

    强力的传播距离与 [​IMG] 介子质量的关系为:[​IMG]

    其中 [​IMG][​IMG] 介子质量,[​IMG] 为光速,[​IMG] 为约化普朗克常数 [​IMG]

    经过简单的估算就可以知道,[​IMG][2]

    1947 年,带电 [​IMG] 介子在宇宙射线中被发现,其质量为 [​IMG](大约是电子质量的 280 倍),

    与汤川秀树的预言一致,他也因此获得 1949 年的诺贝尔物理学奖[3]。

    [​IMG]
    The Nobel Prize in Physics 1949 was awarded to Hideki Yukawa 「for his prediction of the existence of mesons on the basis of theoretical work on nuclear forces.」

    2、夸克尺度

    随着粒子物理的发展,人们逐渐意识到,

    质子、中子、[​IMG] 介子等粒子应该是由更基本的粒子构成的。

    1964 年,Gell-Mann 和 Zweig 同时提出来夸克模型

    在夸克模型中,质子、中子、[​IMG] 介子均是通过上夸克(u quark)和下夸克(d quark)的不同组合构成的;

    20 世纪 70 年代,用于描述夸克之间相互作用的量子色动力学(QCD, Quantum Chromodynamics)也逐渐建立起来。

    在量子色动力学中,夸克之间存在强相互作用

    夸克之间的强相互作用通过胶子传递(这个其实跟电磁相互作用由光子传递更为接近)。

    [​IMG]
    粒子物理标准模型。其中存在六种夸克。

    在夸克模型中:

    质子是由两个上夸克和一个下夸克构成(uud),

    中子是由一个上夸克和两个下夸克构成(udd),

    [​IMG] 是由正反上下夸克对构成([​IMG][​IMG] 代表反上夸克),

    [​IMG] 由一个上夸克和一个反下夸克构成,

    [​IMG] 由一个下夸克和一个反上夸克构成。

    [​IMG]

    因此,质子 / 中子之间的强力,

    其本质上是构成质子 / 中子的夸克之间的强相互作用,

    不同质子 / 中子的夸克,

    通过交换也是由夸克构成的 [​IMG] 介子产生强力,

    强力本质上是强相互作用在不同质子 / 中子之间的剩余相互作用。

    [​IMG]
    核力的夸克示意图。带字母的大球为夸克,无字母的小球为胶子。

    (上图来自[4])

    图中演示了质子和中子交换了一个 [​IMG] 而产生的强力。

    这一点也可以通过费曼图来展现[4]:

    [​IMG]

    3、最后

    题目中问:

    是什么力让原子核中的质子紧挨在一起?​

    实际上,原子核中的质子并不会「紧挨在一起」,

    往往是由中子隔开一定的间距,

    这也是关系到原子核的稳定性。

    具体可参考本人回答:

    原子核内为什么基本都是一个质子一个中子的的比例?

    阅读原文
     
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