Glavni Reference Kaj je močna sila?

Kaj je močna sila?

Protoni, sestavljeni iz treh kvarkov, trčijo

Protoni, sestavljeni iz treh kvarkov, trčijo. Kvarke drži skupaj močna jedrska sila, ki jo prenašajo gluoni. (Zasluge za sliko: MARK GARLICK/ZNANSTVENA KNJIŽNICA FOTOGRAFIJ prek Getty Images)

Skočiti:

Močna sila ali močna jedrska sila je ena odštiri temeljne silenarave, skupaj zgravitacija, elektromagnetizem in šibka sila. Kot že ime pove, je močna sila najmočnejši sila štirih. Veže osnovne delce snovi, znane kot kvarke, v večje delce.

Močna sila v standardnem modelu

Vladajoča teorija fizike delcev jeStandardni model, ki opisuje osnovne gradnike snovi in ​​njihovo medsebojno delovanje. Teorija je bila razvita v zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in se je sčasoma in s številnimi poskusi uveljavila kot dobro preizkušena fizikalna teorija, pravi CERN (odpre se v novem zavihku), Evropska organizacija za jedrske raziskave.

V skladu s standardnim modelom, eden najmanjših, najbolj temeljnihelementarni delci, ali tistih, ki jih ni mogoče razdeliti na manjše dele, je kvark. Ti delci so gradniki razreda masivnih delcev, znanih kot hadroni, ki vključujejo protone in nevtrone. Znanstveniki niso opazili nobenega znaka, da obstaja kaj manjšega od kvarka, vendar še vedno iščejo.

Močna sila je bila najprej predlagana za razlago, zakaj atomska jedra ne razletijo. Zdelo se je, da bodo to storili zaradi odbojne elektromagnetne sile med pozitivno nabitimi protoni, ki se nahajajo v jedru. Fiziki so pozneje ugotovili, da močna sila ne le drži jedra skupaj, ampak je odgovorna tudi za vezavo kvarkov, ki sestavljajo hadrone.

'Močne interakcije sil so pomembne pri … držanju hadronov skupaj,' glede na ' Štiri sile (odpre se v novem zavihku),« gradivo za tečaj fizike z univerze Duke. 'Temeljna močna interakcija drži skupaj sestavne kvarke hadrona, preostala sila pa drži hadrone skupaj med seboj, kot so proton in nevtroni v jedru.'

Kvarki in hadroni

Kvarke so teoretizirali leta 1964 neodvisno fizika Murray Gell-Mann in George Zweig, fizik pa je delce prvič opazoval v Nacionalnem laboratoriju Stanford Linear Accelerator National Laboratory leta 1968. Nobelova fundacija (odpre se v novem zavihku), je Gell-Mann izbral ime, ki naj bi izhajalo iz pesmi v romanu 'Finnegans Wake' Jamesa Joycea:

'Trije kvarki za Muster Marka! Seveda nima veliko lajanja, in seveda, če ga ima, je skoraj vse v redu. '

Eksperimenti v pospeševalnikih delcev v 50. in 60. letih prejšnjega stoletja so pokazali, da so protoni in nevtroni zgolj predstavniki velike družine delcev, ki jih zdaj imenujemo hadroni. Po knjigi je bilo doslej odkritih več kot 100 [zdaj več kot 200] hadronov, ki jih včasih imenujemo 'hadronski živalski vrt'. Delci in jedra: Uvod v fizikalne pojme « (Springer, 2008).

Znanstveniki so podrobno opisali načine, kako kvarki sestavljajo te hadronske delce. 'Obstajata dve vrsti hadronov: barioni in mezoni,' je zapisala Lena Hansen v ' Barvna sila (odpre se v novem zavihku),« dokument, ki ga je na spletu objavila univerza Duke. 'Vsak barion je sestavljen iz treh kvarkov, vsak mezon pa je sestavljen iz kvarka in antikvarka,' kjer je antikvark antimaterija dvojnik kvarka z nasprotnim električnim nabojem. Barioni so razred delcev, ki ga sestavljajo protoni in nevtroni. Mezoni so kratkoživi delci, ki nastanejo v velikih pospeševalnikih delcev in v interakcijah z visokoenergijskimi kozmični žarki .

Arome in barve Quark

Ilustracija kvarkov

Kvarki so različnih okusov.(Zasluge za sliko: Shutterstock)

Kvarki so na voljo v šestih različicah, ki jih fiziki imenujejo 'okusi'. V vrstnem redu naraščajoče mase jih imenujemo gor, dol, čudno, šarm, dno in vrh. Gornji in spodnji kvarki so stabilni in sestavljajo protone in nevtrone,Live Science je že poročal. Na primer, proton je sestavljen iz dveh zgornjih kvarkov in spodnjega kvarka ter je označen kot (uud).

Druge, masivnejše arome nastanejo le pri visokoenergijskih interakcijah in izredno hitro razpadejo. Običajno jih opazimo v mezonih, ki lahko vsebujejo različne kombinacije okusov kot pari kvark-antikvark. Zadnjega od teh, top kvarka, sta leta 1973 teoretizirala Makoto Kobayashi in Toshihide Maskawa, vendar so ga opazili šele leta 1995 v poskusu pospeševalnika v Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Kobayashi in Maskawa sta bila nagrajena Nobelova nagrada za fiziko 2008 (odpre se v novem zavihku)za njihovo napoved.

Kvarki imajo še eno lastnost, prav tako s šestimi manifestacijami. Ta lastnost je bila označena kot 'barva', vendar je ne smemo zamenjevati s splošnim razumevanjem barve. Šest manifestacij se imenuje rdeča, modra, zelena, antirdeča, antimodra in antizelena. Antibarve sodijo, primerno, med antikvarke. Barvne lastnosti pojasnjujejo, kako lahko kvarki upoštevajo Paulijevo izključitveno načelo, ki pravi, da dva enaka predmeta ne moreta zasedati istega kvantnega stanja, je dejal Hansen. To pomeni, da morajo imeti kvarki, ki sestavljajo isti hadron, različne barve. Tako so vsi trije kvarki v barionu različnih barv, mezon pa mora vsebovati obarvan kvark in antikvark ustrezne protibarve.

Gluoni in močna sila

Delci snovi prenašajo energijo z izmenjavo delcev, ki prenašajo silo, znanih kot bozoni, med seboj. Močno silo prenaša vrsta bozona, imenovana 'gluon', imenovana tako, ker ti delci delujejo kot 'lepilo', ki drži skupaj jedro in njegove sestavne barione. Pri privlačnosti med dvema kvarkoma se dogaja nenavadna stvar: močna sila se ne zmanjšuje z razdaljo med delcema, kot se zmanjšuje elektromagnetna sila; pravzaprav se povečuje, bolj podobno raztezanju mehanske vzmeti.

Tako kot pri mehanski vzmeti obstaja omejitev razdalje, na kateri sta lahko dva kvarka ločena drug od drugega, kar je približno premer protona. Ko je ta meja dosežena, se ogromna energija, potrebna za dosego ločitve, nenadoma pretvori v maso v obliki para kvark-antikvark. Ta pretvorba energije v maso se zgodi v skladu z Einstein znana enačba IN = mc 2 - ali v tem primeru m = E/c 2 - kje IN je energija, m je masa, in c je svetlobna hitrost. Ker se ta pretvorba zgodi vsakič, ko poskušamo kvarke ločiti drug od drugega, prostih kvarkov nismo opazili in fiziki ne verjamejo, da obstajajo kot posamezni delci. V svoji knjigi ' Gauge Theories of the Strong, Weak and Electromagnetic Interactions: Druga izdaja (odpre se v novem zavihku)' (Princeton University Press, 2013), Chris Quigg iz Fermilaba pravi: 'Dokončno opazovanje prostih kvarkov bi bilo revolucionarno.'

Preostala močna sila

Ko so trije kvarki povezani v proton ali nevtron, je močna sila, ki jo proizvajajo gluoni, večinoma nevtralizirana, ker skoraj vsa gre proti vezavi kvarkov skupaj. Posledično je sila omejena večinoma znotraj delca. Vendar majhen del sile deluje zunaj protona ali nevtrona. Ta del sile lahko deluje med protoni in nevtroni, skupaj znani kot nukleoni.

Po Constantinosu G. Vayenasu in Stamatiosu N.-A. Souentie v svoji knjigi Gravitacija, posebna relativnost in močna sila (odpre se v novem zavihku)« (Springer, 2012), »je postalo očitno, da je sila med nukleoni rezultat ali stranski učinek močnejše in bolj temeljne sile, ki povezuje kvarke v protone in nevtrone.« Ta 'stranski učinek' se imenuje 'preostala močna sila' ali 'jedrska sila' in je tisto, kar drži atomska jedra skupaj kljub odbojni elektromagnetni sili med pozitivno nabitimi protoni, ki jih potisne narazen.

Za razliko od močne sile pa preostala močna sila hitro pade na kratkih razdaljah in je pomembna samo med sosednjimi delci v jedru. Odbojna elektromagnetna sila pa upada počasneje, zato deluje čez celotno jedro. Zato v težkih jedrih, zlasti tistih z atomskim številom, večjim od 82 (svinec), medtem ko jedrska sila na delec ostaja skoraj konstantna, skupna elektromagnetna sila na ta delec narašča z atomskim številom do te mere, da lahko sčasoma potisne jedro narazen. 'Cepitev lahko razumemo kot 'vlečenje vrvi' med močno privlačno jedrsko silo in odbojno elektrostatično silo,' pravi nacionalni laboratorij Lawrence-Berkeley. ABC jedrske znanosti (odpre se v novem zavihku). 'Pri reakcijah cepitve zmaga elektrostatično odbijanje.'

Energija, ki se sprosti ob pretrganju vezi preostale močne sile, je v obliki delcev z visoko hitrostjo ingama žarki, ki proizvaja tako imenovano radioaktivnost. Trki z delci iz razpada bližnjih jeder lahko pospešijo ta proces in povzročijo jedrsko verižno reakcijo. Energija iz cepitve težkih jeder, kot sta uran-235 in plutonij-239, je tisto, kar poganja jedrske reaktorje inatomske bombe.

Omejitve standardnega modela

Standardni model poleg vseh znanih in predvidenih subatomskih delcev vključuje močne in šibke sile ter elektromagnetizem in pojasnjuje, kako te sile delujejo na delce snovi. Vendar teorija ne vključujegravitacija. Umestitev gravitacijske sile v okvir modela je desetletja begala znanstvenike. Toda glede na CERN je učinek gravitacije na lestvici teh delcev tako majhen, da model deluje dobro kljub izključitvi te temeljne sile.

Dodatni viri

CERN je ustvaril bogato spletno stran, ki opisuje vso zapletenost naših prizadevanj, da bi razumeli močno silo, ki lahko vidite tukaj (odpre se v novem zavihku). Ogledate si lahko tudi interaktivne predstavitve v spletu ali prek aplikacije, ki je na voljo Pustolovščina delcev (odpre se v novem zavihku). Če ste bolj razpoloženi za poslušanje, oglejte si to epizodo podcasta (odpre se v novem zavihku)kopanje v močno silo.

Bibliografija

Constantinos, G. et al. Gravitacija, posebna relativnost in močna sila (Springer Science & Business Media, 2012)

Quigg, C. Meritvene teorije močnih, šibkih in elektromagnetnih interakcij (Princeton University Press, 2013)

Povh, B. et al. Delci in jedra: Uvod v fizikalne pojme (Springer Science & Business Media, 2008)

Thacker, T. (1995, 29. januar) Štiri sile https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/forces.html#005 (odpre se v novem zavihku)

Hansen, L. (1997, 27. februar) Barvna sila https://webhome.phy.duke.edu/~kolena/modern/hansen.html (odpre se v novem zavihku)

Zanimivi Članki