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是什么力让原子核中的质子紧挨在一起? 第1页

  

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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。

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( ,即 ),

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 介子。

(图片来自[1]

介子一共有三种:中性介子、带正电性介子以及带负电介子。

(分别记为: , , )

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 介子是有质量的,

强力的传播距离与 介子质量的关系为:

其中 为介子质量, 为光速, 为约化普朗克常数 .

经过简单的估算就可以知道,

[2]

1947年,带电介子在宇宙射线中被发现,其质量为 (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]

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、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、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)。

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),

是由正反上下夸克对构成( , 代表反上夸克),

由一个上夸克和一个反下夸克构成,

由一个下夸克和一个反上夸克构成。

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

(上图来自[4]

图中演示了质子和中子交换了一个而产生的强力。

这一点也可以通过费曼图来展现[4]

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:


推荐两本书,喜欢的可以看看哦~

我的上一个回答 (*^▽^*) 我的下一个回答

参考

  1. ^ https://www.britannica.com/biography/Yukawa-Hideki
  2. ^ MeV, 高能物理中常用的质量/能量单位,比如,电子的质量为0.511 MeV
  3. ^ https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1949/summary/
  4. ^ a b https://en.wikipedia.org/wiki/Pion#History



  

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