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。
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,
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]。
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]:
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:
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