质子和中子,是怎样通过强核力结合在一起的

强核力(Strong nuclear force)是原子核内把质子和质子,质子与中子结合在一起的一种力。没有这种力,质子和中子就会像一盘散沙。我们知道,质子之间是相斥的,而电中性的中子之间不存在电力。强力超过了质子之间的斥力。质子和中子在强相互作用下,表现出相似的特性。所以质子和中子也被称为核子。

质子和中子,是怎样通过强核力结合在一起的

中子的质量要比质子大,因为一个自由中子会衰变成一个质子加一个电子和反中微子。强力虽然能把核子结合在一起,但是它们的彼此的距离应靠的非常非常地近。实验证明,核子之间强力的“范围”是10∧—15/M(一根头发丝的直径为6×10∧-5/M) 多一点,超过这一范围,强力马上锐减为零。

1935年,日本物理学家汤川秀树(1907年—1981年)提出了核子之间的强力来自“介子场”的交换。根据强力的作用范围,他推断出介子没有质量,像光子一样服从1/r∧2的无穷大的作用范围。

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质子和中子通过介子交换

然而,如果量子有质量,那么量子之间的作用力,根据海森堡的不确定原理必须是有限的。被释放的粒子的质量越大,其存在的时间也就越短,作用力的范围也就越小。1941年介子被发现,其测量的质量与汤川秀树所测的十分接近。

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强子间的相互作用

下面小编就以一个质子和一个中子的结合为例,描述一下俩个核子的结合过程:当质子和中子紧靠在一起,其距离小于力的作用范围(10∧—15/M)时,它们就能相互联接,形成一种叫“氚核”的原子核,并在这一过程中释放一个光子。氚核的静止能量要小于自由质子和中子的静止能量之和,两者的能量差即为“结合能”。此能量也成为了质子和中子结合与分开的临界值。而质子和中子结合成氚核的部分过程被认为发生了介子的交换,交换不同的介子,它们的身份会随之改变。

随着不断有新的核子加入结合,原子核的结合能也越来越大。但是核力的范围是有限的,当原子核的核子越来越多时,它的体积也在扩大。结果位于原子核外端的核子因为无法接受到另一端核子的作用力,这时质子之间的库仑斥力起作用,终结了核子之间的结合。

核子之间结合的顶点是铁的一个同位素(56Fe),是目前发现的核子数最多的物质了。

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核聚变过程

核子这一结合的过程也称核聚变,是我们赖以生存的,太阳能量的最主要的来源。在太阳的核心,大部分的氢原子与它们的电子是分离的,以质子的状态游离,在一定的条件下,4个质子能经过多步骤融合成一个氦原子核,这一过程中之前的四个质子会损失不到1%的质量,根据爱因斯坦的质能转化公式Emc^2,这一小部分质量会释放出巨大的能量。

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夸克

当然,强核力不止作用于质子和中子,自1947年发现与核子作用的π介子以后,实验陆续发现包括夸克在内的几百种有强相互作用的粒子,这些粒子统称为强子。


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