핵력

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핵력(또는 핵자-핵자 상호작용, 잔류강력 또는 역사적으로 강한 핵력)은 원자의 양성자와 중성자 사이에 작용하는 힘이다.중성자와 양성자는 둘 다 핵력의 영향을 거의 비슷하게 받는다.양성자는 +1 e의 전하를 가지고 있기 때문에, 그들은 그들을 밀어내는 경향이 있는 전기력을 경험하지만, 짧은 거리에서는 끌어당기는 핵력이 전자기력을 극복할 수 있을 만큼 강하다.핵력은 핵자를 원자핵에 결합시킨다.

핵력은 약 1펨토미터(fm 또는⁻¹⁵ 10m) 거리에서는 핵자 사이에 강력한 매력을 가지지만, 약 2.5fm 이상의 거리에서는 중요하지 않을 정도로 급격히 감소한다.0.7 fm 미만의 거리에서는 핵력이 반발하게 된다.이 반발은 핵자가 힘이 허락하는 것보다 더 가까이 올 수 없기 때문에 핵의 크기에 책임이 있다.(앙스트롬(10m⁻¹⁰) 단위로 측정한 원자의 크기는 5차 크기입니다.)핵력은 핵자 스핀에 따라 달라지고, 텐서 성분이 있으며,^[2] 핵자의 상대 운동량에 따라 달라질 수 있기 때문에 간단하지 않다.

핵력은 핵발전과 핵무기에 사용되는 에너지를 저장하는 데 필수적인 역할을 한다.하전 양성자를 전기 반발에 대항하기 위해 작업(에너지)이 필요하다.이 에너지는 양성자와 중성자가 핵력에 의해 결합되어 핵을 형성할 때 저장된다.핵의 질량은 양성자와 중성자의 개별 질량의 합계보다 작다.질량의 차이는 질량 결함으로 알려져 있으며, 이는 에너지 등가물로 표현될 수 있습니다.에너지는 무거운 핵이 두 개 이상의 가벼운 핵으로 분열될 때 방출된다.이 에너지는 핵력이 하전된 핵 파편을 ^[3][4]더 이상 함께 고정시키지 않을 때 방출되는 전자파 위치 에너지입니다.

핵력에 대한 정량적 설명은 부분적으로 경험적인 방정식에 의존한다.이러한 방정식은 핵간 전위 에너지 또는 전위를 모델링합니다. (일반적으로, 입자의 시스템 내의 힘은 시스템의 전위 에너지를 설명함으로써 더 간단하게 모델링될 수 있습니다; 전위의 음의 구배는 벡터 힘과 같습니다.)방정식의 상수는 현상학적이며, 즉 실험 데이터에 방정식을 적합시킴으로써 결정됩니다.핵간 전위는 핵자-핵자 상호작용의 특성을 설명하려고 시도한다.일단 결정되면, 주어진 전위는 예를 들어, 핵자 시스템의 양자 역학적 특성을 결정하기 위해 슈뢰딩거 방정식에서 사용될 수 있다.

1932년 중성자의 발견은 원자핵이 양자와 중성자로 만들어졌으며, 이는 끌어당기는 힘에 의해 결합되어 있다는 것을 밝혀냈다.1935년까지 핵력은 중간자라고 불리는 입자에 의해 전달되는 것으로 생각되었다.이러한 이론적 발전에는 핵 잠재력의 초기 예인 유카와 잠재력에 대한 기술이 포함되었다.예측에 부합하는 파이온은 1947년에 실험적으로 발견되었다.1970년대에 이르러 중간자와 핵자가 쿼크와 글루온으로 구성된 것으로 보이는 쿼크 모델이 개발되었다.이 새로운 모델에 따르면, 인접한 핵자 사이의 중간자 교환에서 발생하는 핵력은 강한 힘의 잔존^[vague] 효과이다.

묘사

핵력은 보통 핵자와 연관되어 있지만, 보다 일반적으로 이 힘은 강입자 또는 쿼크로 구성된 입자 사이에서 느껴집니다.핵자 사이의 작은 간격(스핀 정렬에 따라 중심 간 약 0.7 fm 미만)에서 힘은 반발력을 가지며, 이는 핵자를 일정한 평균 간격으로 유지합니다.동일한 핵자(예: 중성자 2개 또는 양성자 2개)의 경우 이 반발은 파울리 배제력에서 발생한다.파울리 반발은 다른 핵자(양성자와 중성자)의 같은 맛의 쿼크 사이에서도 발생한다.

전계 강도

0.7 fm보다 큰 거리에서 힘은 스핀 정렬된 핵자 사이에 끌어당겨 약 0.9 fm의 중심-중심 거리에서 최대가 된다.이 거리를 넘어서는 힘은 기하급수적으로 감소하며, 약 2.0 fm 분리가 될 때까지 힘은 무시할 수 있습니다.핵자의 반지름은 약 0.8 ^[5]fm이다.

단거리(1.7fm 이하)에서는 유인력이 양성자 사이의 반발력보다 강하기 때문에 핵 내에서 양성자의 반발을 극복한다.그러나, 양성자 사이의 쿨롱 힘은 전하 분리의 역제곱에 따라 변화하기 때문에 훨씬 더 큰 범위를 가지며, 따라서 쿨롱 반발력은 양성자 간의 거리가 약 2에서 2.5 fm을 초과할 때 양성자 사이의 유일한 중요한 힘이 된다.

핵력은 스핀 의존적인 요소를 가지고 있다.힘은 스핀이 반정렬인 입자보다 스핀이 정렬된 입자에 더 강합니다.두 개의 중성자 또는 두 개의 양성자와 같이 두 개의 입자가 같은 경우, 같은 유형의 두 입자의 스핀 벡터는 입자가 서로 가까이 있고 같은 양자 상태에 있을 때 반대 방향을 가리켜야 하기 때문에 힘은 입자를 결합하기에 충분하지 않습니다.페르미온에 대한 이 요건은 파울리 배타 원리에서 비롯된다.양성자와 중성자와 같이 다른 형태의 페르미온 입자의 경우, 입자는 파울리 배타 원리를 위반하지 않고 서로 가까이 있을 수 있고 정렬된 스핀을 가질 수 있으며, 핵력은 스핀 정렬된 입자에 대해 핵력이 훨씬 강하기 때문에 (이 경우 중수소로) 결합할 수 있다.하지만 입자의 스핀이 반정렬이 되면 핵력은 너무 약해서 서로 다른 종류일지라도 결합할 수 없다.

핵력은 또한 단순한 구형 형태에서 변형되는 핵자 스핀과 핵자의 각 운동량 사이의 상호작용에 의존하는 텐서 성분을 가지고 있다.

핵결합

핵을 결합되지 않은 양성자와 중성자로 분해하려면 핵력에 대항하는 작업이 필요하다.반대로, 에너지는 핵이 자유핵이나 다른 핵으로부터 생성될 때 방출된다: 핵 결합 에너지.질량-에너지 당량(예: 아인슈타인의 공식 E = mc²) 때문에, 이 에너지를 방출하면 핵의 질량이 개별 핵자의 총 질량보다 낮아져 소위 "질량 결함"^[6]으로 이어진다.

핵력은 핵자가 중성자인지 양성자인지와 거의 독립적이다.이 속성을 전하 독립이라고 합니다.힘은 핵자의 스핀이 평행인지 반평행인지에 따라 달라지는데, 이는 핵자가 중심 또는 텐서 성분을 가지고 있기 때문이다.힘의 이 부분은 궤도 각운동량을 보존하지 않으며, 중심력의 작용에 의해 보존된다.

Werner Heisenberg가 제안한 강력한 힘의 대칭은 양자와 중성자가 전하 이외의 모든 면에서 동일하다는 것입니다.이것은 완전히 사실이 아닙니다. 왜냐하면 중성자는 조금 더 무겁기 때문입니다. 하지만 이것은 대략적인 대칭입니다.따라서 양성자와 중성자는 같은 입자로 간주되지만, 서로 다른 아이소스핀 양자수를 가지고 있습니다; 전통적으로, 양성자는 아이소스핀 위, 중성자는 아이소스핀 아래입니다.입자들 간의 다른 상호작용이 SU(2) 내적 스핀의 변환에서 불변하는 것처럼 강한 힘은 SU(2) 이소스핀 변환에서 불변합니다.즉, 이소스핀 변환과 내인성 스핀 변환은 모두 SU(2) 대칭군과 동형이다.상호작용하는 입자 집합의 총 아이소스핀이 0일 때만 강한 흡인력이 있다는 것이 ^[7]실험으로 확인되었다.

원자력에 대한 우리의 이해는 빛핵의 결합 에너지와 산란 실험을 통해 얻어진다.

핵력은 가상 파이온과 같은 가상 빛 중간자와 스핀(벡터 중간자), 로 중간자 및 오메가 중간자의 두 가지 유형의 교환에 의해 발생합니다.벡터 중간자는 이 "가상 중간자" 그림에서 핵력의 스핀 의존성을 설명한다.

핵력은 역사적으로 약한 핵력으로 알려져 있던 것과는 다르다.약한 상호작용은 네 가지 기본 상호작용 중 하나이며 베타 붕괴와 같은 과정에서 역할을 합니다.약한 힘은 핵자의 상호작용에 아무런 역할을 하지 않지만, 중성자가 양성자로 붕괴하는 원인이 되기도 하고 그 반대도 마찬가지입니다.

역사

1932년 제임스 채드윅의 중성자 발견으로 핵력은 핵물리학의 중심이었다.핵물리학의 전통적인 목표는 핵자 쌍, 즉 핵자-핵자 힘(NN 힘) 사이의 '나체' 상호작용의 관점에서 원자핵의 특성을 이해하는 것이다.

중성자 발견 후 몇 달 안에 베르너 하이젠베르크와^[8][9][10] 드미트리^[11] 이바넨코는 ^[12]핵에 양성자-중성자 모델을 제안했다.하이젠베르크는 양자역학을 통해 핵에 있는 양성자와 중성자의 묘사에 접근했는데, 이 접근법은 당시에는 전혀 분명하지 않았다.핵의 양성자와 중성자에 대한 하이젠베르크의 이론은 "핵을 양자역학 ^[13]시스템으로 이해하기 위한 중요한 단계"였다.하이젠베르크는 핵자를 결합하는 핵 교환력의 첫 번째 이론을 도입했다.그는 양성자와 중성자가 동일한 입자의 서로 다른 양자 상태, 즉 핵 아이소스핀 양자 수 값에 의해 구별되는 핵자라고 생각했다.

핵의 초기 모델 중 하나는 1930년대에 개발된 액체 방울 모델이었다.원자핵의 한 가지 특성은 핵자당 평균 결합 에너지가 액체 방울과 유사한 모든 안정적인 원자핵에서 거의 같다는 것입니다.액체 방울 모형은 핵자가 액체 속의 분자처럼 반응하는 비압축성 핵 액체의 방울로 핵을 다루었다.이 모델은 조지 가모프에 의해 처음 제안되었고 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 칼 프리드리히 폰 바이제커에 의해 개발되었다.이 조잡한 모형은 핵의 모든 성질을 설명하지는 않았지만, 대부분의 핵의 구형 모양을 설명했습니다.이 모델은 또한 핵의 결합 에너지에 대한 좋은 예측을 제공하였다.

1934년, 유카와 히데키는 핵력의 본질을 설명하기 위한 최초의 시도를 했다.그의 이론에 따르면, 거대한 보손이 두 핵자 사이의 상호작용을 중재한다.양자 색역학(QCD)과 더 나아가 표준 모델에 비추어 메손 이론은 더 이상 기본 이론으로 인식되지 않습니다.그러나 중간자 교환 개념(강입자가 기본 입자로 취급됨)은 정량적 NN 잠재력에 대한 최상의 작동 모델을 계속 나타냅니다.유카와 퍼텐셜(스크린드 쿨롱 퍼텐셜이라고도 함)은 다음 형태의 퍼텐셜이다.

$\displaystyle V_{\text{유카와}(r)=-g^{2}{\frac {e^{-\mu r}}{r}},$

여기서 g는 진폭 스케일링 상수, $즉{\displaystyle }$ 전위의 진폭,$$μ {\$displaystyle \mu}$는 유카와 입자 질량, r은 입자까지의 반경 거리입니다.잠재력이 단조롭게 증가하므로 힘은 항상 매력적입니다.상수는 경험적으로 결정된다.유카와 전위는 입자 사이의 거리 r에만 의존하기 때문에 중심력을 모델링합니다.

1930년대 내내 콜롬비아 대학의 한 그룹이 I가 이끌었다. I. Rabi는 핵의 자기 모멘트를 결정하기 위해 자기 공명 기술을 개발했다.이러한 측정은 1939년 중수소가 전기 4극 ^[14][15]모멘트를 가지고 있다는 것을 발견하게 했다.이 중수소의 전기적 특성은 라비 그룹의 측정을 방해했다.양성자와 중성자로 구성된 중수소는 가장 단순한 핵 시스템 중 하나이다.이 발견은 중수소의 물리적 형태가 대칭적이지 않다는 것을 의미했고, 이것은 핵 결합 핵자의 성질에 대한 귀중한 통찰력을 제공했다.특히, 그 결과 핵력은 중심력이 아니라 텐서 ^[1]특성을 가진 것으로 나타났다.한스 베테는 중수소의 4극 모멘트의 발견을 핵물리학의 ^[14]형성기에 일어난 중요한 사건들 중 하나로 확인했습니다.

역사적으로 핵력을 현상학적으로 기술하는 작업은 만만치 않았다.최초의 반경험적 정량적 모델은 1950년대 중반에 ^[1]등장했는데, 예를 들어 우즈-색슨 잠재력(1954년)이 그것이다.1960년대와 1970년대에는 핵력과 관련된 실험과 이론에서 상당한 진전이 있었다.영향력 있는 모델 중 하나는 리드 잠재력(1968년)^[1]이다.

${\displaystyle V_{\text{Reid}}(r)=-10.463{\frac {e^{-\mu r}}{\mu r}}-1650.6gfrac {e^{-4\mu r}}{\mu r}}+6484.2gfrac {e^{-7\mu r}}{\mu r}},$

$여기$서 μ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle 0.{\text{7}}^{}}$fm -$$ {\$displaystyle \mu = 0.7(text{fm}}^{-1}}})$ 및$$ 전위가 MeV 단위로 주어지는 위치.최근 years,[언제?]실험자들에는 핵력의는 책임에 대한 의존도, πNN 연결 장치의 정확한 가치를 상수로, 향상된 위상 변이 분석,high-precision 데이터,high-precision 주고 잠재력, 그리고 높은 중간 에너지에서 잘 자라 산란과 핵력을 유도하기 위해 시도하고 같은 세밀 함들이에 집중해 왔다. 부터QCD.^{[citation needed]}

강력한 힘의 잔존물로서의 핵력은

핵력은 보다 근본적인 강한 힘 또는 강한 상호작용의 잔존 효과이다.강한 상호작용은 쿼크라고 불리는 소립자를 서로 결합시켜 핵자(원자와 중성자)를 형성하는 유인력이다.자연의 기본 힘 중 하나인 이 보다 강력한 힘은 글루온이라고 불리는 입자에 의해 매개된다.글루온은 전하와 비슷하지만 훨씬 강한 색 전하를 통해 쿼크를 함께 유지합니다.쿼크, 글루온, 그리고 그 역학들은 대부분 핵자에 국한되어 있지만, 잔류 영향은 핵자의 경계를 약간 넘어 핵력을 발생시킨다.

핵자 사이에서 발생하는 핵력은 화학에서 중성 원자나 분자 사이의 런던 분산력이라고 불리는 힘과 유사합니다.원자 사이의 그러한 힘은 원자 자체를 함께 고정시키는 매력적인 전기력보다 훨씬 약하고, 중성 ^{[further explanation needed]}원자 내부의 전하 분리에 의해 발생하기 때문에 원자 사이의 거리가 더 짧습니다.마찬가지로, 핵자가 대부분의 글루온 힘을 상쇄하는 조합으로 쿼크로 만들어졌음에도 불구하고, 쿼크와 글루온의 조합은 한 핵자에서 다른 핵자로 확장되는 단거리 핵력장의 형태로 핵자로부터 누출된다.이러한 핵력은 핵자 내부의 직접 글루온 힘("색깔 힘" 또는 강한 힘)에 비해 매우 약하며, 핵력은 거리에 따라 기하급수적으로 감소하면서 몇 개의 핵 직경만 확장한다.그럼에도 불구하고, 그들은 짧은 거리에 걸쳐 중성자와 양성자를 결합할 수 있을 정도로 강하며, 핵에 있는 양성자 사이의 전기적 반발을 극복합니다.

때때로 핵력은 QCD에서 발생하는 강한 상호작용과는 대조적으로 잔류 강력이라고 불린다.이 표현은 QCD가 설립되던 1970년대에 생겨났다.그 이전에는 강한 핵력은 핵간 잠재성을 의미했다.쿼크 모델을 검증한 후 강력한 상호작용이 QCD를 의미하게 되었습니다.

핵자-핵자 전위

중수소 원자의 핵인 중수소와 같은 2핵 시스템과 양성자-양성자 또는 중성자-양성자 산란은 NN 힘을 연구하는 데 이상적이다.이러한 시스템은 (유카와 전위와 같은) 전위를 핵자에 귀속시키고 슈뢰딩거 방정식의 전위를 사용함으로써 설명할 수 있다.전위의 형태는 (측정을 통해) 현상학적으로 도출되지만, 장거리 상호작용의 경우 중간자 교환 이론이 전위를 구성하는 데 도움이 된다.전위의 매개변수는 듀테론 결합 에너지 또는 NN 탄성 산란 단면과 같은 실험 데이터에 적합함으로써 결정된다(또는 이 문맥에서는 소위 NN 위상 편이라고 불린다).

가장 널리 사용되는 NN 전위는 파리 전위, Argonne AV18 ^[16]전위, CD-Bonn 전위 및 Nijmegen 전위입니다.

보다 최근의 접근법은 핵-핵자와 3핵자의 힘을 일관되게 설명하기 위한 효과적인 자기장 이론을 개발하는 것이다.양자강체역학은 핵력에 대한 효과적인 자기장 이론으로, 색상 상호작용에 대한 QCD와 전자기 상호작용에 대한 QED에 필적합니다.또한, 키랄 대칭 파괴는 교환 입자로써 파이온을 가진 핵자 사이의 상호작용의 섭동 계산을 가능하게 하는 효과적인 장 이론(키랄 섭동 이론이라고 불린다)의 관점에서 분석될 수 있다.

핵자에서 핵자로

핵물리학의 궁극적인 목표는 핵자 간의 기본 상호작용으로부터 모든 핵 상호작용을 설명하는 것이다.이것은 핵물리학의 미시적 또는 초기적 접근법이라고 불린다.극복해야 할 두 가지 주요 장애물이 있습니다.

• 다체 시스템의 계산은 (다중 입자 상호작용 때문에) 어렵고 고급 계산 기술이 필요합니다.
• 3핵자의 힘(그리고 아마도 더 높은 다입자 상호작용)이 중요한 역할을 한다는 증거가 있다.즉, 3핵 전위가 모델에 포함되어야 합니다.

이는 핵 셸 구조의 제1원칙 계산을 더 잘 할 수 있도록 컴퓨터 기술의 지속적인 발전을 수반하는 활발한 연구 영역이다.A = 12까지 핵종에 대해 2와 3의 전위가 구현되었다.

핵잠재력

핵 상호작용을 설명하는 성공적인 방법은 핵의 모든 구성 요소를 고려하는 대신 전체 핵에 대해 하나의 잠재력을 구성하는 것이다.이것은 거시적 접근법이라고 불립니다.예를 들어 핵으로부터의 중성자 산란은 핵의 전위에서의 평면파를 고려함으로써 기술할 수 있다.이 모델은 불투명한 유리 구에 의해 산란되는 빛의 경우와 비슷하기 때문에 종종 광학 모델이라고 불립니다.

핵잠재력은 국지적 또는 전지구적일 수 있다. 국지적 잠재력은 좁은 에너지 범위 및/또는 좁은 핵질량 범위로 제한되는 반면, 더 많은 매개변수를 가지고 있고 일반적으로 덜 정확한 전지구적 잠재력은 에너지와 핵질량의 함수이므로 더 넓은 범위에서 사용될 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

• 물리 포털
• 핵결합 에너지

레퍼런스

참고 문헌

추가 정보

• 루프레흐트 마클레이트, "핵군", Scholarpedia, 9 (1) 30710. doi:10.4249/scholarpedia.30710.