Yukawa-potentiale

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 14. februar 2021; verifikation kræver 1 redigering .

Yukawa-potentialet er et skalært modelpotentiale til at beskrive den stærke interaktion mellem hadroner .

Interaktionsenergien mellem hadroner, udtrykt i form af Yukawa - potentialet, ser ud

hvor g er en konstant, der angiver den nukleare interaktionsintensitet , k er en konstant med den reciprokke længdedimension , der angiver interaktionsradius. Minustegnet angiver tiltrækning.

Fysisk natur

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, efter opdagelsen af ​​protoner og neutroner , blev det klart, at atomkerner udelukkende består af disse partikler, kaldet nukleoner eller hadroner . I betragtning af den lille størrelse af kernerne af atomer (af størrelsesordenen et femtometer ), opstod spørgsmålet om, hvilke kræfter der er i stand til at holde ens ladede partikler i kernen, fordi Coulomb-frastødningen mellem dem er meget, meget betydelig. Denne interaktion har fået det generelle navn for den stærke interaktion. Den første stærke kraftmodel blev foreslået af Hideki Yukawa .

I 1934 foreslog Yukawa, at den stærke interaktion udføres gennem en form for felt, på samme måde som interaktionen mellem ladninger udføres gennem et elektromagnetisk felt . Men den stærke interaktion er karakteriseret ved en meget lille aktionsradius, derfor foreslog han i stedet for Coulomb-potentialet at bruge et potentiale, hvis størrelse aftager med afstanden ifølge en eksponentiel lov. I dette tilfælde, ved afstande mindre end 1/k, når eksponenten ændrer sig lidt, er der en tiltrækning mellem hadronerne, der minder om Coulomb. Ved afstande meget større end 1/k falder interaktionen hurtigt.

Yukawa foreslog at kalde feltet, på grund af hvilket den stærke vekselvirkning opstår, mesotron, og følgelig kaldes dette felts kvantum for mesotronen. Eksperter i det græske sprog har dog rettet disse navne, og nu hedder feltet meson , og partiklerne, der er dets kvanter, er mesoner .

I Yukawas teori blev mesonfeltet beskrevet af et vist potentiale Φ, som opfylder ligningen

,

hvor ρ er fordelingstætheden af ​​hadronisk stof. Denne ligning ligner Poisson-ligningen i elektrostatik . For et punkt-hadron har løsningen af ​​denne ligning formen ovenfor.

Derudover ligner den Klein-Gordon-ligningen , som i relativistisk kvantemekanik beskriver bølgefunktionen af ​​en spinløs partikel ( boson ):

,

hvor c er lysets hastighed , er den reducerede Planck-konstant , og m er massen af ​​bosonen.

Ved at sammenligne disse ligninger fandt Yukawa ud af, at massen af ​​en meson kan bestemmes ved hjælp af formlen: .

Derudover beskriver konstanten 1/k radius for interaktion mellem nukleoner, og bestemmer derfor radius af kernen. Ved at kende radius af kernen kan man estimere massen af ​​mesonen. Estimater af massen gav en værdi omkring 200 gange større end elektronens masse.

Opdagelse af mesoner

Først troede man, at myonen var den hypotetiske meson, der var ansvarlig for den stærke kraft , men eksperimenter viste hurtigt, at myonen ikke deltager i den stærke kraft. Kun et par år senere blev en ny elementær partikel , pionen , opdaget , hvilket bekræfter Yukawas antagelse om eksistensen af ​​sådanne felter. Det blev hurtigt klart, at der var tre forskellige typer pioner, og nye typer mesoner blev opdaget . Eksistensen af ​​mange partikler involveret i stærke interaktioner bestemmer kompleksiteten af ​​teorien om stærke interaktioner og det faktum, at Yukawa-potentialet kun beskriver det omtrentligt. Men det fungerer godt ved afstande mellem hadroner i størrelsesordenen 2 fm og en interaktionsenergi på mindre end 500 MeV .

I 1949 modtog Yukawa Hideki Nobelprisen for at forudsige eksistensen af ​​mesoner.

Noter

Et potentiale, der ligner Yukawa-potentialet , kaldes det screenede Coulomb-potentiale i atom- og plasmafysik .

Se også

Noter