jm_2_1

1.5 Vlastnosti a podstata jaderných sil

Jaderné síly

jsou síly působící mezi nukleony v jádře atomu.
Jsou silami krátkého dosahu, který zhruba odpovídá lineárnímu rozměru jádra (řádově 10^-15 m).
Působí vždy jen mezi nejbližšími nukleony. Daný nukleon se tedy váže jen s omezeným počtem nukleonů, což označujeme jako nasycení jaderných sil.
Nepůsobí na částice označované jako leptony, mezi něž patří i elektron.

V porovnání s ostatními fyzikálními interakcemi (gravitační, slabá, elektromagnetická – viz základní fyzikální interakce) to dlouho byla na mikroskopické úrovni nejsilnější známá interakce. Dnes ji zahrnujeme pod tzv. silnou interakci.

Poznámky

Jaderné síly mezi nukleony jsou speciálním případem projevu silné interakce v případě hadronů.

Jaderné síly jsou zbytkovým projevem univerzálnější silné interakce mezi kvarky (viz dále).

Jaderné síly nepůsobí na částice, které neinteragují prostřednictvím silné interakce. Tyto částice se v systému elementárních částic označují jako leptony.

Nukleony ovšem mohou na leptony působit prostřednictvím elmg. interakce (např. proton a elektron v atomu vodíku).

Gravitační interakce je na mikroskopické úrovni ze všech interakcí nejslabší a proto se při řešení problémů v jaderné fyzice a ve fyzice elementárních částic zanedbává. V megaskopickém měřítku však může být významná (např. neutronová hvězda).

Zatím nebyl nalezen univerzální zákon (analytický popis) , který by popisoval jaderné síly.

Kvantem pole jaderných sil jsou mezony p, které byly předpovězeny Yukawou a později experimentálně potvrzeny (viz dále).

Fyzikální pole a kvantum pole

Každé fyzikální pole je v principu možné v rámci kvantové teorie popsat jako excitace částic pole – tzv. kvant pole. O popisu pole pomocí kvant hovoříme jako o kvantování pole.

Každý typ interakce v přírodě může být popsán ve formě fyzikálního pole. Příslušná kvanta tohoto pole pak hrají roli zprostředkujících částic interakce.

Poznámky

V případě základních fyzikálních interakcí jsou kvanty pole vždy bosony.

Interakce mezi částicemi lze popsat jako výměnu příslušných kvant, které jsou ovšem ve formě tzv. virtuálních částic.

Virtuální částice

Jsou to částice, které na rozdíl od tzv. skutečných nelze přímo pozorovat, aniž bychom je v procesu měření změnili na skutečné. Virtuální částice existují pouze po dobu, která je kratší než čas nutný ke změření jejich energie (podle relací neurčitosti).

Poznámky

Důsledkem existence virtuálních částic je pouze experimentálně pozorovatelná interakce.

Virtuální částice vzniká v páru s příslušnou antičásticí, která má stejnou klidovou hmotnost, ale opačné hodnoty některých veličin, které se zachovávají, jako je např. elektrický náboj.

Virtuální částice mohou existovat i ve vakuu (tzv. fyzikální vakuum).

Fyzikální vakuum má ovšem střední hodnotu energie, kterou můžeme určit experimentálně, rovnu nule (neexistují v něm skutečné částice).

Kvantum elektromagnetického pole

Kvantem elektromagnetického pole jsou částice fotony.

Elektromagnetickou interakci mezi nabitými částicemi lze popsat jako vzájemnou výměnu virtuálních fotonů.

Yukawova teorie

Předpokládalo se, že analogicky jako v případě elektromagnetického pole, musí i v případě pole jaderných sil existovat zprostředkující částice neboli kvantum jaderných sil.

Roku 1935 Yukawa na základě dosahu jaderných sil odhadnul, že by to měly být částice s hmotností mezi hmotnostmi protonu a elektronu. Z tohoto důvodu byly tyto zatím hypotetické částice nazvány mezony.

Úkol k textu naleznete zde.

V r. 1938 byly částice přibližně o této hmotnosti objeveny v kosmickém záření a byly nazvány mezony m (dnes se označují spíše jako miony), ale brzy se zjistilo, že jsou vůči jádrům zcela netečné, tzn. neinteragovaly s nimi silnou interakcí, resp. jadernými silami.

Teprve r. 1947 byly nalezeny ty pravé částice, které jsou odpovědné za jadernou interakci. Tyto nové částice byly pojmenovány jako mezony p (též piony).

Mezony p

Tyto částice jsou podle Yukawovy teorie kvantem pole jaderných sil. Známe tři typy mezonů p neboli pionů:

· kladně elektricky nabitý p⁺,

· elektricky neutrální p⁰,

· záporně elektricky nabitý p^-.

Nukleony v jádře si vyměňují virtuální piony, což se projeví jako jaderná interakce.

Detailní obrázek průběhu přeměn

Poznámky

Vysláním nebo pohlcením neutrálního pionu se nemění typ nukleonu.

Vysláním kladného, resp. záporného pionu se mění proton, resp. neutron na neutron, resp. proton.

Pohlcením kladného, resp. záporného pionu se neutron, resp. proton mění na proton, resp. neutron.

Celkový náboj jádra ani počet nukleonů se tak při těchto procesech nemění.

Animace (3.5 MB)

Další elementární částice

Po objevu elektronu a nukleonů se předpokládalo, že stavbu hmoty budeme moci objasnit pouze s pomocí několika elementárních částic. Vidíme ale, že jednoduchý obraz světa založený původně pouze na protonu, neutronu, elektronu a fotonu se hroutí. Do tohoto původního obrazu sice zapadají ještě piony. Avšak kromě na první pohled „neužitečných“ mionů se začaly objevovat také další elementární částice, které se přímo nepodílí na stavbě látky složené z atomů a molekul.

Otázky ke kapitole 1: Struktura a vlastnosti atomového jádra