La forta nuklea forto aŭ forta interago estas tiu fundamenta forto, kiu kuntenas la nukleojn de atomo kontraŭ la peno de la elektromagneta forto disigi ilin. Ĝi estas unu el la kvar (aŭ tri) fundamentaj fortoj de fiziko.
La operacia gamo de la forta interago estas en la grandordo de diametro de atomkerno, femtometro (10-15 metroj). Je ĉi tiu skalo, la potenco de la forta interago estas averaĝe ĉirkaŭ 137 fojojn pli granda ol la potenco de la elektromagneta forto, ĉirkaŭ 1.000.000 fojojn la potenco de la malforta interago kaj proksimume 1038 fojojn la potenco de gravito.
La partiklo kiu portas la plej fortan interagon estas la gluono. Ĉi tio estas ekzakte kiel la elektromagneta forto estas transdonita tra fotonoj kaj la malforta interago tra W kaj Z-bosonoj. Kvantuma kromodinamiko (mallongigita en la angla QCD) estas la teorio kiu priskribas la forton kaj reĝimon de interago.
La teorio de la kvarkoj diras, ke tiu interago kuntenas ankaŭ la kvarkojn interne de nukleono (protono aŭ neŭtrono), kaj ke la klasika forta interago estas nur reziduo el tiu forto, efikanta inter nukleonoj. Por distingi la du aspektojn oni nomas la klasikan fortan interago "rezidua forta interago".
Etimologio
La forta nuklea forto havas sian nomon de la fakto, ke ĝi estas la plej forta el la fundamentaj fortoj. Alia nomo estas "kolora forto", ĉar la ŝargoj kaŭzantaj ĝin, havas tri bazajn valorojn, same kiel la homa vido havas tri bazkolorojn. Tial la ŝargoj ricevis la simbolajn nomojn "ruĝa", "verda" kaj "blua", aldone ekzistas la inversaj ŝargoj "malruĝa", "malverda" kaj "malblua".
La esprimo "forta interago" estas nun preferata inter fizikistoj. La antaŭan esprimon "forta nuklea forto" motivis la fakto, ke ĝi efikas interne de atomaj nukleoj (vidu malsupre).
Male al la elektra kaj gravita fortoj la forta nuklea forto ne sekvas la leĝon de la inversa radiusa kvadrato; ĝi efikas nur je tre malgranda distanco. Tie ĝi havas jenajn rilatumojn al la aliaj fundamentaj fortoj[1]:
- 100-oble tiom forta kiom la elektra forto
- 1015-oble tiom forta kiom la malforta nuklea forto
- 1041-oble tiom forta kiom la gravito
Historio
La ekziston de la forta nuklea forto konjektis Enrico Fermi en la 1930-aj jaroj, kiam li laboris pri la malforta interago.[2] Hideki Yukawa postulis, ke la interagon efikas nova partiklo, la π-mezono. En 1964 Murray Gell-Mann kaj George Zweig proponis, ke mezonoj kaj barionoj konsistas el kvarkoj; en 1965 sekvis la enkonduko de nova partikla eco, nomata "koloro". En 1968/9 eksperimentoj ĉe la esplorejo SLAC (Stanford Linear Accelerator) trovis pruvojn pri la fakta ekzisto de kvarkoj.
Antaŭ la 1970-aj jaroj, fizikistoj estis necertaj kiel kaj kial la atomkerno estis ligita kune. Estis konata, ke la nukleo estis kunmetita de protonoj kaj neŭtronoj kaj ke protonoj posedis pozitivan elektran ŝargon, dum neŭtronoj estis elektre neŭtralaj. De la kompreno de fiziko en tiu tempo, pozitivaj trovitaĵoj forpuŝus unu la alian kaj la pozitive ŝargitaj protonoj devus igi la nukleon flugi dise. Tamen, tio neniam estis observita. Nova fiziko estis necesa por klarigi tiun fenomenon.
Pli forta gravito estis postulita por klarigi kiel la atomkerno estis ligita malgraŭ la reciproka elektromagneta repuŝo de la protonoj. Tio hipotezis, ke forto estu nomita la forta forto, kiu verŝajne estis fundamenta forto kiu reagis al la protonoj kaj neŭtronoj kiuj konsistigas la nukleon.
Estis poste malkovrite, ke protonoj kaj neŭtronoj ne estis fundamentaj partikloj, sed konsistis el konsistigaj partikloj nomitaj kvarkoj. La forta altiro inter nukleonoj estis la kromefiko de pli fundamenta forto kiu ligis la kvarkojn kune en protonojn kaj neŭtronojn. La teorio de kvantuma kolordinamiko klarigas, ke kvarkoj portas tion kio estas nomita kolorŝargo, kvankam ĝi havas neniun rilaton al videbla koloro.[3] Kvarkoj male al kolorŝargo altiras unu la alian kiel rezulto de la forta nuklea forto, kaj la partiklo kiu mediaciis tion estis nomita la gluono.
Atomaj nukleoj
Laŭ la kvantuma kolordinamiko la forta nuklea forto efikas inter kvarkoj interne de nukleonoj, kiuj konsistigas la nukleojn de atomoj. La perantaj virtualaj partikloj estas nomataj gluonoj; ilin karakterizas konservata (neperdebla) valoro nomata kolora ŝargo (kiu neniel rilatas al la koloroj de optiko). Ekzistas ok specoj de gluonoj, kiuj transportas koloran ŝargon inter kvarkoj kaj povas ankaŭ interagi inter si reciproke.
Interne de nukleonoj la kolora ŝargo de la kvarkoj ĉiam sume nuliĝas. Tamen pro nekompleta ekvilibreco de la kvarkaj ŝargoj ekzistas resta interago inter nukleonoj, kiu konsistigas la fortan nuklean forton. Ĝi efikas ĝis distanco de ĉirkaŭ 2,5 femtometroj; trans tiu distanco ĝin superas la elektra forto. Tial la forta nuklea forto kapablas kunteni malgrandajn nukleojn (kvankam ili enhavas elektre ŝargitajn protonojn, kiuj forpuŝas sin reciproke), sed ne tre grandajn, kiuj do estas malstabilaj.
La kialo, ke la elektra kaj la forta interagoj rilatas tiom malsame laŭ distanco d, estas, ke la elektra forto havas kulomban potencialon, en kiu la forto malkreskas laŭ 1/d'²; la forta interago havas Yukawa-potencialon, kies konduto estas pli komplika, sed kiu koncentras la forton al mallongaj distancoj.
La gluonoj, kiuj peras la interagon interne de la nukleonoj, ne ekzistas ekstere. La interagon inter la nukleonoj en nukleo peras la π-mezono,
Restinta forta forto
La restinta efiko de la forta forto estas nomita la nuklea forto. La nuklea forto agas inter hadronoj, kiel ekzemple mezonoj aŭ barjonoj (kiel ekzemple nukleonoj) en atomkernoj. Tiu "restinta forta forto", aganta nerekte, elsendas gluonojn kiuj formas parton de la virtuala piono kaj rota mezono, kiuj, en victurno, elsendas la nuklean forton inter nukleonoj.
La restinta forta forto estas tiel negrava rest(aĵ)o de la forta forto kiu ligas kvarkojn kune en protonojn kaj neŭtronojn. Tiu sama forto estas multe pli malforta inter neŭtronoj kaj protonoj, ĉar ĝi estas plejparte neŭtraligita ene de ili, laŭ la sama maniero laŭ kiu elektromagnetaj fortoj inter neŭtralaj atomoj (forto de Van-der-Waals) estas multe pli malfortaj ol la elektromagnetaj fortoj kiuj tenas la atomojn interne kune.
Male al la forta forto mem, la nuklea forto, aŭ restinta forta forto, malpliiĝas en forto, kaj ĝi fakte malpliiĝas rapide kun distanco. La malkresko estas preskaŭ kiel negativa eksponenta potenco de distanco, kvankam ekzistas neniu simpla esprimo konata pro tio; vidu Yukawa potencialon. La rapida malkresko kun distanco de la altira restinta forto kaj la malpli-rapida malkresko de la mala elektromagneta forto aganta inter protonoj ene de nukleo, kaŭzas la malstabilecon de pli grandaj atomkernoj, kiel ekzemple ĉiuj tiuj kun atomnumeroj pli grandaj ol 82 (la elementantaŭeco).
Nuntempa stato de la teorio de forta interagado
La teoris priskribo de forta interagado estas unu la plej disvolvigitaj fakoj kaj samtempe pli rapide disvolvigitaj de la teoria fiziko de elementaj partikloj. Spite la komprenon de la fundamenta naturo de la fortaj interagadoj (nome la interagado de kolorŝargo inter kvarkoj kaj gluonoj, priskribita per la kvantuma kolordinamiko), la matematikaj leĝoj kiuj esprimas ilin estas tre kompleksaj kaj tial, en mltaj kazoj tre specifaj, la kalkuloj el unuaj principoj estas ankoraŭ maleblaj. Kiel rezulto, aperas eklektika bildo: apud kalkuloj matematike rigoraj, duonkvantitativaj alproksimiĝoj bazitaj sur la kvantuma mekaniko, intuicioj, kiuj tamen priskribas perfekte la eksperimentajn datumojn.[4]
Vidu ankaŭ
Notoj
- ↑ Greiner, W. kaj Müller, B.: "Gauge Theory of Weak Interaction (Band 13)". Springer, 2000, p. 2.
- ↑ La teoria di Fermi (itale) (HTML). Universitato de Chicago (2003-04-23). Alirita 2012-12-01.
- ↑ Feynman, R.P. (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. p. 136. ISBN 978-0-691-08388-9. "The idiot physicists, unable to come up with any wonderful Greek words anymore, call this type of polarization by the unfortunate name of 'color', which has nothing to do with color in the normal sense."
- ↑ A. Schmidt, J. R. Pybus, R. Weiss, E. P. Segarra, A. Hrnjic, A. Denniston, O. Hen, E. Piasetzky, L. B. Weinstein, N. Barnea, M. Strikman, A. Larionov, D. Higinbotham & The CLAS Collaboration Probing the core of the strong nuclear interaction // Nature, volumo 578, pp. 540–544(2020)
Bibliografio
- Christman, J.R. (2001). "MISN-0-280: The Strong Interaction" (PDF).
- Griffiths, David (1987). Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-60386-3.
- Halzen, F.; Martin, A.D. (1984). Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-88741-6.
- Kane, G.L. (1987). Modern Elementary Particle Physics. Perseus Books. ISBN 978-0-201-11749-3.
- Morris, R. (2003). The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press. ISBN 978-0-309-50593-2.