Nükleer kuvvet

Tanım

Nükleer kuvvet sadece tanecikler ve hadronlardan oluşan parçacıklar arasında hissedilir. Aynı türde olsalar bile n.ükleonlar arasındaki küçük ayrılıklarda kuvvet itici hale gelir, ki bu nükleonları ortalama bir aralıkta tutar. Bu itme aynı nükleonlar için (iki proton veya iki nötron gibi) Pauli ayırma kuvvetinden kaynaklanır. Ayrıca nükleonlar farklı olduğunda (bir proton ve bir nötron gibi) Pauli ayırma kuvveti nükleonların içindeki aynı tip tanecikler arasında olur.
0.7 fm’den daha büyük mesafelerde kuvvet dönme hizalı nükleonlar arasında çekici olur, yaklaşık 0.9 fm’lik merkezden merkeze mesafede en fazla halini alır. Bu mesafenin ötesinde kuvvet katlanarak düşer, 2.0 fm’in ötesinde ayrılığa kadar kuvvet önemsizdir. Nükleonların yaklaşık 0.8 fm yarıçapı vardır.
Kısa mesafelerde ( 1.7 fm’den daha az) nükleer kuvvet protonlar arasındaki Coulomb kuvvetinden daha güçlüdür; böylece o çekirdeğin içindeki protonların itmesinin üstesinden gelir.Fakat protonlar arasındaki Coulomb kuvvetinin yük ayrılmasının ters karesi olarak bozunmasına bağlı olarak daha geniş bir aralığı vardır ve böylece ayrılmaları yaklaşık 2’den 2.5 fm’ye arttığında Coulomb itmesi protonlar arasındaki tek önemli kuvvet olur.
Nükleer kuvvetin dönmeye bağlı bir bileşeni vardır. Kuvvet dönmeleri hizasız olan tanecikler için olandansa dönmeleri hizalı olan tanecikler için daha güçlüdür. Bu yüzden aynı olan iki tanecik için kuvvet tanecikleri bağlamak için yeterli değildir, çünkü tanecikler birbirine yakınken ve aynı quantum durumundalarken  aynı tür iki taneciğin dönme vektörleri zıt yönlere işaret etmeliler. Bu fermionlar ihtiyacı Pauli ayırma ilkesinden kayaklanır. Farklı türlerin fermion tanecikleri için tanecikler birbirine yakın olabilir ve dönmeleri Pauli ayrma ilkesini ihlal etmeden hizalamış olabilirler. Ve nükleer kuvvet onları bağlayabilir çünkü nükleer kuvvet dönmesi hizalı tanecikler için çok daha güçlüdür. Ama taneciklerin dönmeleri hizasız ise , farklı türde olsalar bile, nükleer kuvvet onları bağlamak için çok zayıftır.
Gerici (Açan) Bileşen : Nükleer kuvvetin ayrıca nükleon dönmeleri ve nükleonların basit küresel bir şekilden deformasyona yönlendiren açısal momentumu arasındaki etkileşime bağlı olan bir “gerici” bileşeni vardır.
Bir çekirdeği bağsız proton ve nötronlarına ayırmak nükleer kuvvete karşı çalışmayı gerektirir. Aksine, bir çekirdek bağımsız nükleonlardan veya diğer çekirdeklerden yaratıldığında enerji açığa çıkarılır : nükleer bağlama enerjisi. Kütle-enerji eşitliğinden dolayı ,bu enerjiyi açığa çıkarmak çekirdeğin kütlesinin teler teker nükleonların toplam kütlesinden daha düşük olmasına sebep olur , ki bu “kütle açığı” denen şeye yol açar.
Nükleer kuvvet nükleonların nötron veya proton olup olmamasından neredeyse bağımsızdır. Bu özellik “yük bağımsızlığı” diye adlandırılır. Kuvvet nükleonların dönmelerinin paralel olup olmadığına bağlıdır ve merkezi olmayan veya gerici bir bileşene sahiptir. Kuvvetin bu kısmı merkezi kuvvetler altındaki hareketin bir sabiti olan yörüngesel açısal momentumu muhafaza etmez.
Werner Heisenberg tarafından önerilen, baskın kuvvetle sonuçlanan simetri protonların ve nötronların yükleri haricinde her açıdan aynı olmalarıdır. Bu tamamen doğru değildir çünkü nötronlar birazcık daha ağırdır, ama bu  yaklaşık bir simetridir. Bu yüzden protonlar ve nötronlar aynı ama farklı izospin kuantum numaralı tanecikler olarak kabul edilir. Baskın kuvvet , “düzenli dönüş”lü taneciklerin olduğu gibi SU(2) dönüşümleri altında sabittir. İzospin ve düzenli dönüş bu SU(2) simetri grubu altında bağlantılıdır. Toplam izospin 0 olduğunda , deney tarafından onaylandığı gibi, sadece güçlü çekimler vardır.
Nükleer kuvvet üzerine bilgiler deneyler saçarak ve enerjiyi bağlayan ışık çekirdekleri çalışmasıyla elde edilir.
Nukleer kuvvet  sanal piyonlar gibi sanal ışık mezonlarının değiş tokuşuyla olur ; dönüşlü sanal mezonların (vektör mezonları) iki tipi  vardır: rho mezonları ve omega mezonları. Vektör mezonları bu sanal mezon resminde nükleer kuvvetin dönüş bağlılığından sorumludur.
Nükleer kuvvet , tarihi olarak “zayıf nükleer kuvvet” diye bilinenden ayrıdır. Zayıf etkileşim dört temel etkileşimden biridir ve beta bozunması gibi süreçlere işaret eder. Zayıf kuvvet  nötronların protonlara bozunmasından ve aksinden sorumlu olmasına rağmen nükleonların etkileşiminde hiçbir rol oynamaz.

Tarih

James Chadwick tarafından nötronun keşfiyle 1932’de alanın doğmasından beri nükleer kuvvet , nükleer fiziğin kalbindeydi. Nükleer fiziğin geleneksel hedefi , nükleon çiftleri veya nükleon-nükleon kuvvetleri arasındaki ‘yalın’ etkileşim açısından atom çekirdeklerinin özelliklerini anlamaktır.
Nötronun keşfinden sonra aylar içinde, Werner Heisenberg ve Dmitri Ivanenko çekirdek için proton-nötron modelleri önermişti. Heisenberg çekirdekteki proton ve nötronların tanımına kuantum mekaniğiyle yaklaştı , o zaman pek açık olmayan bir yaklaşımdı. Heisenberg’in çekirdekteki proton ve nötron teorisi “çekirdeği bir kuantum mekanik sistemi olarak anlamaya doğru büyük bir adım”dı. Heisenberg nükleonları bağlayan nükleer değiş tokuş kuvvetlerinin ilk teorisini tanıttı. O proton ve nötronların aynı taneciğin farklı kuantum durumları olduğunu düşünüyordu , mesela nükleer izospin kuantum numaralarının değeriyle fark edilen nükleonlar.
Çekirdeğin en eski modellerinden biri 1930’larda geliştirilen sıvı damlası modeliydi. Çekirdeklerin bir özelliği nükleon başına ortalama bağlama enerjisinin tüm sabit çekirdekler için yaklaşık olarak aynı olmasıdır, ki bu bir sıvı damlasına benzer.  Sıvı damlası modeli nükleonları bir sıvı içindeki moleküller gibi davranan çekirdeği sıkışmayan bir nükleer akışkan damlası olarak kabul ediyordu. Model ilk olarak George Gamow tarafından önerildi ve sonra Niels Bohr , Werner Heisenberg ve Carl Friedrich von Weizsacker tarafından geliştirildi. Bu ham model çekirdeğin tüm özelliklerini açıklamadı ama çoğu çekirdeğin küresel şeklini açıkladı. Ayrıca model çekirdeklerin nükleer bağlama enerjisi için iyi tahminlerde bulundu.
1934’te Hideki Yukawa nükleer kuvvetin doğasını açıklamak için en eski girişimi yaptı. Onun teorisine göre, çok büyük bozonlar (mezonlar) iki nükleon arasındaki etkileşime aracılık eder. Kuantum kromodinamiğinin ( QCD ) ışığında mezon teorisinin artık esas olarak algılanmamasına rağmen mezon değiş tokuşu kavramı (hadronların basit tanecikler olarak kabul edildiği ) bir sayısal NN potansiyeli için en iyi çalışma modelini sunmaya devam ediyor. Yukawa potansiyeli g’nin bir büyüklük ölçme sabiti , çokluk potansiyeli ,   ‘nin Yukawa tanecik kümesi , r’nin taneciğe dairesel uzaklığı olduğu yapının bir potansiyelidir :
Potansiyel tekdüze artıyor , kuvvetin her zaman çekici olduğunu gösteriyor. Sabitler deneysel olarak belirlenir. Yukawa potansiyeli sadece tanecikler arasındaki mesafeye bağlıdır , bu yüzden o merkezi bir kuvveti örnekler.
1930’lar boyunca I.I.Rabi’nin öncülük ettiği Columbia Üniversitesi’ndeki bir grup, çekirdeklerin manyetik anlarını belirlemek için manyetik titreşim teknikleri geliştirdi. Bu ölçüler 1939’daki dötronun da bir elektrik kuadrupol ( dört kutup) momentine sahip olduğunun keşfine yol açtı. Dötronun bu elektriksel özelliği Rabi grubu tarafından yapılan ölçülerle çatşıyordu. Bir proton ve bir nötrondan oluşan dötron en basit nükleer sistemlerden biridir. Keşif dötronun fiziki şeklinin simetrik olmadığı anlamına geldi, k bu nükleonları bağlayan nükleer kuvvetin doğasına değerli bir anlayış sağladı. Özellikle sonuç gösterdi ki nükleer kuvvet merkezi bir kuvvet değildi ama bir gerici (açan) karaktere sahipti. Hans Bethe dötronun kuadrupol momentinin keşfini nükleer fiziğin biçimlendirici yılları boyunca en önemli olaylardan biri olarak tanımladı.
Tarihi açıdan, nükleer kuvveti görüngüsel olarak tanımlama görevi zorlu değildi. Woods-Saxon potansiyeli(1954) gibi ilk yarı-deneysel sayısal modeller1950’lerin ortalarında geldi. 1960’larda ve 1970’lerde nükleer kuvvete ilişkin deney ve teoride önemli gelişme vardı. Bir etkileyici model Reid potansiyeliydi (1968). Son yıllarda deneyciler nükleer kuvvetin yük bağımlılığı , πNN eşleşme sabitinin tam değeri gibi incelikleri üzerine yoğunlaştılar, evre kayması analizini , yüksek hassasiyetli NN verisini , yüksek hassasiyetli NN potansiyellerini , orta ve yüksek enerjilerde NN saçmasını geliştirdiler ve kuantum kromodinamiğinden nükleer kuvveti elde etme girişimlerinde bulundular.

Baskın kuvvetin bir artığı olarak nükleer kuvvet

Nükleer kuvvet daha temel baskın kuvvetin veya güçlü etkileşimin artık bir etkisidir. Güçlü etkileşim , nükleonları kendileri oluşturmak için birlikte olan kuark ( temel zerre) denilen basit tanecikleri bağlayan çekici kuvvettir. Bu daha güçlü kuvvete glüonlar tarafından aracılık edilmiştir. Glüonlar kuarkları elektrik yükününki gibi ama çok daha fazla büyük bir kuvvetle bir arada tutar. Kuarklar , glüonlar ve onların dinamikleri çoğunlukla nükleonların içine hapsedilmiştir ama artık etkiler nükleer kuvvete sebep olmak için hafifçe nükleon sınırlarına uzanırlar.
Nükleonlar arasında yükselen nükleer kuvvetler, nötr atomlar veya Londra kuvvetleri denilen moleküller arasında kimyadaki kuvvetlere paraleldir. Böyle atomlar arasındaki kuvvetler, atomları kendileri bir arada tutan çekici elektriksel kuvvetlerden çok daha zayıftır ve onların atomlar arasındaki aralığı daha kısadır, çünkü onlar nötr atom içindeki yüklerin küçük ayrılığından meydana gelirler. Benzer şekilde nükleonlar çoğu glüon kuvvetini iptal eden kombinasyonlar içindeki kuarklardan yapılmasına rağmen  kuarkların ve glüonların bazı kombinasyonları bir nükleondan yakındaki bir başka nükleona genişleyen kısa mesafeli nükleer kuvvet alanları formunda nükleonlardan sızıp uçar. Bu nükleer kuvvetler nükleonların içindeki direkt glüon kuvvetleriyle karşılaştırıldığında çok zayıftır ve nükleer kuvvetler sadece birkaç nükleer çap üzerinden genişler, mesafeyle katlanarak düşer. Fakat onlar kısa mesafeler üzerinden nötronları ve protonları bağlamak için yeterince güçlüdür.
Bu nükleer kuvvet kuantum kromodinamiğinden meydana gelen güçlü etkileşimlerin aksine “artık güçlü kuvvet “ diye adlandırılır. Bu ifade 1970’ler oyunca kuantum kromodinamiği kurulurken ortaya çıktı. O zamandan önce güçlü nükleer kuvvet nükleon arası potansiyele işaret ediyordu. Kuark modelinin doğrulanmasından sonra güçlü etkileşim QCD anlamına gelmeye başladı.

Nükleon-Nükleon Potansiyelleri

Dötron gibi iki nükleon sistemleri , bir döteryum atomunun çekirdeği , yanı sıra proton-proton veya nötron-proton saçma NN kuvveti çalışmak için idealdir. Böyle sistemler bir potansiyeli nükleonlara atfederek ve potansiyelleri bir Schrödinger denkleminde kullanarak tanımlanabilir. Uzun mesafeli etkileşim için mezon değiş tokuşu teorileri potansiyeli yapılandırmaya yardım etmesine rağmen potansiyelin formu görüngüsel olarak (ölçmeyle)  türetilmiştir. Potansiyelin parametreleri enerjiyi bağlayan dötron veya NN elastik saçan çapraz kesitler gibi deneysel bilgiye uyarak belirlenir.
En geniş çapta kullanılan NN potansiyelleri Paris potansiyeli , Argonne AV18 potansiyeli , CD-Bonn potansiyeli ve Nijmegen potansiyelidir.
Yakın bir yaklaşım nükleon-nükleon ve üç nükleon kuvvetlerinin istikrarlı bir tanımı için etkili alan teorileri geliştirmektir. Özellikle kiral simetri bozma , değiş tokuş tanecikleri olarak piyonlu nükleonlar arasındaki etkileşimlerin tedirgin edici hesaplamalarına izin veren etkili bir alan teorisi açısından analiz edilebilir.
Nükleonlardan Çekirdeklere
Nükleer fiziğin temel hedefi, nükleonlar arasındaki temel etkileşimlerden bütün nükleer etkileşimleri tanımlamaktır. Buna nükleer fiziğin mikroskobik veya başlangıç yaklaşımı denir.Bu rüya gerçek olamadan önce üstesinden gelinecek iki büyük engel var :
1)Çoğu cisim sistemlerindeki hesaplamalar zor ve ileri hesaplama teknikleri gerektiriyor.
2)Üç nükleon kuvvetinin önemli bir rol oynadığına kanıt var. Bu üç nükleon potansiyellerinin modelin içine dahil edilebileceği anlamına gelir.
Bu, çekirdek kabuğu yapısının daha iyi ilk-ilkeler hesaplamalarına yönlendiren  bilgisayımsal tekniklerde süregelen ilerlemelerle aktif bir araştırma alanıdır. İki ve üç nükleon potansiyelleri nüklitler için A = 12 ‘ye göre uygulanmaktadır.

Nükleer Potansiyeller

Nükleer etkileşimleri tanımlamanın başarılı bir yolu , tüm nükleon bileşenlerini düşünmek yerine tüm çekirdek için bir potansiyel yapılandırmaktır. Buna iriölçekli yaklaşım denir. Örneğin, çekirdeklerden nötronların saçımı bir gerçek ve bir hayali bölüm içeren çekirdeğin potansiyelindeki bir uçak dalgası düşünerek tanımlanabilir. Bu modele sıklıkla optik model denir çünkü opak bir cam küreden saçılan ışığın durumunu andırır.
Nükleer potansiyeller yerel veya küresel olabilir : Daha çok parametreleri olan ve daha az kesin olan küresel potansiyeller enerjinin ve nükleer kütlenin işlevleriyken ve bu yüzden daha geniş uygulama dağılımında kullanılabiliyorken yerel potansiyeller dar bir enerji dağılımıyla veya dar bir nükleer kütle dağılımıyla sınırlıdır.