¿Qué significa núcleo atómico?

Al núcleo atómico se le denomina "núcleo". Situado en el núcleo del átomo, está compuesto por dos partículas, protones y neutrones. El protón está compuesto por dos quarks arriba y un quark abajo, y el neutrón está compuesto por dos quarks abajo y un quark arriba.

El núcleo atómico es extremadamente pequeño, su diámetro está entre 10-15m~10-14m, y su volumen sólo representa unas pocas centenas de milmillonésimas del volumen atómico, pero el 99,96% se concentra en este núcleo extremadamente pequeño. núcleo. La masa de los átomos anteriores. La densidad del núcleo atómico es extremadamente alta. La densidad nuclear es de aproximadamente 1017 kg/m3. Es decir, si el volumen de 1 m3 se llena con núcleos atómicos, su masa alcanzará las 1014 t, que son 100 mil millones de toneladas. La energía del núcleo atómico es extremadamente alta. Existe una enorme atracción entre los protones y neutrones que forman el núcleo atómico, que puede superar la repulsión de las cargas positivas entre los protones y combinarse para formar un núcleo atómico, de modo que el El núcleo atómico no se divide durante las reacciones químicas. Cuando algunos núcleos atómicos sufren fisión (la división de un núcleo atómico en dos o más núcleos) o fusión (donde los núcleos ligeros se combinan para formar núcleos pesados ​​cuando se encuentran), se libera (por ejemplo) una enorme cantidad de energía nuclear, o energía atómica. (por ejemplo, la energía nuclear genera electricidad). Los átomos están compuestos por el núcleo y los electrones que rodean el núcleo. Debido a que la carga positiva del núcleo es la misma que la carga negativa de los electrones, todo el átomo es no eléctrico y neutro.

El núcleo atómico está situado en el núcleo del átomo, representa más del 99,96% de la masa del átomo, y forma el átomo con los electrones que lo rodean. El núcleo está formado por protones y neutrones. El protón está compuesto por dos quarks arriba y un quark abajo, y el neutrón está compuesto por dos quarks abajo y un quark arriba. El núcleo atómico es extremadamente pequeño. Su diámetro está entre 10-12 y 10-13 centímetros, y su volumen sólo representa cientos de miles de millones del volumen de un átomo. Si se compara el átomo con el de la Tierra, entonces el núcleo atómico es. Aproximadamente del tamaño de un campo de béisbol, y el interior del núcleo está lleno de quarks y los electrones son sólo del tamaño de una pelota de béisbol. La densidad del núcleo atómico es extremadamente alta, alrededor de 1014 gramos/centímetro cúbico. La estructura interna del núcleo atómico se puede describir parcialmente mediante el modelo de capa nuclear. Cuando los protones o nucleones se llenan hacia arriba desde sus respectivas capas más bajas, si una determinada capa está exactamente llena, se llama número mágico de protones o neutrones, y el número mágico de protones o neutrones. El núcleo en este momento se llama núcleo fantasma. ?[1]?

Hay mesones entre los protones y los neutrones que forman el núcleo atómico para transmitir la enorme atracción en el núcleo atómico: la fuerza fuerte es 137 veces más fuerte que la electromagnética. fuerza, por lo que puede superar la fuerza entre los protones. Las fuerzas repulsivas electromagnéticas cargadas positivamente se combinan para formar núcleos atómicos. La energía del núcleo atómico es extremadamente grande. Cuando el núcleo atómico sufre fisión (un núcleo atómico pesado se divide en dos o más núcleos) o fusión (un núcleo atómico ligero se combina para formar un núcleo pesado cuando se encuentra), se produce una gran cantidad de. Se libera energía nuclear, es decir, energía atómica (como la energía nuclear para generar electricidad). Los protones, neutrones y mesones se componen de quarks de valencia (quarks componentes) y quarks de quelación (quarks de flujo). Los quarks también tienen una estructura capa por capa (capa). La capa exterior es un quark de valencia conectado horizontalmente y la capa interior. es un quark de quelación apilado verticalmente, mientras que la capa exterior está compuesta por tres quarks de valencia unidos horizontalmente. Los quarks de valencia dividen la carga entera en el protón (o hiperón de 3 quarks) en proporción (2 quarks de tipo arriba + 2/3 de carga, 1 quark de tipo abajo - 1/3 de carga), por lo que los quarks tienen cargas fraccionarias. Las cargas positivas y negativas de los quarks superpuestos verticalmente se cancelan = cero. El número de protones cargados positivamente y de electrones cargados negativamente en el átomo es el mismo, por lo que todo el átomo es eléctricamente neutro. ?[1]?

Cambió la dirección del movimiento gradualmente y, en base a esto, se propuso un modelo de estructura atómica planetaria: hay un núcleo cargado positivamente en el átomo, es decir, el núcleo.

Rutherford llevó a cabo el famoso experimento de dispersión de partículas alfa en 1909. El propósito del experimento era confirmar la exactitud del modelo atómico de Thomson, pero los resultados experimentales se convirtieron en una fuerte evidencia para negar el modelo atómico de Thomson. Sobre esta base, Rutherford propuso un modelo de estructura nuclear.

Para investigar la estructura interna de los átomos, debemos buscar una partícula de prueba que pueda emitirse al interior del átomo. Esta partícula es la partícula alfa emitida por sustancias radiactivas naturales. Rutherford y sus asistentes realizaron experimentos bombardeando láminas de oro con partículas alfa. Aquí se muestra un esquema de la configuración experimental.

Una pequeña cantidad del elemento radiactivo polonio (Po) se coloca en una caja de plomo. Los rayos alfa que emite se emiten por el pequeño orificio de la caja de plomo, formando un haz de rayos muy fino e incidiendo en la superficie. lámina de oro. Cuando las partículas alfa atraviesan la lámina de oro, chocan contra la pantalla fluorescente y producen puntos de inflamación, que pueden observarse con un microscopio.

Para evitar que los resultados experimentales se vean afectados por las colisiones entre partículas alfa y átomos en el aire, todo el dispositivo se coloca en un recipiente al vacío y un microscopio con una pantalla fluorescente puede moverse en círculo alrededor de la lámina de oro.

Conclusión experimental

Se cree que, además del campo medio, existen interacciones residuales entre nucleones, y las interacciones residuales causan correlación entre nucleones. Esta correlación es un factor importante en. el movimiento de partículas independientes especies de complementación en las que las asociaciones de corto alcance provocan el apareamiento de nucleones. El modelo de pares de nucleones que describe esta asociación ha recibido un apoyo experimental sustancial. La correlación de largo alcance entre nucleones deformará el núcleo y producirá un movimiento colectivo. El espectro de energía de rotación y vibración del núcleo atómico son el resultado de este movimiento colectivo, y la fisión de núcleos pesados ​​y la reacción de fusión de iones pesados ​​son el resultado. del movimiento colectivo causado por la gran deformación del núcleo atómico. El modelo colectivo del núcleo atómico cree que, además de moverse en relación con otros nucleones del núcleo, todo el núcleo atómico también vibra y gira en diferentes estados de movimiento. Los núcleos en diferentes estados de movimiento no solo tienen sus propias formas específicas, sino que también tienen diferentes energías y. momento angular. , estas energías y el momento angular son todos discretos, formando así niveles de energía. Debido a esto, el modelo colectivo del núcleo atómico se desarrolló mucho en comparación con el modelo de capas de partículas individuales que solo se aplicaba a núcleos esféricos. Puede utilizarse para calcular la energía y el momento angular correspondientes a diversas formas de gotas nucleares. Además, cuando el núcleo pasa de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo, la energía generalmente se libera en forma de rayos gamma. Esta característica es consistente con el comportamiento de una gran cantidad de núcleos cerca de la línea de estabilidad. Además, según este modelo, cuando la forma nuclear es fija, la inercia rotacional permanece sin cambios a medida que aumenta el momento angular, la forma nuclear cambia y la inercia rotacional cambia en consecuencia, lo que resulta en un cambio en el nivel de energía rotacional. , este modelo tiene cierta influencia sobre la energía de rotación del núcleo deformado. El estudio de las leyes de transición de las partículas supernivel se ha convertido en la base para el estudio de los núcleos singulares. El modelo colectivo del núcleo atómico resolvió las dificultades del modelo de capa nuclear de partículas independientes y resolvió con éxito hechos experimentales como la vibración del núcleo esférico, la rotación del núcleo deformado y el gran momento cuadripolar, haciendo una importante contribución a la Desarrollo de la teoría del núcleo atómico. Con este fin, Ah ·Bohr, Mortensen y Rainwater ganaron el Premio Nobel de Física en 1975.

Teoría IBM

El propósito del desarrollo de modelos nucleares es describir con mayor precisión las diversas formas de movimiento de los núcleos atómicos para establecer una teoría de la estructura nuclear más completa. Dado que la gente no tiene del todo clara la naturaleza, las reglas y los mecanismos de la interacción entre nucleones, es imposible establecer una teoría de la estructura nuclear y la dinámica nuclear a través de la interacción entre nucleones como en la física clásica. Sólo podemos confiar en el modelo establecido. Realizar cálculos teóricos para nucleidos o áreas de energía con datos experimentales y luego compararlos con los resultados experimentales, ajustar el modelo y luego usar la teoría de modelos para estimar las áreas de energía vacantes sin datos experimentales, desarrollar tecnología experimental y. complementar los datos vacantes, y luego compararlos con estimaciones teóricas, y así sucesivamente para promover el progreso de la teoría de la estructura nuclear. Este es un proceso de exploración arduo y largo. A principios de la década de 1970, el progreso en la teoría de la estructura nuclear se encontraba en su mayor parte dentro del alcance tradicional.

Las características de la teoría tradicional de la estructura nuclear son:

① No considera la estructura del nucleón en sí.

② Trata principalmente de fuerzas nucleares; como efectos de dos cuerpos, y trata el núcleo como el núcleo La interacción entre nucleones es equivalente a la interacción entre nucleones libres

③ Se cree que la materia nuclear es infinita

; ④ Se aplica la mecánica cuántica no relativista;

⑤El objeto de investigación son nucleidos naturales en condiciones normales (estado fundamental o estado de baja excitación, baja temperatura, baja presión, densidad normal, etc.).

Desde mediados de los años 1970 hasta los años 1990, la investigación en física nuclear saltó del ámbito tradicional y logró enormes avances. El primero es el desarrollo de medios experimentales: se han puesto en funcionamiento varios aceleradores de energía media y alta y aceleradores de iones pesados. En consecuencia, el desarrollo de la tecnología de detección no sólo ha ampliado el alcance de los fenómenos nucleares observables, sino que también ha mejorado la precisión de la observación. y capacidades de análisis nuclear. La transformación de la tecnología de procesamiento de datos de manual a computarizada ha acelerado el proceso de investigación de la teoría nuclear. Influenciada por el desarrollo de la física de partículas y la astrofísica, la teoría de la física nuclear también ha comenzado a transformarse de la dinámica nuclear cuántica (QND) no relativista tradicional a la dinámica relativista de hadrones cuánticos (QHD) y la cromodinámica cuántica (QCD). Está surgiendo una teoría moderna de la estructura nuclear basada en la teoría relativista de campos cuánticos, la teoría unificada electrodébil y la cromodinámica cuántica. Aunque la física nuclear ya no está a la vanguardia del estudio de la estructura de la materia, ya que la física de partículas se ha convertido en una disciplina independiente, la investigación en física nuclear ha entrado en una nueva etapa de desarrollo profundo.

El modelo colectivo del núcleo tiene en cuenta las interacciones residuales además del campo medio, aumentando así su poder predictivo. Sin embargo, los problemas nucleares de muchos cuerpos son muy difíciles de resolver matemáticamente, lo que provoca grandes dificultades en la investigación práctica. En la última década, algunas personas han propuesto varios modelos de estructura nuclear más simplificados, el principal de los cuales es el modelo de punto líquido. Su característica es que refleja el comportamiento general y el movimiento colectivo del núcleo atómico y puede explicar mejor. la integridad del núcleo atómico. Como la fórmula de energía vinculante, la fisión, la vibración y rotación colectiva, etc. Además del modelo del punto líquido, también existe el modelo de bosones interactivos (IBM), que también es un intento de utilizar un método simplificado para estudiar la estructura nuclear. Además de la comprensión poco clara de la fuerza nuclear entre los nucleones, y debido a que el núcleo atómico es un sistema de múltiples cuerpos compuesto por múltiples nucleones, teniendo en cuenta la libertad de coordenadas tridimensionales, el espín y la libertad familiar isotópica de cada nucleón, las ecuaciones del movimiento ya no tienen solución, y se vuelve aún más difícil cuando se agregan interacciones de múltiples cuerpos. El modelo anterior de capas nucleares independientes enfatizaba las características del movimiento de partículas independientes, mientras que el modelo colectivo de núcleos atómicos enfatizaba el movimiento general del núcleo. Las dos teorías no lograron combinarse bien. Aunque el comportamiento de los nucleones en muchos cuerpos es complejo y no puede calcularse teóricamente, las observaciones experimentales han descubierto que el núcleo atómico, un sistema complejo de múltiples fermiones, muestra una clara regularidad y simplicidad. Este punto inspira a la gente a preguntarse si primero pueden "congelar" algunos grados de libertad, estudiar el movimiento y la dinámica del núcleo y estudiar el núcleo desde la simplicidad. Este es el punto de partida del modelo de bosones de interacción.

En 1968, cuando Feshbach y su alumno F. Lachllo estaban estudiando núcleos ligeros dobles de capa completa, consideraron el agujero de la partícula como un bosón y propusieron introducir el concepto de bosones que interactúan. En 1974, Lachero aplicó este concepto al estudio de núcleos pares intermedios y pesados. Colaboró ​​con A. Arima y propuso el modelo de bosón de interacción. Este modelo cree que los núcleos pares incluyen la parte de verificación de la doble capa completa y el número par de partes del nucleón de valencia fuera de la doble capa completa. Si primero "congelamos" los grados de libertad verificados y organizamos los nucleones de valencia en pares de nucleones con momento angular de 0 o 2, podemos tratar los pares de fermiones como bosones y usar la interacción entre bosones para describir núcleos pares, que. puede simplificar enormemente el problema. Su modelo ha logrado un gran éxito al explicar los estados excitados de baja energía de los núcleos atómicos medianos y pesados. El modelo de bosones de interacción tuvo aún más éxito a la hora de predecir la simetría de los núcleos atómicos en el hiperespacio. Señala que los comportamientos de movimiento colectivo, como la rotación nuclear y la vibración nuclear, son reflejos de la simetría de la dinámica nuclear. Debido a la revelación de la simetría de la dinámica nuclear, este modelo, aunque relativamente abstracto, es más profundo y esencial. En el pasado, cuando se mencionaba la simetría, a menudo se la consideraba un tema de investigación en física de partículas. De hecho, la física nuclear es también un campo de investigación con una simetría extremadamente rica. La primera persona en notar la simetría nuclear fue Eugene Paul Wigner (1902~), un físico húngaro-estadounidense y cuñado de Dirac. Wigner se graduó en el Departamento de Química de la Universidad de Berlín y se doctoró en 1925. En 1930, fue invitado a los Estados Unidos junto con John von Neumann (1903-1957) para trabajar como profesor de física matemática en la Universidad de Princeton. En 1936, los dos fundaron conjuntamente la teoría de la absorción de neutrones y realizaron importantes contribuciones a la industria de la energía nuclear. En 1937, Wigner introdujo la estructura supermúltiple basada en el espín y el isospín del núcleo y estableció la ley de conservación de la paridad. Wigner ganó el Premio Nobel de Física en 1963 por su contribución a la teoría de las partículas elementales en el núcleo atómico, especialmente su contribución a los principios básicos de simetría. Siguiendo a Wigner, fue Elliott quien realizó un estudio más profundo de la simetría dinámica de los núcleos atómicos. En 1958, Elliott estudió la simetría del campo del resonador y estableció la teoría de simetría dinámica SU(3) de la interacción de bosones. Esta teoría tiene muchas similitudes con la teoría nuclear del número de masa A entre 16 y 24. Un buen acuerdo, pero para núcleos. con A más grande, esta simetría se destruye debido al acoplamiento de órbita de giro y la desviación es grande. En el modelo de bosón de interacción propuesto por Rushlow y Arimer en 1974, un bosón con un momento angular de 0 se llama bosón s, y un bosón con un momento angular de 2 se llama bosón d. Los bosones s y d se expanden a 6-. hiperespacio dimensional. Cualquier cambio en el estado del sistema se puede realizar a través de la transformación positiva del espacio de 6 dimensiones. Esta transformación positiva constituye el grupo U (6). La conservación del momento angular del núcleo atómico está relacionada con la invariancia rotacional del espacio, es decir, los sistemas s y d tienen simetría U(6).

También descubrieron que hay tres cadenas de grupos en los sistemas de bosones s y d,

①U(6)U(5)SO(5)SU(3), denominado límite U(5). .

②U(6)SU(3)SO(3), denominado límite SU(3).

③U(6)SO(6)SO(5)SO(3), denominado límite SO(6).

En el caso de cadenas de tres grupos, el hamiltoniano relacionado con la interacción de los bosones s y d tiene soluciones analíticas, y el núcleo atómico tiene la simetría del grupo correspondiente. En los tres casos límite, el valor propio de energía tiene una cierta dependencia del momento angular, y la simetría dinámica también difiere dependiendo del desempeño del orden de niveles de energía. En resumen, el resultado de esta investigación revela la simetría de la estructura y la dinámica del núcleo atómico y coincide en gran medida con los resultados experimentales. La teoría de IBM ha logrado un gran éxito.

Grados de libertad

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Grados de libertad del mesón Pi

Mientras se establece el modelo de bosón de interacción, la teoría de la estructura nuclear también Nuevo Se han logrado avances en el estudio de los grados de libertad no nucleares en el núcleo. Aunque el modelo generalizado núcleo-capa representado por el modelo colectivo central ha logrado cierto éxito, todavía tiene ciertas limitaciones. En primer lugar, estos modelos se basan únicamente en algunos hechos experimentales o fenómenos observados y utilizan la analogía para reflejar el mecanismo de los subsistemas nucleares desde un determinado aspecto. Además, en la teoría de las reacciones nucleares se introducen demasiados parámetros ajustables. Cuanto más ajustables sean los parámetros, más lejos estará la teoría de la madurez y la integridad. Además, falta una conexión interna unificada entre los distintos modelos nucleares existentes. No se contienen entre sí, sino que son independientes entre sí y tienen poca correlación entre sí. Investigando más a fondo, la razón de estos problemas está relacionada con la comprensión de los sistemas nucleares de cuerpos múltiples. Según el entendimiento tradicional, el nucleón en el núcleo es solo un punto sin estructura, y el núcleo solo está compuesto por estos nucleones que se consideran puntos. Es decir, el núcleo atómico solo tiene grados de libertad de nucleón y la interacción entre nucleones es. simplemente la interacción entre dos puntos. De hecho, ya en la década de 1930, alguien predijo que habría grados de libertad no nucleares en el núcleo.

En 1932, después de que Chadwick descubriera que además de protones, también había neutrones en el núcleo atómico, Heisenberg propuso que el núcleo atómico estaba compuesto de protones y neutrones. Pero ¿qué fuerza los une fuertemente en el núcleo? En 1935, Yukawa Hideki publicó la teoría del campo mesónico de la fuerza nuclear. Creía que el mesón pi era el medio de la fuerza nuclear y participaba en la desintegración beta. También propuso la ecuación del campo de fuerza nuclear y el potencial de la fuerza nuclear. Según esta teoría, los protones y los neutrones se transforman entre sí mediante el intercambio de piones. En 1947 se descubrieron piones en los rayos cósmicos. Hideki Yukawa ganó el Premio Nobel de Física en 1949 por predecir la existencia de piones en la teoría de la fuerza nuclear.

Con el desarrollo de la física de partículas, la gente ha ido descubriendo gradualmente que en el núcleo atómico, además de los tradicionales grados de libertad de protones y neutrones, hay más grados de libertad, entre ellos: pi mesón grado de libertad , La situación del grado de libertad del mesón ρ, así como los grados de libertad de las partículas Δ y σ de los estados de vibración primaria de varios nucleones, el grado de libertad de los quarks en el núcleo y el grado de libertad de excitación del color en el núcleo. Es mucho más complicado que la comprensión tradicional que la gente tiene del núcleo. El estudio de estos grados de libertad ha enriquecido enormemente los contenidos básicos de la física nuclear.

Desde hace muchos años se busca probar experimentalmente, directa o indirectamente, la existencia de piones en el núcleo. Una dificultad importante es conocer la presencia de piones en el núcleo, lo que requiere un haz de partículas incidente de longitud de onda extremadamente corta. Para evitar más incertidumbres causadas por interacciones fuertes, la gente eligió el método de los fotones incidentes. Hay dos experimentos famosos que prueban la existencia del grado de libertad del mesón pi en el núcleo. Uno es el experimento de división óptica de deuterón. La gente utilizó dos métodos para calcular la sección transversal de reacción del proceso de división óptica de deuterón γ+D→n+p. Se encontró que cuando la energía del fotón incidente Er≤50MeV, los resultados del cálculo de que el núcleo solo tiene un grado de libertad de nucleón puro son consistentes con el experimento, y la desviación es solo de aproximadamente el 10%, sin embargo, cuando Er>50MeV, el cálculo; Los resultados del grado de libertad del nucleón puro son consistentes con los resultados experimentales. La desviación aumenta obviamente y es consistente con los resultados experimentales solo después de considerar el grado de libertad del mesón pi. Este experimento no sólo demostró la existencia de mesones π en el núcleo, sino que también demostró que en la física nuclear ordinaria de baja energía, el grado de libertad de las moléculas no se puede expresar. Otra demostración del grado de libertad de los piones es el estudio del factor de forma del 3He mediante dispersión de electrones.

Los resultados experimentales muestran que durante el proceso de transferencia de impulso entre electrones y núcleos, cuanto más cerca del área del núcleo, mayor es el valor de intercambio de impulso. El área del núcleo es un área de alta transferencia de impulso y el borde del núcleo es un área de baja transferencia de impulso. Solo en el área de baja transferencia de momento En la región central de alta transferencia de momento, se debe tener en cuenta la influencia de los piones y Δ grados de libertad para ser consistente con los resultados experimentales. Este experimento no solo demostró la existencia de grados de libertad del mesón pi en el núcleo, sino que también señaló que en la región central del núcleo, la importancia de los grados de libertad no nucleónicos es aún más prominente.

Grados de libertad de los quarks

Desde finales de los años 40 hasta principios de los 50, cuando se pusieron en funcionamiento grandes aceleradores en todo el mundo, la física de partículas se fue diferenciando gradualmente de la física nuclear. Desde la década de 1960, la física de partículas ha logrado una serie de avances notables. Por ejemplo, a principios de la década de 1970, Glashow, Salam y Weinberg unificaron las interacciones débiles y eléctricas en la teoría de calibre del grupo de simetría SU (2) × U (1) y obtuvieron resultados experimentales de muchos aspectos. . Otro logro famoso en la física de partículas es el establecimiento del modelo de quarks y la cromodinámica cuántica. Según la simetría en el mundo microscópico, no solo se pueden clasificar los hadrones, sino que también proporciona una forma eficaz de comprender la estructura interna de los hadrones. Los hadrones de baja energía se clasifican según el grupo de simetría SU(3). Los componentes básicos de estos hadrones y la base del grupo de simetría SU(3) son los quarks, incluidos los quarks u, d y s. Para que los hadrones satisfagan el espín y la relación estadística que se observa generalmente en la naturaleza, cada quark también tiene tres colores diferentes. La interacción de color es el origen de la interacción fuerte, y los ocho mediadores que transmiten la interacción de color se llaman gluones. En esencia, la teoría de la interacción fuerte es la teoría de calibre del grupo de simetría de color SU(3), llamada cromodinámica cuántica (QCD). Según el modelo de quarks, los nucleones del núcleo atómico deberían estar compuestos por tres quarks de valencia y pares virtuales quark-antiquark llamados quarks marinos y gluones, mientras que los mesones que transmiten las interacciones de los nucleones deberían estar compuestos por quarks de valencia, antiquarks de valencia, quarks marinos. y gluones. Esta nueva visión de la estructura de la materia inspira a la gente a pensar en el hecho de que los nucleones del núcleo se encuentran en el "entorno" del núcleo. ¿Cuál es la diferencia entre ellos y los nucleones libres? ¿Qué impacto tiene el "entorno" nuclear sobre los nucleones? ¿Cuál es la distribución de quarks y gluones en el núcleo? ¿Qué papel juegan? ... Esta serie de problemas estarán todos relacionados con grados de libertad no nucleares, como los grados de libertad de los quarks en el núcleo. Estos problemas se han convertido en la clave para el desarrollo de la física nuclear actual.

La cromodinámica cuántica no se puede utilizar estrictamente para describir sistemas multiquarks como los núcleos atómicos. Considerando la posible existencia de grados de libertad de quarks, alguien ha propuesto un modelo nuclear simplificado más audaz. Este modelo parte de los quarks y las fuerzas de interacción entre ellos, y utiliza un método similar al modelo tradicional de capas de partículas independientes para explicar varias propiedades del núcleo atómico. Al considerar las interacciones entre quarks, este modelo supone la existencia de "pares de fuerzas" y no tiene en cuenta las propiedades de confinamiento de los quarks. Según este modelo, la libertad de color de los quarks hace que el número de quarks permitidos en cada capa sea exactamente igual al número de nucleones en cada capa del modelo de capa tradicional, lo que hace pensar que los quarks en el núcleo tienen grados de libertad. , es posible que no estén tan confinados como en los nucleones libres, entonces, ¿cuál es la probabilidad de que los quarks en el núcleo hayan escapado de los nucleones en el núcleo? ¿Se pueden manifestar los grados de libertad de los quarks dentro de un núcleo atómico? En el estudio de estas cuestiones clave, las dos disciplinas principales, la física nuclear y la física de partículas, se han vuelto a unir y tienden a converger.

Efecto EMC

El modelo tradicional protón-neutrón del núcleo atómico tiene mucho éxito a la hora de describir fenómenos nucleares de baja energía, lo que demuestra que es necesario descubrir el efecto quark u otros Libertad sin nucleones en el núcleo. El grado debe encontrarse en fenómenos nucleares de alta energía. Además, según la predicción del modelo estándar, el núcleo atómico es un sistema de recolección compuesto por varios nucleones y mesones, y tanto los nucleones como los mesones son sistemas de quarks que interactúan a través de los gluones y se mueven constantemente en el núcleo. En la interacción entre nucleones, Overlap forma un grupo de quarks. De esta manera, las propiedades de los nucleones en el núcleo, como tamaño, masa, etc., deben ser diferentes a las de los nucleones libres, por ejemplo, se expandirán ligeramente y. se volverán "gordos" y su masa efectiva se reducirá. Además, la distribución de densidad de los quarks atrapados en nucleones será diferente de la de los nucleones libres. Estos se deben a los efectos de los grados de libertad de los quarks, que se denominan efectos de los quarks.

La forma más directa y eficaz de encontrar el efecto quark en el núcleo es utilizar "sondas" para detectarlo. Esta "sonda" es una partícula incidente con una energía extremadamente alta. Cuanto mayor es la energía de la partícula incidente, más corta es su longitud de onda de German-Royce y mayor es su capacidad para resolver pequeñas escalas dentro del núcleo.

Además, es mejor utilizar elementos no hadrones, como electrones y muones, como sondas para evitar la interferencia de interacciones fuertes, que no se comprenden tan claramente como las interacciones electromagnéticas. Con respecto a los resultados del experimento, algunas personas predicen que cuando se introducen en el núcleo leptones de alta energía con energías de hasta varios electronvoltios, interactuarán con los quarks en el núcleo y se dispersarán analizando la energía, el impulso y la dispersión. Distribución angular de las partículas dispersas. Mide y detecta la distribución del momento de los quarks en el núcleo, es decir, la función estructural del nucleón. Otros creen que el núcleo atómico es simplemente un sistema débilmente unido compuesto de protones y neutrones. En procesos de alta energía de hasta varios electronvoltios, esta unión débil no desempeña ningún papel y no se puede demostrar la influencia "ambiental" del núcleo. Resulta que medir esta constante estructural en un objetivo de nucleón libre no mostrará ninguna diferencia con respecto a un objetivo de nucleón nuclear. Sin embargo, los resultados del experimento superaron con creces las expectativas de algunas personas.

En 1982, en el Centro Europeo de Investigación de Física de Partículas, 89 físicos de alta energía de 17 países y regiones formaron el Grupo Europeo de Colaboración para Experimentos de Muones (Grupo EMC) para realizar experimentos de dispersión inelástica profunda de leptones. Los leptones de alta energía que utilizaron fueron electrones, muones y neutrinos. La energía transferida entre leptones y nucleones alcanzó entre varias y decenas de GeV. Los resultados del experimento se publicaron en la revista Physical Communications. El experimento obtuvo la relación entre la función estructural del núcleo del átomo de hierro y la función estructural del núcleo de deuterón. Se encontró que esta relación es función de la relación x del momento del quark y el momento promedio del nucleón. está dentro de un cierto rango (zona Buyoke), esta relación es 0,05 ~ 0,8 y cambia con x en un patrón determinado. Este resultado es importante, porque si se considera que los nucleones en el núcleo aún mantienen las propiedades de los nucleones libres, esta relación debería ser 1. Los resultados experimentales donde la relación se desvía de 1 indican que los nucleones en el núcleo contienen más energía baja. quarks. Aunque los nucleones están débilmente unidos al núcleo, la presencia de materia nuclear circundante todavía afecta significativamente la distribución del momento de los quarks unidos al núcleo. Ante este hecho experimental, la gente tuvo que cambiar sus puntos de vista originales, y este resultado se denominó "efecto EMC". Posteriormente, el efecto EMC fue confirmado sucesivamente mediante experimentos en el acelerador lineal de Stanford en los Estados Unidos, el sincrotrón de electrones en Alemania y varios otros grandes aceleradores del mundo.