Magerő

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Ez a cikk a nukleonok között ható az ún. maradék magerőkről szól. Az "erős magerőket" ld. az erős kölcsönhatás, a "gyenge magerőket" a gyenge kölcsönhatás cikkben.

A magerő (vagy nukleon-nukleon kölcsönhatás vagy maradék magerő) a két vagy több nukleon között ható erő. Ez köti a protonokat és neutronokat atommagokká. Ezt az erőt nagy mértékben megérthetjük úgy, mint könnyű mezonok (pl. pionok) cseréjének következményét.

A magerőt néha maradék magerőnek is hívják, megkülönböztetve az erős kölcsönhatástól, ami mai tudásunk szerint a kvantumszíndinamika (QCD) következménye. Ezt a szóhasználatot az 1970-es években kezdték alkalmazni, azelőtt az erős nukleáris erő a nukleonok közötti potenciálra hivatkozott. Ezután viszont a QCD-t jelentette. Mivel a nukleonoknak nincs színtöltésük, a magerő direkt módon nem foglalja magában a kvantumszíndinamika erőhordozóit, a gluonokat. A magerő az erős kölcsönhatás olyan "maradékának" tekinthető, mint az atomok közötti maradék elektromágneses kölcsönhatás, a van der Waals-erő.

[szerkesztés] Története

A magerő a magfizika szívében helyezkedett el, amióta csak James Chadwick 1932-ben felfedezte a neutront. A magfizika hagyományos célja az atommag megértése a nukleonpárok közötti 'csupasz' kölcsönhatás, azaz a nukleon-nukleon (NN) erők nyelvén.

Hideki Yukawa tette 1935-ben az első kísérletet a magerő természetének magyarázatára. Elmélete szerint tömeggel rendelkező bozonok (mezonok) közvetítik a két nukleon közötti kölcsönhatást. Bár a QCD fényében a mezonelméletet nem tekintjük többé alapvetőnek, a mezoncsere elve (ahol a hadronok elemi részecskék) a legjobban működő modell a kvantitatív NN potenciálok esetén.

Történelmileg óriási feladatnak bizonyult a magerőnek csak fenomenologikus leírása is, és egy negyedszázadig tartott, amíg az első félempirikus kvantitatív modell megszületett az 1950-es évek közepén. Soha azóta nem történt alapvető előrehaladás a magerőhöz kapcsolódó elméletben és kísérletekben. A legalapvetőbb kérdéseket feltették az 1960-as és 1970-es években. A legutóbbi időkben a kísérletiek a magerő finomságaira koncentráltak, olyanokra mint a töltésfüggésére, a πNN csatolási állandó pontos értékére, a fáziseltolás analízisre, nagypontosságú NN adatokra, nagypontosságú NN potenciálra, NN szórásra közbülső és nagy energiák esetén, és a magerőnek a QCD-ből való származtatásának próbálkozásaira.

[szerkesztés] A magerők alapvető tulajdonságai

A magerő csak hadronok között lép fel.
Tipikus nukleon elkülönülés esetén (1,3 fm) ez egy rendkívül erősen vonzó erő (104 N).
Sokkal kisebb nukleontávolságok esetén az erő rendkívül taszító, ami bizonyos távolságra tartja egymástól a nukleonokat.
1.3 fm távolságon túl az erő exponenciálisan lecseng.
Rövid távolságon a magerő erősebb, mint a Coulomb-erő, le tudja győzni a magban a protonok közötti Coulomb-taszítást. A Coulomb-erőnek viszont sokkal nagyobb a hatótávolsága, és 2,5 fm-n túl az egyetlen lényeges kölcsönhatás marad a protonok között.
Az NN erő közel független attól, hogy a nukleon proton vagy neutron. Ezt a tulajdonságot töltésfüggetlenségnek hívjuk.
Az NN erő függ attól, hogy a nukleonok spinje párhuzamos, vagy ellentétes irányban áll.
Az NN erőnek van egy nemcentrális vagy tenzor komponense. Emiatt az erő nem őrzi meg a pálya-impulzusmomentumot, ami centrális erőtér esetén megmarad.

[szerkesztés] Nukleon-nukleon potenciálok

A kétnukleon-rendszerek, mint a deuteron vagy a proton-proton és neutron-neutron szórás ideálisak az NN erő vizsgálatához. Az ilyen rendszereket kezelhetjük úgy, hogy a nukleonhoz egy potenciált rendelünk (mint pl. a Yukawa-potenciál) és ezt a Schrödinger-egyenletben használjuk. A potenciál alakját fenomenologikusan származtatjuk, bár a nagy hatótávolságú kölcsönhatásokra a mezoncsere-elméletek segítenek a konstrukcióban. A potenciál paramétereit a kísérleti adatokhoz illesztjük, mint pl. a deuteron kötési energiájához, vagy az NN rugalmas szórás hatáskeresztmetszetéhez, vagy ami ebben a kontextusban ekvivalens az ún NN fáziseltoláshoz.

A leggyakrabban használt NN potenciálok a Párizs-potenciál, az Argonne AV18 potenciál, a CD-Bonn potenciál és a Nijmegen-potenciálok.

[szerkesztés] A nukleonoktól a magokig

A magfizika végső célja minden nukleáris kölcsönhatásnak a nukleonok között ható alapvető kölcsönhatásokból kiinduló leírása lenne. Ezt a magfizika mikroszkopikus vagy ab initio megközelítésének hívjuk. Két fő akadálya van ezen álom megvalósulásának:

A soktest-probléma számítások nem triviálisak és hatékony számítási technikákat kívánnak.
Bizonyíték van arra, hogy két nukleonnál többet tartalmazó rendszerekben a háromnukleon-erők (és talán a négynukleon-erők, ötnukleon-erők is stb.) elég jelentős szerepet játszanak. Így (legalább) a háromnukleon-potecónciálokat bele kell venmni a modellbe.

Mindenesetre hála a számítási háttér állandó fejlődésének, a nukleáris héjmodelleknek a két- és háromnukleon potenciálokból való mikroszkopikus számolása lehetővé vált, és eljutott a 12-es atomtömegig.

Egy új, ígéretes közelítés az effektív térelméletek fejlesztése a nukleon-nukleon és háromnukleon erők konzisztens leírására. Nevezetesen a királis szimmetriasértés vizsgálható az effektív térelméletek nyelvén (amit királis perturbációelméletnek hívunk), ami lehetővé teszi a nukleonok közötti pioncserés kölcsönhatás perturbatív számolását.

[szerkesztés] Magpotenciálok

A nukleáris kölcsönhatások leírásának egyik sikeres módja, ha egyetlen potenciált konstruálunk az egész mag számára ahelyett, hogy egyenként tekintenénk a nukleonjait. Ezt makroszkopikus megközelítésnek hívjuk. Pl. neutronnak magon való szórását leírhatjuk egy síkhullámmal a mag potenciáljában, aminek van valós és képzetes része. Ezt gyakran optikai modellnek hívjuk, mivel hasonlít arra, amikor fény szórunk egy opálos üveggömbön.

A nukleáris potenciál lehet lokális vagy globális: a lokális potenciálok keskeny energiatartományra és/vagy keskeny atommagtömeg tartományra korlátozódnak, míg a globális potenciálok, amiknek több paraméterük van, általában kevésbé pontosak, az energia és a tömeg függvényei és ezért szélesebb tartományban és többféle esetben használhatók.