Visa fråga/svar

 

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [12810]

Fråga:
Hej! Om den starka kärnkraften verkar mellan proton-proton, proton-neutron och neutron-neutron, varför finns då inga "kärnor" av neutroner utan protoner? I neutronstjärnorna är det väl gravitationen som håller samman neutronerna?
/kristina b, rudbeck, örebro

Svar:
Bra fråga Kristina! Om nu protoner (p) och neutroner (n) är så lika varför finns det inte kärnor med bara neutroner? Det finns inte heller kärnor med bara protoner. Jamen, säger du, dom är ju positivt laddade så dom repellerar varandra. Visst, men åtminstone för lätta kärnor är coulombrepulsionen liten jämfört med det attraktiva kraften mellan nukleoner.

Förklaringen är att neutroner och protoner, även om de har liknande egenskaper, kvantmekaniskt är olika partiklar. De har också halvtaligt spinn, så de är s.k. fermioner. Fermioner måste lyda pauliprincipen, som säger att två identiska partiklar (t.ex. två protoner eller två neutroner, men inte en proton och en neutron) inte får besätta samma tillstånd.

När vi löser schrödingerekvationen för protoner eller neutroner i en atomkärna (låt oss här bortse från komplikationerna att det är väldigt trångt i kärnan och att nukleonerna knuffas jättemycket), så får vi ett antal tillstånd av olika energi. Låt oss säga att det två lägsta har energin 0 och 2 MeV. Låt oss även (förenklat) anta att varje tillstånd har plats till två nukleoner - en med spinn upp och en med spinn ner.

Vi bygger nu upp succesivt tynge kärnor genom att lägga till en neutron i taget. De två första går i det lägsta neutrontillståndet. Om vi försöker lägga till en tredje neutron så måste vi lägga den i tillståndet men energin 2 MeV. Om vi i stället lagt till en proton, så hade vi kunnat lägga den i tillståndet med energin 0. Det senare alternativet har alltså mer bindningsenenergi, dvs är mer stabilt. Om vi envisas med att lägga till neutron nummer tre, kommer kärnan snart att upptäcka att kombinationen 2n+p, alla i det lägsta tillståndet, är mer bundet, så kärnan kommer att sönderfalla till detta stabilare tillstånd.

Detta förklarar varför 4He är så stabilt: 4He är 2p och 2n i det lägsta tillståndet. Om man lägger till en nukleon till så måste den till tillståndet med energin 2 MeV, och det visar sig att den inte ens är bunden - det finns inga kärnor med A=5! Men varför finns det ännu tyngre kärnor då? Det borde bli ännu värre! Anledningen är att efterhand som vi får fler och fler nukleoner i kärnan, så kommer attraktionen att göra potentialgropen djupare, så att fler och fler av tillstånden blir bundna.

Detta är approximativt sant för alla lätta kärnor (säg A<20) utom för A=2. Varför är deuteronen (p+n) stabil medan 2n och 2p är instabila? Enligt resonemanget ovan kan man lägga båda nukleonerna i det lägsta tillståndet, så det borde kvitta om vi tar p+n, 2p eller 2n. Anledningen här är en egenskap hos den ganska komplicerade kraften mellan nukleoner. Kraften mellan två nukleoner är olika om de har spinnet åt samma eller åt olika håll. Kraften mellan två nukleoner med spinnen åt samma håll är betydligt starkare än om spinnen är motriktade. Men för systemen 2p och 2n tvingar pauliprincipen spinnen att bli motriktade. Endast i kombinationen n+p tillåts spinn åt samma håll, varför endast n+p (deuteronen) är bunden, se fråga 18298 .

Om kraften mellan två nukleoner med motsatt spinn bara varit lite större, hade universum sett helt annorlunda ut. Stjärnor som långsamt förbränner väte till helium skulle inte kunna bildas eftersom de omedelbart skulle ha exploderat! Utan stjärnor: inget liv och inga människor som kan fundera över sådana här saker!

Du har helt rätt i att neutronstjärnor är ett helt annat problem: neutronstjärnor hålls ihop av gravitationskraften. Denna är visserligen svag, men har lång räckvidd och blir mycket stark om vi har en stor massa.

För mer om kärnkrafter se Nuclear_force .
/Peter E

Nyckelord: pauliprincipen [10]; kärnkrafter [7];

*

 

 

Frågelådan innehåller 7376 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2019-03-12 13:41:21.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.