Välkommen till Resurscentrums frågelåda!

 

Vill du ha ett snabbt svar - sök i databasen: Anpassad Google-sökning
(tips för sökningen).
Använd diskussionsforum om du vill diskutera något.
Senaste frågorna. Veckans fråga.

7 frågor/svar hittade

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [20615]

Fråga:
Hej! Jag håller nu på att läsa om higgsfältet och jag har stött på en hel del begrepp som jag inte förstår. De första är isospinn och svagt isospinn. Det enda jag hittar om de är att isospinn är spinn kopplat till stark växelverkan och svagt isospinn är spinn kopplat till svag växelverkan. Menar man att spinnet på en partikel ändras om den växelverkar med någon av de kraftbärande partiklarna? Finns det någon formel som gör om spinn till isospinn beroende på svag eller stark växelverkan?

Det andra begreppet är hyperladdning och svag hyperladdning. Jag har läst att hyperladdning är laddning kopplat till stark växelverkan och svag hyperladdning är laddning som är kopplat till svag växelverkan. Menar man att laddning ändras vid växelverkan en kraftbärande partikel? Finns det en formel som gör om laddning till svag hyperladdning och hyperladdning? Finns det ens någon formel som visar kraften för svag eller stark växelverkan? Typ något liknande coulumbs och newtons lag fast med andra variabler.

Mycket tacksam för svar!
/Isac M, Katarinaskolan, Uppsala

Svar:
Detta är en mycket avancerad fråga om en mycket matematisk teori. Vi är inte specialister på denna, så svaret begränsas till isospinn.

I kärnfysik och partikelfysik är isospinn ett kvanttal relaterat till den starka växelverkan. Partiklar (t.ex. nukleoner och atomkärnor) som påverkas lika av den starka kraften men har olika laddning kan betraktas som olika tillstånd av en och samma partikel med isospinnvärden givna av antalet laddningstillstånd, se Isospin och Isospinn .

Isospinn har alltså inget alls med spinn att göra utan det är ett kvanttal som uppför sig som spinn.

Det enkla två-nukleonsystemet behandlas i fråga 18298 (figuren nedan). Det lägsta tillståndet har bara en komponent Tz=0 så det har isospinn T=0. Det första exciterade tillståndet i deuterium (obundet bestående av en proton och en neutron) har tre komponenter Tz=1, 0,-1 så det måste ha T=1. Antalet tillstånd är alltså 2T+1.

Stark hyperladdning definieras i hyperladdning .

Den svaga växelverkan behandlas i Electroweak_interaction -- som synes ganska teoretiskt!



/Peter E

Nyckelord: kärnkrafter [7];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [18577]

Fråga:
Såvitt jag har förstått det hela rätt så hålls atomkärnan i huvudsak ihop av "stark växelverkan". I grund och botten så är det inte den "egentliga" starka växelverkan, utan snarare "pioner" som uppkommer som en bieffekt. Varför skapas de här pionerna, och vilken effekt har de på de protoner och neutroner som växelverkar? Vad består de av?

Den "riktiga växelverkan" sker då "inuti" nukleonerna, med gluoner som fältpartikel. Men gluoner har också en färgladdning, precis som kvarkarna. Vad har det här för effekt? Byter kvarkarna färg?

Dessutom så ska det krävas som minst gluoner om atomkärnan har ett visst antal nukleoner i förhållande till protoner (tror att det är Järn med 30 neutroner som är stabilast), och då "frigörs" gluoner om t.ex atomkärnor med mindre antal neukloner slår sig ihop för att komma närmare det här talet. Varför?
/Axel H, Tunaskolan, Lund

Svar:
Axel! Bra och svåra frågor du ställer! Det är saker som teoretiker jobbar med att förstå!

Vad gäller beskrivning av kärnkraften se fråga 1720 . Det är korrekt att den starka kraften orsakas av att kvarkarna är färgade.

Gluonernas egenskaper och påverkan på kvarkarna behandlas i fråga 15154 . Som du ser har gluonerna färg,anti-färg och får kvarkarna att byta färg.

Vilka kärnor som blir stabila och hur stabila kärnor sönderfaller behandlas i fråga 13758 .
/Peter E

Nyckelord: kärnkrafter [7]; färgkraften [8];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [18298]

Fråga:
Hej! Det har producerats isotopen Helium-2, dvs två protoner so håller ihop!, med en halveringstid(?) på ~10^-27 s och ett sönderfall till väte-2.

Hur sker det sönderfallet? En plusladdning försvinner och en neutron skapas. Energibalansen, hur är den? Skapas neutriner eller t o m absorberas från omgivningen? Och kan man verkligen säga att en isotop existerar när det gäller så korta tidrymder? (Beklagar den flerdelade frågan, men den rör ju ett och samma ämne.)
/Thomas Å, Knivsta

Svar:
Halveringstiden för diprotonen är nog lite längre än vad du säger, men systemet är obundet och sönderfaller till två protoner i princip så snabbt det går.

Det alternativa sönderfallet är ett vanligt betasönderfall, se fråga 15929 . Betasönderfallet har en enormt mycket lägre sannolikhet och förekommer i princip endast centrum av stjärnor. I stjärnor kolliderar protonerna hela tiden, och i en mycket liten andel av dessa kollisioner sker även ett betasönderfall till deuterium. Det är första steget i denna s.k. proton-proton kedja som reglerar hastigheten hos vätefusionen i stjärnor, se Proton-proton_chain_reaction .

Diprotonen har även observerats i ett par exotiska sönderfall, se Diproton .

Anledningen till att diprotonen är obunden är inte, som man skulle kunna tro, att protonerna repellerar varandra. Det gör de naturligtvis, men det är en i sammanhanget liten effekt. Den avgörande effekten är spinnberoendet hos kärnkraften som håller ihop neutroner och protoner i atomkärnorna, se Isotopes_of_helium#Helium-2_(diproton) .

Deuteronen (se nedanstående figur) har i sitt grundtillstånd spinn/paritet 1+. Detta åstadkoms genom att neutronens och protonens spinn (1/2) är riktade åt samma håll. Det lägsta exciterade tillståndet i deuterium, med spinnen antiparallellt, ligger över separationsenergin på 2.2 MeV och är alltså obundet.

För fallen diproton och dineutron är tillstånden med parallellt spinn förbjudna enligt pauliprincipen (Pauli_exclusion_principle ), eftersom två identiska fermioner (halvtaligt spinn) inte kan ockupera ett tillstånd med identiska kvanttal. Bosoner (partiklar med heltaligt spinn) behöver däremot inte lyda pauliprincipen.

Det som alltså orsakar att diprotonen, dineutronen och det första exciterade tillståndet i 2H är obundna är alltså att kraftverkan mellan två nukleoner med parallellt spinn är större än när spinnen är antiparallella. Om denna senare kraftverkan bara hade varit lite starkare så hade diprotonen varit bunden. Man hade då fått en helt ohämmad fusion av protoner så att stjärnor knappast hade kunnat bildas.

Se även fråga 20615 .



/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [20]; kärnkrafter [7]; pauliprincipen [10];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [14621]

Fråga:
Positiv och Negativ attraherar, positiv och positiv reppelerar... Hur kommer det sig att en atomkärna kan hålla sig samman? Bör inte protonerna i kärnan reppelera varandra? Bly är det sista stabila ämnet, sönderfaller ämnen efter PB pga att det är för många protoner så att den omöjligt kan hålla sig samman?
/Alexander D, Centralskola, Svedala

Svar:
Alexander! Vismut (Z=83) har faktiskt en stabil isotop Bi-209. Anledningen till att kärnorna håller ihop även med flera protoner är att alla nukleoner (protoner och neutroner) attraherar varandra med en kraft - kärnkraften (Nuclear_force ) - som är större än coulombrepulsionen mellan protonerna.

Ämnen bortom vismut sönderfaller (med alfasönderfall eller spontan fission) därför att med många protoner tar repulsionen över och bindningsenergin blir inte tillräcklig för att hålla ihop kärnan. Om antalet protoner är Z blir repulsionen proportionell mot Z(Z-1)/2 (antal par av protoner) medan attraktionen är proportionell mot A (totala antalet nukleoner). För stora Z kommer då det kvadratiska beroendet hos repulsionen att ta över. Anledningen till att den repulsiva kraften (coulombrepulsionen) har kvadratiskt beroende och den attraktiva kraften (kärnkraften) har linjärt beroende är att coulombkraften har lång räckvidd medan kärnkraften har kort räckvidd.
/Peter E

Nyckelord: bindningsenergi [20]; kärnkrafter [7];

*

Partiklar [13463]

Fråga:
Tja jag är en pojke på 14 vårar som skulle vilja ställa 2 frågor av intresse var vänlig att förklara så tydligt som möjligt med tanke på min ålder: 1. Vad är det för skillnad på fotoner, gluoner och gravitoner (tror jag de hette rätta mig om jag har fel)? 2.Hur uppstår den nukleärakraften, jag vet att den kommer från nukleonerna och jag vet vilka kvarkar de är uppbyggda av men är det bara att acceptera att den finns där. Jag menar laddningar brukar väl inte vilja vara i närheten av samma laddningar?
/Daniel K, björndalen, Trollhättan

Svar:
Daniel! Bra frågor, men naturligtvis inte lätta att svara på. Jag skall försöka göra det så enkelt som möjligt!

1. De partiklar du nämner är förmedlare av (de som överför på avstånd) de grundläggande krafterna. Om vi kompletterar med W,Z så är krafterna och förmedlarna:
  gravitation - graviton (ej påvisad)
  svaga kraften (betasönderfall) - W- och Z0
  elektromagnetiska kraften - foton
  starka kraften (färgkraften) - gluon
Dessa partiklar är inte bara olika i vilka krafter de förmedlar, utan även t.ex. mycket olika tunga. Fotonen har t.ex. vilomassan 0 medan W,Z väger lika mycket som en zirkonium-atom!

2. Du har rätt i att protonerna i kärnan är positivt laddade och repellerar varandra (vill inte vara i närheten av varandra). Det som gör att kärnan hålls ihop är den starka kraften (färgkraften kallas den, inte för att den har något med färg att göra utan för att det finns tre "laddningar) helt enkelt är starkare. De tre kvarkarna som bygger upp neutroner och protoner är "färg"laddade, och det är detta som dels håller ihop tre kvarkar till en neutron/proton, och dels håller ihop neutronerna och protonerna i en atomkärna. Färgkraften var ämnet för årets (2004) nobelpris i Fysik, se länk 1. Exakt hur färgkraften håller ihop atomkärnan har man ännu ingen riktigt bra beskrivning av - det är ett av de hetaste problemen i kärnfysik just nu.
/Peter E

Se även fråga 3456 och fråga 12080

Nyckelord: kärnkrafter [7]; kraftverkningar [9]; färgkraften [8];

1 http://nobelprize.org/physics/laureates/2004/public-sv.html

*

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];

*

Materiens innersta-Atomer-Kärnor [1720]

Fråga:
Vad är kärnkrafter?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Vad är kärnkrafter?
/Martin S, Dee Geer, Norrköping

Svar:
Kärnkrafter kallas också stark växelverkan. Den verkar mellan neutroner och protoner (och vissa andra kortlivade partiklar), och utgör "limmet" som håller ihop atomkärnan. Den har kort räckvidd, men är mycket stark - starkare än repulsionen mellan positiva protoner.

Ser vi det på kvarknivå, är färgkraften ansvarig för att hålla ihop de tre kvarkarna i protoner och neutroner (nukleoner). Den förmedlas här av en sorts "limpartiklar" som kallas gluoner. Teorin kallas QCD eller kvantkromodynamik (Kvantkromodynamik ). Gluonerna är masslösa (tror man) och skapas och absorberas hela tiden av kvarkarna. Se fråga 15154 för de olika typer av gluoner som finns. Detta utbyte av partiklar är likt beskrivningen av den elektromagnetiska kraften som ett utbyte av fotoner. Skillnaden är att gluonerna har färgladdning medan fotonerna är oladdade.

En annan skillnad är att avståndsberoendet är helt annorlunda. Den elektromagnetiska kraften avtar med avståndet r som 1/r2. Färgkraften är försumbar på små avstånd men mycket stor på stora avstånd (1 fm). Detta kallas asymptotisk frihet (Asymptotic_freedom ).

För atomkärnan ser man kärnkraften som en van der Waalskraft (Van_der_Waals_force ) som orsakas av att man får en polarisation av de tre färgerna i nukleonerna. Teorierna som beskriver detta är dels exakta (QCD_lattice_model ) och dels störningsteorier. Man har emellertid ännu inte kommit fram till en helt tillfredsställande beskrivning.

Alternativt kan man beskriva kärnkraften som ett utbyte av pioner. Denna klassiska modell (Yukawa_interaction ) används fortfarande och ger bra resultat. Vid utbyte av laddade pioner byter nukleonerna skepnad, dvs protoner blir neutroner och tvärtom. Se figuren i länk 1.

Utbyteskraften i atomkärnor illustreras i figuren nedan (Strong_interaction ) med följande figurtext:

An animation of the nuclear force (or residual strong force) interaction between a proton and a neutron. The small colored double circles are gluons, which can be seen binding the proton and neutron together. These gluons also hold the quark-antiquark combination called the pion together, and thus help transmit the a residual part of the strong force even between colourless hadrons.

Observera att figuren visar utbyte av en oladdad pion, vilken naturligtvis inte ger förändring proton-neutron.

Du kan läsa mer om det här: The ABC's of Nuclear Science och färgkraften .

Tack Kevin för en lektion i QCD för kärnfysiker!



/KS/lpe

Se även fråga 1433

Nyckelord: kärnkrafter [7]; färgkraften [8]; gluoner [6];

1 http://www.nobelprize.org/educational/physics/matter/14.html

*

Ämnesområde
Sök efter
Grundskolan eller gymnasiet?
Nyckelord: (Enda villkor)
Definition: (Enda villkor)
 
 

Om du inte hittar svaret i databasen eller i

Sök i svenska Wikipedia:

- fråga gärna här.

 

 

Frågelådan innehåller 7179 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2017-09-20 12:13:24.


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
.