ΟΙ ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

ΟΙ ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

ΟΙ ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

  Είδαμε ότι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια του ατόμου συγκρατούνται σε αυτό από τις ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις που τους ασκεί ο θετικά φορτισμένος πυρήνας.

Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της Φύσης 

  Όμως ποιες δυνάμεις συγκρατούν τα συστατικά του πυρήνα;

   Είδαμε ότι τα νουκλεόνια βρίσκονται σε μια  αέναη και αδιάκοπη κίνηση μέσα στον πυρήνα.Εξαιτίας της κίνησης αυτής  τα νουκλεόνια έχουν μια  τεράστια κινητική ενέργεια,η οποία τείνει  να τα διασκορπίσει προς τα έξω και επομένως να διαλύσει τον πυρήνα.Επιπλέον τα πρωτόνια στον πυρήνα υφίστανται την αμοιβαία ηλεκτρική άπωση,η  οποία τείνει επίσης  να τα εκδιώξει  από τον πυρήνα.Μεταξύ των πρωτονίων ασκούνται ισχυρές απωστικές δυνάμεις.Πού οφείλεται λοιπόν η σταθερότητα των πυρήνων;Γιατί τα πρωτόνια δεν εκσφενδονίζονται μακριά το ένα από το άλλο;

Ο Χίντεκι Γιουκάβα (23 Ιανουαρίου 1907-8 Σεπτεμβρίου 1981) ήταν Ιάπωνας φυσικός.Είναι κυρίως γνωστός για τη θεωρητική πρόβλεψη της ύπαρξης του μεσονίου και για το δυναμικό Γιουκάβα (Yukawa potential),που περιγράφει την ισχυρή εξάρτηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης από την ακτίνα δράσης της.Για τη συνεισφορά του αυτή στη θεωρητική φυσική έγινε ο πρώτος Ιάπωνας που τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1949.Σπούδασε Φυσική στην Ιαπωνία και σε ηλικία 22 ετών έγινε καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Κιότο.Ο Γιουκάβα είναι ο πρώτος Ιάπωνας επιστήμονας που πήγε στις ΗΠΑ μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, όπου και έγινε καθηγητής της Θεωρητικής Φυσικής στο πανεπιστήμιο Κολούμπια

  Το 1935 ο Ιάπωνας φυσικός Γιουκάβα για να ερμηνεύσει το σχηματισμό των πυρήνων,πρότεινε την ύπαρξη μιας άγνωστης μέχρι τότε δύναμης.Η δύναμη αυτή, ασκείται μέσα στον πυρήνα και είναι ισχυρότατα ελκτική ώστε να υπερνικά την άπωση μεταξύ των πρωτονίων.

Η εμβέλεια της πυρηνικής δύναμης.

Τα πρωτόνια αλληλεπιδρούν:
α) με ηλεκτρικές δυνάμεις (απωστικές), 
β) με ισχυρές πυρηνικές (ελκτικές). Σε απόσταση μεγαλύτερη από 10^-15 m η ισχυρή πυρηνική δύναμη σχεδόν μηδενίζεται  

  Αυτή η δύναμη ονομάζεται ισχυρή πυρηνική δύναμη.Αυτή η δύναμη υπερνικά την ηλεκτρική άπωση και την τάση που  έχουν  τα νουκλεόνια να διασκορπιστούν λόγω της έντονης κίνησής τους.
  Η ισχυρή πυρηνική δύναμη έχει τα εξής χαρακτηριστικά: 

α) Ασκείται μόνο μεταξύ γειτονικών πρωτονίων και νετρονίων,είναι ελκτική και εξίσου ισχυρή για τα ζεύγη πρωτονίου-πρωτονίου,πρωτονίου-νετρονίου και νετρονίου-νετρονίου.Εξαιτίας αυτής της ισοδυναμίας τα πρωτόνια και τα νετρόνια ονομάζονται με μια λέξη νουκλεόνια.

β) Δρα μόνο μεταξύ γειτονικών νουκλεονίων και μόνο στις πολύ κοντινές αποστάσεις.Είναι πολύ μικρής εμβέλειας,δηλαδή ασκείται μόνο μεταξύ νουκλεονίων που η απόστασή τους είναι μικρότερη από 10^-15m.Γι’ αυτό το λόγο οι πυρήνες έχουν πάρα πολύ μικρό μέγεθος. 

  Πράγματι, όταν η απόσταση μεταξύ των κέντρων δύο νουκλεονίων είναι μεγαλύτερη από 4×10^-15m,η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι σχεδόν μηδέν.

Η εμβέλεια της πυρηνικής δύναμης
Τα νετρόνια αλληλεπιδρούν μόνο με ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις (ελκτικές)

    Γιατί είναι αναγκαία η ύπαρξη των νετρονίων για το σχηματισμό ενός πυρήνα;

  Τα πρωτόνια όταν βρίσκονται πολύ κοντά έχουν πολύ μεγάλες κινητικές ενέργειες με αποτέλεσμα να απομακρύνονται μεταξύ τους. Όσο όμως αυξάνεται η απόσταση των πρωτονίων η ισχυρή πυρηνική δύναμη εξασθενεί και η απωστική ηλεκτρική δύναμη υπερισχύει .

Νετρόνια: η κόλλα του πυρήνα.Το πρωτόνιο Β και το νετρόνιο Α βρίσκονται πολύ κοντά.Έλκονται με ισχυρή πυρηνική δύναμη.Τα νετρόνια Α και Δ είναι κοντά και έλκονται με ισχυρή πυρηνική δύναμη.Το πρωτόνιο Ε και το νετρόνιο Δ βρ.ίσκονται πολύ κοντά και έλκονται με ισχυρή πυρηνική δύναμη.Τελικά τα νετρόνια λειτουργούν ως «κόλλα» η οποία συγκρατεί τα μακρινά πρωτόνια Β και Ε στον πυρήνα

 Αν όμως μεταξύ των πρωτονίων μεσολαβούν νετρόνια, τότε μεταξύ πρωτονίων-νετρονίων αναπτύσσονται μόνο οι ελκτικές ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και έτσι τα νετρόνια λειτουργούν ως «κόλλα» που διατηρεί τα πρωτόνια σε κοντινή απόσταση.Όσο περισσότερα πρωτόνια υπάρχουν σε ένα πυρήνα,τόσο περισσότερα νετρόνια απαιτούνται για να συγκρατηθούν ενωμένα.Γι’ αυτό και στους βαρύτερους πυρήνες υπάρχουν περισσότερα νετρόνια από πρωτόνια.

Η κινητική ενέργεια των νουκλεονίων και η απωστική δύναμη μεταξύ των πρωτονίων τείνουν να αποσυνθέσουν τον πυρήνα, ενώ η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι αυτή που τον κρατάει ενιαίο

  Στο γήινο περιβάλλον και στον κόσμο  γύρω μας, που γίνεται άμεσα αντιληπτός, οι πυρήνες σχεδόν ποτέ δεν πλησιάζουν ο ένας τον άλλο,γιατί οι ηλεκτρικές απώσεις δεν τους αφήνουν.Έτσι η ισχυρή πυρηνική δύναμη,που  δρα μόνο «εξ επαφής»,δεν γίνεται εύκολα αισθητή ούτε και επηρεάζει άμεσα τα μακροσκοπικά φαινόμενα. 

  Υποψιαστήκαμε για  πρώτη  φορά την  ύπαρξή της,μόνο  όταν μπορέσαμε με κατάλληλους επιταχυντές να δώσουμε υψηλές κινητικές ενέργειες σε πυρήνες κυρίως ελαφρούς,ώστε να μπορέσουν να υπερνικήσουν το φράγμα των ηλεκτρικών απώσεων και να πλησιάσουν σε απόσταση λιγότερη από 2x10^-15m άλλους πυρήνες.Έτσι καταφέραμε να αλληλεπιδράσουν οι δύο πυρήνες και να σχηματιστούν νέοι πυρήνες. 

Ο ΠΥΡΗΝΑΣ ΣΗΜΕΡΑ

 Έχουν ανακαλυφθεί 18 είδη κουάρκ και πιστεύεται ότι αυτά μαζί με τα 6 λεπτόνια αποτελούν βασικά δομικά συστατικά της ύλης.

Το σύγχρονο μοντέλο του υποατομικού μικρόκοσμου

  Η επανάσταση όμως δεν σταμάτησε εκεί.Νέους ορίζοντες άνοιξε η υπόθεση απ' τον Αγγλου Ντάιρακ της ύπαρξης ενός σωματιδίου με μάζα ίση με του ηλεκτρονίου αλλά με αντίθετο φορτίο.Το "ποζιτρόνιο",όπως ονομάστηκε ανακαλύφθηκε δύο χρόνια μετά στην κοσμική ακτινοβολία, αποκαλύπτοντας μια συμμετρία μεταξύ Ύλης και Αντιύλης.Αυτή η συμμετρία προέβλεπε την ύπαρξη ενός αντι-σωματιδίου για κάθε γνωστό σωματίδιο (με ίδια μάζα και αντίθετο φορτίο).Τα ζεύγη σωματιδίων και αντι-σωματιδίων μπορούσαν να δημιουργηθούν αν διοχετευθεί η κατάλληλη ενέργεια για τη δημιουργία τους,αλλά αντίθετα μπορούν να εκμηδενιστούν και να μετατραπούν σε ενέργεια.Οι προβλέψεις αυτές επιβεβαιώθηκαν πειραματικά με τη δημιουργία αντιύλης στο εργαστήριο. 

Η Πυρηνική Φυσική είναι ο τομέας της Φυσικής που ασχολείται με τη μελέτη των φαινομένων που συσχετίζονται με τον πυρήνα του ατόμου, τα στοιχειώδη σωματίδια που τον αποτελούν καθώς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους (δομή,χαρακτηριστικά,συμπεριφορά κλπ.)

 Έτσι αναπτύχθηκε η Πυρηνική Φυσική που ασχολείται με τις ιδιότητες των διαφόρων πυρήνων που υπάρχουν,ξεκινώντας απ' τις ιδιότητες των συστατικών τους: των πρωτονίων και των νετρονίων.Η Πυρηνική Φυσική μελετάει επίσης τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στα πλαίσια του Μικρόκοσμου.