Јака нуклеарна сила

Анимација међудјеловања јаке нуклеарне силе (или резидуалне јаке нуклеарне силе). Мали обојени двоструки дискови су глуони.

Јака нуклеарна сила, јака сила или јако међудјеловање је темељно међудјеловање (фундаментална интеракција) кваркова и глуона које држи на окупу кваркове у нуклеону (протони и неутрони) и "преостала" (резидуална) јака сила, преношена мезонима, која држи на окупу нуклеоне у атомској језгри (физика елементарних честица). Наиме, темељне силе подвргнуте су такозваном баждарному начелу, то јест одређене су локалном симетријом. Глуони су баждарни бозони квантне кромодинамике. Три набоја, названа бојом, извор су за осам глуона. Будући да и сами глуони имају набој боје, то упућује на њихову самоинтеракцију (самодјеловање), која квантну кромодинамику чини сложенијом од електродинамике (електромагнетска сила не дјелује на фотоне и фотони не дјелују међусобно). Својство асимптотске слободе, то јест смањивање јакости међудјеловања на малим удаљеностима према нули омогућује примјену рачуна сметње као у електродинамици. ^[1]

Јака нуклеарна сила је најмоћнија сила у природи. Јача је од електромагнетске и због ње се протони држе заједно у језграма атома. Дјелује само на врло малим удаљеностима. Код тешких атома језгра се распада јер је електромагнетска сила која раздваја честице истог набоја укупан зброј сила свих присутних протона и надјачава резидуалну јаку нуклеарну силу која дјелује само на сусједне честице (протоне или неутроне) и држи их скупа. Неутрони су овдје само посредници који онемогућавају директан додир између протона. Ако су два нуклеона удаљена више од 2 x 10^-15 метара, међу њима више не дјелује јака сила. Она се појачава уласком преко граничног прага силе, а најјача је при удаљености 10^-15 метара. Наш знанственик Руђер Бошковић први је графички приказао дјеловање јаке силе овисно о удаљеностима, невјеројатно је да се његов граф у потпуности поклапа с данашњим сазнањима.

Међутим, ако се нуклеони приближе преко границе гдје је сила најјача, онда ће она почети слабити да би код точке од око 0,5 x 10^-15 м постала одбојна. Јака сила пуно је снажнија од електричне силе. При 10^-15 м јача је око 100 пута. За успоредбу основних фундаменталних сила узмимо да је јакост јаке силе 1. При томе би јакост електричне износила 10^-2 а гравитацијска 10^-40. Процес нуклеарне фисије темељи се на пропустима јаке силе због слабљења на кратким удаљеностима, а он људима омогућује добивање енергије у нуклеарним електранама али и стварање разорних оружја попут атомске бомбе.

Објашњење

Два протона међусобно удаљена за 1 метар међусобно би се електромагнетски одбијала силом 10²⁴ пута већом од привлачне гравитацијске силе. При сличним удаљеностима јака нуклеарна сила би била једнака нули. Међутим, ако би удаљеност протона била једнака промјеру језгре атома, што је 10⁻¹⁵ метара, јака нуклеарна сила би била барем једнако јака као и електромагнетска. Управо та привлачна јака нуклеарна сила спречава језгру атома да буде разнесена дјеловањем одбојне електростатске силе.

Јака нуклеарна сила дјелује само између кваркова. Лептони уопће не доживљавају дјеловање јаке нуклеарне силе, слично као што честице без набоја не доживљавају дјеловање електромагнетске силе. То је разлог подјеле честица у кваркове и лептоне. Дакле, кваркови осјећају дјеловање јаке нуклеарне силе, лептони не. Међутим, и кваркови и лептони осјећају дјеловање остале двије силе.

Јака нуклеарна сила омогућава кварковима да стварају честице попут протона и неутрона. Када би лептони могли осјећати дјеловање јаке нуклеарне силе, тада би се они такођер могли везати у сложеније честице баш попут кваркова. Управо је то главна разлика између кваркова и лептона. Кваркови се удружују заједно у стварању других честица, лептони не. Тренутне теорије јаких нуклеарних сила указују на то да је немогуће имати један кварк изолиран од других кваркова. Сви кваркови у свемиру су повезани с другим кварковима у сложеније честице. Стварајући нове кваркове у покусима, они се брзо при настанку спајају с другим кварковима. То се дешава толико брзо да је немогуће видјети један кварк прије него се споји с другим кварком. Стога су кваркови тежи за проучавати. ^[2]

Темељно међудјеловање

Главни чланак: Фундаменталне интеракције

Темељно међудјеловање или фундаментална интеракција је међудјеловање елементарних честица: гравитацијско, електромагнетско, јако и слабо. Сва позната међудјеловања посљедица су тих 4 темељних међудјеловања. Темељна међудјеловања међусобно се разликују по честицама на које дјелују, јакости, досегу и честицама које их преносе. Јако међудјеловање дјелује на кваркове и глуоне, слабо међудјеловање на кваркове и лептоне, електромагнетско међудјеловање на све честице набијене електричним набојем, а гравитацијско међудјеловање на све честице које имају масу. Гравитацијско међудјеловање између елементарних честица је изнимно слабо, слабо међудјеловање је мало јаче, електромагнетско још јаче и јако је међудјеловање најјаче. Досег електромагнетског и гравитацијског међудјеловања је бесконачан, а досег јаког и слабог међудјеловања је кратак, приближно попут промјера атомске језгре. Јако међудјеловање преносе глуони, електромагнетско фотони, слабо W^± и З⁰ бозони а гравитацијско гравитони (који нису покусима потврђени).

Међудјеловање	Тренутачна теорија	Пријеносници дјеловања	Релативна јакост⁽¹⁾	Овисност о удаљености	Досег дјеловања (м)
Јака	Квантна кромодинамика (QЦД)	глуони	10³⁸	${\sim r}$ (види напомену)	10⁻¹⁵
Електромагнетска	Квантна електродинамика (QЕД)	фотони	10³⁶	${\frac {1}{r^{2}}}$	10⁻¹⁸
Слаба	Квантна аромодинамика (QФД)	W и З бозони	10²⁵	${\frac {e^{-m_{W,Z}r}}{r^{2}}}$	$\infty$
Гравитацијска	Опћа теорија релативности (ГР, није квантна теорија.)	гравитони	1	${\frac {1}{r^{2}}}$	$\infty$

⁽¹⁾ приближне величине. Точне вриједности овисе о честицама и енергији.

Међудјеловања елементарних честица данас су описана стандардним моделом честица, односно стандардном теоријом честица и сила. Утемељена су на умношку група У(1)×СУ(2)×СУ(3). Свакој од група у том умношку својствен је одређени набој, који је извор придруженога баждарнога бозона, пријеносника данога темељнога међудјеловања. Темељна међудјеловања преноси дванаест баждарних бозона: фотон, електромагнетско међудјеловање, два масивна W-бозона и неутрални З-бозон слабо међудјеловање, и осам глуона јако међудјеловање као што то описује квантна кромодинамика (међудјеловања кваркова и глуона који посједују јаки набој назван бојом). Један од главних циљева физике елементарних честица је уједињење темељних међудјеловања. До сада су у електрослабој теорији уједињени слабо и електромагнетско међудјеловање у електрослабо међудјеловање. ^[3]

Извори

↑ јако међудјеловање, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2020.
↑ Светлана Веселиновић: "Елементарне честице", [2], завршни рад, Свеучилиште Јосипа Јурја Строссмаyера у Осијеку, Осијек 2014., приступљено 27. сијечња 2020.
↑ темељно међудјеловање (фундаментална интеракција), [3] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2020.

[1] јако међудјеловање, [1] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2020.

[2] Светлана Веселиновић: "Елементарне честице", [2], завршни рад, Свеучилиште Јосипа Јурја Строссмаyера у Осијеку, Осијек 2014., приступљено 27. сијечња 2020.

[3] темељно међудјеловање (фундаментална интеракција), [3] "Хрватска енциклопедија", Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.енциклопедија.хр, 2020.

[1]

[2]

[3]