关于核子之间核力作用的探讨

1关于核子之间核力及电力作用的探讨肖军原子核是由质子和中子组成，其中质子带有一个单位的正电荷，如果假设中子是由带有一个正电荷的质子和带有一个负电荷的电子组成，利用完备的统一场理论不仅能够证明质子与质子、质子与中子以及中子与中子之间核力作用相等。而且还能够证明质子与中子以及中子与中子之间存在有与质量有关的电力作用。一、完备的统一场理论1、核力作用理论核力作用是发生在两个强子之间，对于质量分别为M、m的两个强子，其间存在的核力及核力作用势能计算公式分别是[1]12301exp4eerrRrRFrRrRr（1）120exp4eerRVrRr（2）其中，1e、2e分别是两粒子所带的电荷；204/ce；（3）c是光速；e是单位电荷；/2h；h是普朗克常数。这里需要指出，式中R在文[1]中给出的结果211GRMmMmcc.（4）是错误的，应更正为22hGRMmMmcc（5）将（3）式代入（1）、（2）两式，并取fm为作用距离r的单位（1fm1510m），kN为核力F的单位；MeV为核力作用势能V的单位。（1）、（2）两式则可分别写成形式为3000122200101expRReecrrFreRrRr0012220031.621expRReerrreRrRr（kN）（6）150122010expReecrVreRr01220196.875expReerreRr（MeV）（7）其中151501010hRRMmc（fm）（8）很明显，0R与两作用带电粒子的质量有关，对于质子与质子作用系统有34151502786.631010100.66221.6710310qqhRmmc(fm)；对于质子与电子作用系统有34151502786.631010101.321.6710310qehRmmc(fm)；对于电子与电子作用系统有334151503186.63101010101329.110310eehRmmc(fm)。2、电力作用理论强子之间不仅有（6）、（7）两式的核力作用，还存在有如下的电力作用。按照完备电力公式[1]，两个质量分别为M、m的带电粒子间的电场作用力及电场作用势能分别为1231expekeerRRFrrr，（9）12expekeeRVrr（10）若取N为电力F的单位，并仍取fm为作用距离r的单位，MeV为电力作用势能V的单位。（9）、（10）两式则可写成形式为001222230.41expeRReeFerrr（N）（11）01221.44expeReeVerr（MeV）（12）二、理论的实验基础1、质子与质子作用质子是强子，它参与强相互作用。对于质子与质子作用系统有212eee及00.662R，将其代入（6）、（7）两式，就可得到质子与质子间的核作用力231.620.6620.6621exp0.6620.662rrFrrr（kN）（13）及核作用势能4196.8750.662exp0.662rVrr(MeV)（14）若将212eee及00.662R代入（11）、（12）两式，又可得到质子与质子间有电场力12230.40.6620.6621expFrrr（N）（15）作用，相应的电场作用势能为11.440.662expVrr（MeV）（16）图1是由（13）式绘制的质子与质子间的核力作用的Fr关系曲线。图2是由（14）式绘制的质子与质子间的核力作用势能的Vr关系曲线。5图2质子与质子间核力作用势能与作用距离关系曲线很明显，人们通过多年的对实验结果分析得到核力的性质基本与图1相符。实验结果表明[2]，核力是短程力，核力在3fm以上的距离即已消失，当两核子距离为2～3fm时，它是较弱的吸引力，通常称为长程弱吸引力。核力的中程部分(0.3～2fm)是较强的吸引力，它比质子间的电场力强得多。当两核子间距离小于0.3fm时，核力为排斥力。另外，从图2易看出，当两核子相距1.5～1.6fm时，其间核力的作用势能恰好是7～8MeV。2、质子与中子作用如果假设中子是由带有一个单位正电荷的质子和带有一个单位负电荷的电子组成，质子与中子的作用可视为质子分别与中子中的质子和电子作用的和效应。其中质子与中子中的质子间的作用除有（13）式的核力作用外，还有（15）式的电力作用。由于电子不参与核力作用，质子与中子中的电子只有电场力作用。把212eee及01.32R代入（11）、（12）两式，则可得到质子与中子中的电子间作用及电力作用势能分别是22230.41.321.321expFrrr（N）（17）621.441.32expVrr（MeV）（18）因此，质子与中子间的电力eF作用应是质子分别与中子中的质子和电子的电力作用的合效应，即有12eFFF2230.40.6620.6621.321.321exp1exprrrrr（19）121.440.6621.32expexpeVVVrrr（20）图3是由（19）式绘制的质子与中子间电力作用的eFr关系曲线。图3质子与中子间电力与作用距离关系曲线图4是由（20）式绘制的质子与中子间电力作用势能的eVr关系曲线。7图4质子与中子间电力作用势能与作用距离关系曲线从图3可以看出，在原子核内，质子与中子间的电力作用强度是远小于质子与中子中质子的核力作用强度。因此，质子与中子间的作用主要是核力作用，其强度与质子和质子间的核力作用强度相同。在原子核外，质子与中子间的核力作用为零，但电力不为零，而是存在有一个相斥的电力作用，这是库仑电力理论所没有的一种电力作用效应。3、中子与中子作用由于每一个中子都是由一个质子和一个电子组成，因此，两个中子中的质子间仍然存在有（13）式的核力作用。同时两个中子中的质子与质子、电子与电子及质子与电子间还存在有电力作用。其中电子与电子之间的电场作用力是32230.4101310131expFrrr（21）相应的电子与电子之间的电力作用势能是31.441013expVrr（22）因此，两个中子间的电力及电力作用势能分别是1322eFFFF82230.40.6620.6621exprrr101310131.321.321exp21exprrrr（23）1322eVVVV1.440.66210131.32expexp2exprrrr（24）图5是由（23）式绘制的中子与中子间电力作用的Fr关系曲线。图5中子与中子间电力与作用距离关系曲线图6是由（24）式绘制的质子与质子间电力作用的Vr关系曲线。图6中子与中子间电力作用势能与作用距离关系曲线两中子间的核力作用就是两中子中的两质子间的核力作用。从图5看出，9两中子中的电力作用远小于核力作用，如果两中子间的作用距离小于约1.4fm，两中子间电力作用为零。在作用距离大于约2.4fm时，中子与中子间存在有电场吸引力作用。由（23）式易计算出，当两中子相距71010rnmfm时，中子与中子间存在有电场吸引力为16147210131.32230.44.66101010eF（N）（25）这个力作用在半径为114.010dm截面上的压强为1652114.66100.93103.144.010ijfPPaS（26）这相当于1个大气压的压力。这个压力用库仑的静电作用理论是不会得到的。1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(HendrikCasimir)提出，真空中两中性(不帶电)的平行金属板间存在有吸引力；这种吸引力只有当两平行金属板间的距离在亚微米尺度上时，才可以被检测到，并称其为卡西米尔效应。实验证实，在10纳米距离上，卡西米尔效应能产生1个大气压的压力，这与上面由完备电场作用力公式得到的（26）式结果基本一致。卡西米尔吸引力类似于范德瓦耳斯吸引力，但它不是范德瓦耳斯力，范德瓦耳斯力是普遍存在于分子或原子之间的一种吸引力，它与7r成正比，作用距离的量级为105(fm)。三、结论综上可知，质子与中子以及中子与中子之间均存在有吸引的核力作用，它们的核力作用实质上就是两中子中的两质子间的核力作用。参考文献[1]肖军.统一场及动体电磁理论[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008.10XIAOJ.Theelectromagnetismtheoryofunifiedfieldandmovingbody[M].Harbin:HarbinEngineeringUniversityPress,2008.(inChinese)[2]甄长荫.近代物理学[M].北京：北京师范学院出版社，1987.ZHENCY.Modernphysics[M].Beijing:BeijingNormalUniversityPress,1987.(inChinese)