强核力主要在哪些情况下起作用，它在原子核内的表现如何？ - 爱问百科

全面介绍：基本相互作用、核力、色荷、渐近自由与夸克禁闭基本相互作用（Fundamental Interaction），是指物质间最基本的相互作用，常被称为——宇宙的基本力，或自然界的基本力。而迄今为止，观察到的所有关于物质的物理现象，在物理学中，都可借助基本相互作用的机制——得到解释和描述。本文，将会详细介绍和解读，基本相互作用的概念、形成和原理，以及与之相关的发生在原子核内部的——物理作用和现象，如：夸克禁闭与渐近自由。主题目录如下：基本相互作用力目前，已知的基本力有四种——强力、弱力、电磁力、引力。这些力是由不同的规范玻色子——胶子、W和Z玻色子、光子、引力子——来传递的，于是这些玻色子又被称为“媒介子”或“载力子”，其传递方式是交换（即发射和吸收）玻色子，其中：需要说明的是，交换玻色子，即是在发射和吸收玻色子，而玻色子又具有波粒二象性，那么更准确地说，交换玻色子——其实是在发射和吸收“概率云”，因此称之为“相互作用”比“力”更为贴切，这也是关于微观作用力很重要的一个物理图像。那么在微观尺度上，强力是最强的相互作用，其次是电磁力，然后是弱力，最弱的就是引力——弱到几乎可以忽略不计。具体来看，强力是电磁力的10^3倍，是弱力的10^13倍，是引力的10^39倍。也就是说，电磁力不足强力的百分之一，弱力大概比电磁力还弱一千倍，而引力只是弱力的一千亿亿亿亿（即10^35）分之一。最后，还有一个特殊的基本相互作用，即：简并压力（Degeneracy Pressure），它表现出互斥作用，但它不是一种力，后面会介绍。强力它维系着原子核的稳定，这是构成底层物质结构的基础，过程是夸克之间通过交换胶子产生的强相互作用而结合在一起，形成稳定的复合粒子，即核子——构成原子核的粒子，如质子、中子。事实上，正是由于强力比电磁力强很多，才能把很多同样带正电的质子，强行聚集在原子核里，否则带正电的质子，会因为电磁斥力而相互远离。但强力是短程力，一旦核子之间的距离大于2×10^-15米，强力就会迅速下降消失——因为胶子会发射和吸收其它胶子。弱力它则是复合粒子（如核子）自发衰变的原因，即放射性表现。在衰变过程中，复合粒子会通过交换W和Z玻色子（W+带正电荷，W-带负电荷，Z0无电荷），从而衰变成其它粒子。例如，中子的三个夸克是——“上下下”，质子的三个夸克是“上上下”。自由的中子是不稳定的，它会在负β衰变中通过弱相互作用——其中一个下夸克，发射W-玻色子，成为上夸克，即夸克味变——衰变为质子，接着W-玻色子迅速衰变成，一个电子（β粒子）和一个反中微子。而这个中子衰变是可逆的过程，在一定条件下，质子会在正β衰变中通过弱相互作用——其中一个上夸克，吸收能量，发射W+玻色子，成为下夸克——衰变为中子，接着W+玻色子迅速衰变成，一个正电子和一个中微子。以上两个衰变过程简述为： β衰变——原子核自发地放射出β粒子，或俘获一个轨道电子而发生的转变，其中：由此可见，中子和质子可以看作是同一种粒子（核子）的两个不同的量子状态，它们之间的相互转变，相当于核子从一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中放出了电子和中微子。而引起β衰变的，正是电子与中微子场，同原子核的弱相互作用，即弱力。那么，弱力之所以称为“弱”，是因为弱力发生的概率，要比强力和电磁力小几个数量级。也就是说，交换W和Z玻色子的发生概率，要远远小于交换胶子和光子的概率。而W和Z玻色子中的W是Weak（弱）的意思，Z是Zero（Z0电荷）的意思。最后，在太阳的核聚变中，弱力有着至关重要的作用，因为它能够让质子衰变成中子，从而让两个原子核中质子和中子聚合——完成氢聚变成氦（这是太阳核聚变链条的第一步），否则质子同电性相斥，原子核之间难以聚合，即太阳就不会燃烧。电磁力它是带电粒子在电磁场中，交换光子所产生的力。在量子电动力学中，电磁场被认为是量子化的光子场，正反带电粒子对可以湮没而转化为光子，同样正反带电粒子，也可以在电磁场中产生。而电磁力，也是电力和磁力的统称，通过电磁场，它能够让——原子核和电子粘合成原子，原子粘合成分子（化学键），分子粘合成物体（固液气、生物非生物）——如果没有电磁力，很多宏观物体都会四分五裂，并且要想参加化学反应，也必须有电磁力才行。事实上，化学键就是电磁场形成的物质，化学反应就是电磁场能量的吸收与释放——而电磁场没有质量，所以化学反应前后质量守恒。可见，电磁力贡献了宏观的——化学键的作用力、分子间作用力、表面张力、静电力等等——可以说，生命及其运作，包括绝大部分的能量转化，其实都是依赖电磁力的作用。引力目前看来，它是一种宏观力，在微观忽略不计。而引力子，就是一种假想的规范玻色子（自旋2），就像其它规范玻色子一样，在微观可以通过交换引力子来产生引力——就像其它三种力（强弱电）一样。显然，在宏观引力与质量成正比，而在微观，粒子质量都极小，并且三种微观力（强弱电）都比引力强太多，所以微观粒子的“可观测”引力，都“弱小”到了忽略不计的程度。但如果引力，是来自于引力子的作用，那引力场的吸引力（如光线弯曲），就不再需要（广相的）时空弯曲（以形成路径弯曲）来解释，而是可以解释为，引力子和其它粒子（如光子）之间的相互作用，只不过目前引力子并没有被证实存在。而假想出引力子，就是因为量子论在各方面都非常成功，完美解释了其它三种力及其作用机制，自然人们就希望量子论可以解释引力——从而可以完美解释自然界的所有四种力（强弱电引）。于是，就引出了量子引力理论和引力子，但是量子场论的重整化数学计算，其结果都不能完整并自洽地对引力进行量子化描述——这种问题只有在普朗克尺度下才会明显表现出来。原因就在于，当试图引入“虚拟”的引力子，进行引力场的量子化计算时，因为引力子会相互吸引，而把所有的吸引力累加起来，总会得到许许多多的无限大数值，且通过任何数学技巧，都无法抵消掉这些无限大的数值。后来，物理学家才意识到，无限大结果的出现，说明我们把理论运用到了，超越它应用范围的地方，同时这也说明，目前的理论不够“通用”。简并压力由于，泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）指出——在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的费米子，处在相同的量子态。所以，在费米子系统中，两个全同费米子，永远都不能占据同一个能量位置，即拥有相同的能量状态。例如，在原子中，核外电子就不能都挤在，同一个层级的轨道上，否则就会出现相同量子态的费米子电子。那么，如果试图将多个粒子排列在同一个位置，使它们拥有相同的状态，就会产生排斥这个位置状态的压力，即：简并压力——其中，简并就是指处于同一个位置状态，压力就是指排斥简并的作用。不过，虽然不相容原理，的确可以让费米子的位置排列，表现出一种“互斥力”的样子，但简并压力并不是一种“力”——因为，简并压力没有交换传递力的载力子，并且它没有大小，只是排斥某些位置的特性。也因此，简并压力还有一个特点，就是它跟温度没有关系，只跟粒子的密度有关（因为排位稀缺）——也就是说，随着温度升高，粒子运动变得剧烈，力会随之变大，即压强增大（由粒子撞击提供），但简并压力不变，即简并压强不变（粒子的排位没变）。需要注意的是，简并压力并不能用不确定性原理去解释——因为简并压力只有费米子才有，而玻色子没有，但不确定性原理却是所有粒子都有的——如果简并压力源于不确定性原理，那么玻色子也应该有。事实上，电子之间不仅有同性电荷相斥的电磁力，也有同态排位相斥的简并压力——它们两个共同提供了，原子具有的结构稳定性。最后，粒子自旋就是不相容原理的原因，也就是简并压力的原因。综上可见强力（传递胶子）——粘合了原子核；电磁力（传递光子）——粘合了原子、分子、物体；引力（宏观统计）——粘合了宏观天体；弱力（传递W和Z玻色子）——分解了原子核、宏观天体；简并压力（排位特性）——支撑原子、宏观天体。目前来看，引力与简并压力都没有载力子，或许它们与时空有关——前者在于时空的宏观势能，后者在于时空的微观势能——而不在于时空中的粒子。规范玻色子与希格斯玻色子光子、引力子——都没有质量，所以它们的速度都是光速。又因为，光子在电磁场中传递，引力子在引力场中传递，所以电磁场和引力场的传播速度，都是光速。同时，没有质量意味着，它们的传递没有阻力（惯性力），传递距离可以是无限远，所以电磁力和引力，都是长程力。胶子——也没有质量，在胶子场中传递，有一种叫做色荷属性。我们知道具有色荷的夸克，会因为交换胶子，而产生强力被束缚在一起，所以具有色荷的胶子之间，也会交换（即发射和吸收）胶子，并产生强力。事实上，因为胶子没有质量，所以理论上它应该是光速，并且其潜在的传递距离也是无限远。但色荷属性，束缚了它的传递距离与速度，也就是说，胶子无法抵达光速，并且传递距离也有限，所以强力是一种短程力。 W和Z玻色子——具有很大的质量（是质子质量的100倍，比铁原子还要重），因此质量带来的阻力（惯性力）限制了它的传递距离，所以弱力是短程力。而弱电统一理论（Unified Electroweak Theory），统一了弱力与电磁力，这意味着弱力与电磁力，是同一个相互作用的不同表现而已。所以，W和Z玻色子——既参与弱力，也参与电磁力。弦理论专家——布赖恩·格林（Brian Greene），在《宇宙的琴弦》中指出： “乔基、奎恩和温伯，发现了一个重要的事实——他们证明，当把这些沸腾的量子效应都仔细考虑进来时，结果是引力之外的三种力将走到一起来。他们认为，这些在当前技术所及的尺度上迥然不同的力，实际上是微观的量子薄雾，所产生的不同影响的结果。他们的计算表明，如果不是在寻常尺度上，而是穿过云雾，在十万亿亿亿分之一厘米（10^-29厘米，只是普朗克长度的一万倍）的距离看这三种力，它们的强度会变得完全相同。” 希格斯粒子——具有很大的质量（比W和Z玻色子还重），极不稳定，生成后会立刻衰变（平均寿命为1.56×10^−22秒）。而希格斯粒子所在的希格斯场，可以通过耦合作用，把质量赋予规范玻色子（W和Z玻色子）和费米子（夸克与轻子）。色荷与核力首先，关于色荷，可以类比于电荷。电荷只有一种类型有正负之分，而色荷有三种类型，所以用三原色RGB来命名，并且三原色可以混合出无色（也称色中性），即色荷为0，就像电荷的电中性一样。类比来看，电子携带电荷，可以发射和吸收光子，电子之间通过交换光子，来传递电磁力；而夸克携带色荷，可以发射和吸收胶子，夸克之间通过交换胶子，来传递强力。不同的是，光子本身不带电荷，所以光子之间就没有相互作用（电磁力），而胶子本身带色荷，所以胶子之间有相互作用（强力）——这也可以看成是胶子场的自相互作用。而夸克在交换胶子的时候，还会改变自身的色荷，即色荷的颜色。显然，色荷性质比电荷性质要复杂的多，而色荷还产生了——渐近自由与夸克禁闭。另外，我们可以将电荷、磁荷、色荷，或者别的什么更一般的荷，统称为——力荷（Force Charge），即：粒子具有的，对某种力的作用产生一定响应的性质。其次，核力是使核子（如质子、中子）组成原子核的力，属于强力，也是短程力。可见，强力除了胶子在夸克之间传递，还出现在了核力之中。事实上，核力来自于复合粒子——核子，显然核子色荷为0，不能够通过胶子来传递，于是在介子理论中，由汤川势来描述核力，即：由有质量的派介子（π介子，140MeV）来传递。但有趣的是，使用派介子来传递核力，只是一种与实验结果一致的简单近似模拟，核力的最终来源还是核子中，胶子产生的强力。因为，虽然胶子无法在核子之间传递核力，但核子中的强力过剩，残存的复合强力，通过类似范德瓦尔斯力的机制，构成了核力。渐近自由与夸克禁闭渐近自由与夸克禁闭——揭示了夸克之间的相互作用与组成形式。所谓渐近自由，就是说携带色荷的夸克之间，如果距离越近，那么耦合常数就越小，即强力越小，而当距离任意小时，强力可以任意小，此时每个夸克几乎处在了“自由”不受强力的状态。那么夸克禁闭，是说携带色荷的夸克无法单独存在，只能两三个组合成复合粒子（即强子），使得色荷为0。其原因就在于，夸克之间的距离增加，胶子之间的强力也会增加，最终使得多个夸克，只能被束缚在一个狭小的空间内——形成“禁闭”。而如果强行分离“禁闭”中的夸克，那么在这个过程中，就需要提供足够的能量，来对抗越来越大的强力，直到这个能量足以从真空中激发出新的夸克的时候，被分离的夸克就会与新夸克结合，形成新的粒子——继续保持夸克禁闭。所以，夸克与胶子都无法独立存在。综上可见，渐近自由——揭示了夸克距离接近的情况，而夸克禁闭——则揭示了夸克距离较远的情况。那么，结合这两种现象，我们可以想象这样的物理图像：夸克之间在传递交换胶子，同时胶子之间也在发射和吸收胶子，这相当于胶子在夸克之间传递的过程中，多个胶子之间在相互“强力牵拉”。于是，这就像是在夸克之间，构建了一条“弹性力线”，如果夸克之间距离接近，那么胶子数量减少，“弹性力线”就松软，即受力减小，而如果夸克之间远离，那么胶子数量增多，“弹性力线”就紧绷，即受力增大。后记：力的传播速度无论是宏观还是微观，相互作用的传播速度，显然都不能超过光速。核物理学和宇宙学家——乔治·伽莫夫（George Gamow），在《从一到无穷大》中，就指出： “虽然通常称为「光速」，但其实还有更好的表述，即「物理相互作用的传播速度」。因为任何作用在物质体之间的力，不论是电吸引力还是重力，都是以相同的速度在空间中进行传播的。” 但在宏观上，由于力的传播速度相对于感觉来说足够快，以至于我们下意识地觉得，力的传播不需要时间。例如，小石子击中小木板，小木板会被击飞，而如果换成子弹，小木板则会被击穿，并不会被击飞，这是为什么呢？这就是因为，子弹击中小木板的瞬间，力的传播需要时间，所以导致小木板产生受力不均匀，而这个“力差”又非常的大，结果就产生了结构的撕裂。那么，对于小石子的力，虽然也会在瞬间产生受力不均匀，但这个“力差”不足以让结构撕裂，所以待到力传播至整体，就会令小木板整个运动起来。于是同理，为什么门“轻轻一推”就可以关上，但是“重重一击”却只能听到撞击声？这就是因为，“轻推”给与了力传播的时间，而“重击”却没有给与这个时间。主题相关文章：文章被以下专栏收录闪念与认知例如，粒子的电荷决定了它对电磁力的反应，粒子的色荷决定了它对强力的反应。

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强核力，也称为强相互作用或强力，是四种基本力中最强的一种，主要在原子核尺度内起作用。它负责将核子（质子和中子）结合成原子核。强核力在大约10^(-15)～10^(-10) m的范围内起作用，远小于电磁力的作用范围。

在原子核内部，强核力表现出以下特点：

短程力：核力作用范围在1.5飞米之内，超过这个范围，核力会迅速下降几乎消失。
随距离变化的吸引力：核力在大约0.8飞米到1.5飞米之间表现为吸引力，并且随着核子间距离的增加而减小。
近距斥力：在小于0.8飞米的距离时，核力表现为斥力。
克服电磁力：由于质子带正电，它们之间会有电磁排斥力，但强核力足以克服这种排斥力，维持原子核的稳定。

强核力

强核力的这种特性，使得多个带正电的质子能够被束缚在原子核内，不至于因为电磁力而相互排斥开来。这种强大的吸引力是原子核能够保持稳定的关键因素。参考来源包括《两个原子核越靠越近时，力是怎样变化的？》（ccnta.cn）和《弱核力、强核力、核力是什么？》（知乎）。

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