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最先端の物理学

原子核構造と核力

原子核の液滴モデルを調べます。核子は体積 AA に比例する範囲に束縛され、半径は R≃r0A1/3R \simeq r_0 A^{1/3} です。結合エネルギーが質量数とともに変化する様子と短距離核力の役割を観察します。

発展

器具

  • 原子核内の核子（陽子・中性子）クラスターの3Dモデル
  • サイズ・結合を調整するパラメータ/物理パラメータスライダー
  • ランダムな揺らぎを再現するノイズスライダー
  • 質量数に対する結合エネルギーのグラフと量の表示

手順

  1. 核子クラスターを観察する

    シミュレーションを実行し回転させます。核子はほぼ一定密度の近球形に密集します。「液滴」的性質です。クラスターの直径は A1/3A^{1/3} に比例してゆっくり増え、R≃r0A1/3R \simeq r_0A^{1/3}（r0≈1,2r_0 \approx 1{,}2 fm）を反映します。

  2. 結合エネルギー曲線を読む

    2番目の図で物理パラメータを変えて有効質量数を動かします。核子あたりの結合エネルギーは軽核で急増し、鉄付近で最大になり、その後減少します。液滴公式 EB≈aVA−aSA2/3−aCZ(Z−1)/A1/3−aA(A−2Z)2/A+δE_B \approx a_VA - a_SA^{2/3} - a_C Z(Z-1)/A^{1/3} - a_A(A-2Z)^2/A + \delta に従います。

  3. ノイズを加えて安定性を考える

    ノイズを上げるとクラスターの揺れが強くなりますが、短距離核力が核を保ちます。十分に強いノイズで初めて核子が飛び出します。結合曲線から軽い核と重い核のどちらが壊れやすいか予測し、確かめましょう。

シミュレーション

実験の歴史

1896年アンリ・ベクレルがウラン塩の放射能を発見し、マリーとピエール・キュリーがポロニウムとラジウムを分離しました（1898）。1911年、アーネスト・ラザフォードはガイガー–マースデンのα散乱実験から、正電荷がフェムトメートル級の原子核に集中すると結論しました。原子より一万倍小さな領域です。 ジェームズ・チャドウィックが1932年に中性子を発見し、陽子–中性子の像が確立しました。1935年カール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカーとハンス・ベーテが結合エネルギーの液滴半経験式を提案。同年、湯川秀樹が短距離核力を伝える中間子を予言し、1947年のパイ中間子発見で確認されました。

関連する物理学者

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