Neutronen (und Protonen), die Spin-1/2-Fermionen sind, müssen zu antisymmetrischen Wellenfunktionen passen. Diese "Wellenfunktion" beinhaltet jedoch nicht immer Wellen. Für Nukleonen - der Oberbegriff für Neutronen oder Protonen - ist diese Wellenfunktion für das Paar ein Produkt aus (1) einem räumlichen Teil, (2) einem Spin-Teil und (3) einem Isospin-Teil.

Der Isospin-Teil ist eine clevere Methode, um Ladungsmöglichkeiten ansonsten identischer Partikel zu beschreiben. Wir betrachten Neutronen und Protonen in gewissem Sinne als identisch. So wie ein Spin-1/2-Teilchen entlang einer ausgewählten Achse "hoch" oder "runter" sein kann, kann ein Isospin-1/2-Teilchen entlang einer abstrakten mathematischen Achse "hoch" oder "runter" sein - es ist genau dieselbe SU (2) Mathematik als Spin - aber es spielt sich in der physischen Realität als Ladung ab. Für Nukleonen ist es nicht +1/2 und -1/2 Ladung, sondern mit einem Versatz, also haben wir +1 (Proton) und 0 (Neutron). Diese Idee stammt aus Heisenberg im Jahr 1932.

Wie kann nun die gesamte Wellenfunktion eines Partikelpaares antisymmetrisch sein? Es gibt drei Faktoren - wir können uns sofort drei Möglichkeiten vorstellen: Jeder Faktor ist antisymmetrisch mit den anderen beiden symmetrisch. Wir könnten auch alle drei gleichzeitig antisymmetrisch sein.

Eine antisymmetrische räumliche Wellenfunktion hätte einen Knoten wie ein atomares p-Orbital wie das elektrische Potential um eine Dipolantenne. Dies ist ein Zustand höherer Energie als ein einfacher sphärischer Blog, ein Gaußscher. Angesichts des Bereichs der Kernkräfte hat diese antisymmetrische Knotenwellenfunktion mehr Energie, als wenn die beiden Nukleonen nur getrennt bleiben würden. Dies ist eine Frage der radialen oder winkelkinetischen Energie, die entweder "Null" oder ein quantisierter Wert sein muss, der die "Fluchtgeschwindigkeit" überschreitet. Vergessen Sie also, dass ein Teil der Wellenfunktion des Systems antisymmetrisch ist.

Übrigens haben wir keine getrennten räumlichen Wellenfunktionen für die beiden Nukleonen - was auch immer einer tut, der Partner macht genau das Gegenteil, wie ein Problem der Himmelsmechanik mit zwei Körpern. Sie umkreisen ein gemeinsames Schwerpunktzentrum.

Der Spin-Teil könnte antisymmetrisch sein. Das ist etwas knifflig. Wenn Partikel Nr. 1 oben und Nr. 2 unten ist, können wir "UD" schreiben. Es gibt auch "DU". Wir bilden den Spin-Teil der Wellenfunktion für das Paar als UD-DU. Wir könnten stattdessen UD + DU wählen, aber beachten Sie, dass dies symmetrisch ist. UU und DD auch. Wie sich UD-DU von UD + DU unterscheidet, mag Anfänger in der Quantenmechanik mystifizieren, aber es ist wichtig und wie physikalische Materie funktioniert, ob es uns Menschen gefällt oder nicht. (Vielleicht sehen Sie auch, woher die Quarks 'u' und 'd' ihre Namen haben. Die Quark-Idee kam Jahre nach Isospin.)

Weder D noch U sind wirklich eine Welle oder eine Funktion. Sie sind höchstens Zeilen und Spalten in Matrizen, wenn Sie sie in vertrauter Mathematik darstellen müssen. Ansonsten gehen Quantenphysiker nur symbolisch damit um. Trotzdem ist der Jargon "Wellenfunktion" - wir dummen Menschen und unsere primitive wissenschaftliche Sprache!

Die gleiche Mathematik gilt für Isospin. Aber die Physik ist anders. Wir sind zu dem Schluss gekommen, dass der räumliche Teil der Systemwellenfunktion symmetrisch sein muss, sodass entweder der Spin-Teil oder der Isospin-Teil antisymmetrisch sein muss. Aber nicht beide! Wenn Drehungen symmetrisch sind, sind sie parallel. Dies ist experimentell der Fall - das Deuteron (erhalten durch Destillieren von "schwerem Wasser" aus Wasser) - daher schließen wir, dass der Isospin-Teil antisymmetrisch ist. Das heißt, wir müssen ein Isospin "hoch" und ein Isospin "runter" haben - Neutron und ein Proton, nicht zwei Neutronen oder zwei Protonen.

Warum müssen die Spins der beiden Nukleonen parallel sein? Die starke Kraft, die sie zusammenhält - der Austausch von Pionen, Kaonen und anderen Mesonen - funktioniert in diesem Fall besser. Um das zu erklären, ist eine tiefere Analyse erforderlich, als ich hier ausführen kann. Wenn die Spins antiparallel sind, gibt es nicht genug Kraft, um die Nukleonen zusammenzuhalten.

Dies wäre jedoch der Fall, wenn Sie versuchen würden, zwei Neutronen zusammenzuschieben. Sie wären beide Isospin "up", daher symmetrischer Isospin-Teil der Wellenfunktion, und benötigen daher einen antisymmetrischen Spin-Teil, was dazu führt, dass die Pionen und ihre Freunde die Neutronen nicht so gut in den Griff bekommen, die auf ihren getrennten Wegen abdriften.

Neutronen haben Spin 1/2 und gehorchen daher dem Pauli-Ausschlussprinzip, was bedeutet, dass zwei Neutronen nicht gleichzeitig denselben Raum einnehmen können. Wenn sich die Wellenfunktionen zweier Neutronen überlappen, spüren sie eine starke Abstoßungskraft. Siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Exchange_interaction.

Ich denke, diese Antwort besteht aus zwei Teilen. Das erste betrifft ein Ensemble von Neutronen in einem dichten Fermiongas und das zweite die starke Kernkraft zwischen zwei Neutronen (in einem Vielteilchen-Nukleonensystem).

Neutronen in einem dichten Gas wird entartet sein. Das heißt, das Pauli-Ausschlussprinzip verhindert, dass mehr als zwei Neutronen (Spin-up und Spin-down) denselben Impulseigenzustand einnehmen. Dies bedeutet, dass Neutronen im Gas selbst bei Nulltemperatur sehr große Impulse bis zum Fermi-Impuls haben können. Tatsächlich wird im Zentrum eines typischen Neutronensterns die kinetische Energie der Neutronen mit der Massenenergie der Neutronenruhe vergleichbar, selbst wenn sie "kalt" ist. Der Impuls der Neutronen führt zu einem Entartungsdruck, der das Gewicht eines Neutronensterns (teilweise) tragen kann.

Der reine Entartungsdruck ignoriert jedoch tatsächlich die Wechselwirkungen zwischen den Partikeln - er geht davon aus, dass sie ideal sind , nicht interagierend und punktförmig. Unter diesem Gesichtspunkt können die Neutronen sehr nahe beieinander liegen (und tatsächlich "schmiegen" sich @Marek bei Dichten, die sich $ 10 ^ {18} $ span> kg nähern, aneinander / m $ ^ 3 $ span>, das PEP verbietet nicht , dass sie getrennt werden müssen, da es sich um den Phasenraum [Impuls x Volumen] handelt in, nicht nur physischen Raum).

Aber Wechselwirkungen werden bei diesen hohen Dichten wichtig. In einem dichten Nukleonengas mit vielen Körpern (es gibt auch einige Protonen in einem Neutronenstern) ist die starke Kernkraft auf "große Entfernung" attraktiv (wobei dies $ >10 ^ {- 15 bedeutet } $ span> m!), wird aber bei kürzeren Reichweiten abstoßend. Letzteres härtet die Zustandsgleichung aus (der Druck steigt mit zunehmender Dichte schneller an), wodurch Neutronensterne viel höhere Massen aufweisen können, als dies allein für einen idealen Neutronendegenerationsdruck zulässig wäre. Ein idealer NDP würde Neutronensternen nur bis zu 0,7 Msun erlauben, bevor sie zu einem Schwarzen Loch zusammenbrechen, aber bei Wechselwirkungen könnten sie bis zu 3Msun (eine sehr unsichere Zahl) werden.

Dies erklärt nicht wirklich warum nn-Kräfte bei kleinen Abständen abstoßend werden (siehe DarenWs Antwort darauf, obwohl die Situation komplexer wird und in Nukleonengasen mit hoher Dichte weniger gut verstanden wird), aber ich denke, dies klärt einige Verwirrung in diesem Faden zwischen der Rolle des Entartungsdrucks und der Rolle der starken Kernkraft.

Bearbeiten: Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Neutronen bei extrem hohen Dichten einen Phasenübergang durchlaufen. Erstens werden ihre Fermi-Energien groß genug, dass die Erzeugung anderer Teilchen (z. B. Hyperonen oder Mesonen) möglich wird. Zweitens können die Quarks in den Neutronen asymptotische Freiheit erreichen und die Neutronen "lösen" sich in einem Quark-Gluon-Plasma auf. Keine der beiden Möglichkeiten ist theoretisch sicher oder weist eindeutige Beobachtungsergebnisse auf, und es ist unklar, ob ein stabiler Neutronenstern einen Kern mit diesen Phasen haben kann oder ob bereits ein Zusammenbruch zu einem Schwarzen Loch stattfindet.

Ich denke, dies ist eine Zusammenfassung anderer Antworten, aber hier sind einige Dinge im Gange. Erstens sind Neutronen elektrisch neutral, so dass eine offensichtliche Kraft die Van-der-Waals-Kraft ist. Aufgrund der Quantenmechanik und des Pauli-Ausschlussprinzips (wie oben erwähnt) können sich die Wellenfunktionen der Neutronen jedoch nicht (ish) überlappen und unterliegen daher dem Neutronendegenerationsdruck. Ich denke, wenn Sie diese beiden Konzepte verstehen, sollten Sie ein ziemlich gutes Verständnis dafür haben, was zwischen Neutronen in einem Neutronenstern vor sich geht.

Neutronen bestehen aus Quarks, die elektrisch geladen sind. Wenn also zwei Neutronen nahe genug beieinander liegen, werden die höheren elektrischen Multipolmomente relevant und verursachen Abstoßung. Beachten Sie aber auch das erwähnte magnetische Moment und die starke Kraft, die Cedric erwähnte, sowie den von nibot erwähnten Pauli-Ausschluss.

Sie stoßen sich aus demselben Grund ab, warum beispielsweise Atome oder Moleküle abstoßen: aufgrund des Pauli-Prinzips, das die Grundlage für Elastizität und Festigkeit der Materie bildet. Warum kannst du dich nicht durch die Wände bewegen? Warum enthält das Gericht Essen? Weil alle diese Objekte aus Fermionen bestehen, den Substanzpartikeln.

Dies steht im Gegensatz zu Licht, das ohne Wechselwirkung durch einen anderen Lichtstrahl gehen kann. Weil Licht aus Bosonen besteht - den Quanten der Strahlung.

Da sie nicht geladen sind, interagieren sie nur durch ihr magnetisches Moment (das bei sehr geringer Energie zu Van der Waals-Kräften, der starken Kraft und der schwachen Kraft führen kann.

Wenn Sie versuchen, ein Nukleon-Nukleon-System zu erstellen und einige QM-Berechnungen unter Verwendung eines Hamilton-Operators unter Berücksichtigung der Kernkraft, der elektrischen Kraft und des Spins 1/2 der Nukleonen durchführen, haben Sie einen unterschiedlichen Beitrag zum Gesamtenergie, einige positiv, andere negativ.

Zum Beispiel können Sie im Proton-Proton-Fall keinen gebundenen Zustand haben, weil die elektrische Abstoßung stärker ist.

Sie haben auch einen Beitrag, der von der [Projektion des] Spins der Nukleonen abhängt. Wenn sie gleich sind, verringert der Beitrag die Energie des Systems und Sie können einen gebundenen Zustand haben.

Das ist der Fall des Deutons (a Protonen-Neutronen-gebundenes Stadium, sehr schwach).

Aber im Neutronen-Neutronen-Zustand, beide mit Spin 1/2, können Sie nicht dieselbe Projektion haben und daher auch nicht einen gebundenen Zustand erhalten.

Wenn Sie das als "sie stoßen sich gegenseitig ab" interpretieren, haben Sie Ihre Erklärung.