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Lexikon der Astronomie: Yukawa-Potential

Zusammenhang von Yukawa-Potential, Masse des Austauschteilchens und Reichweite Dieses Kräftepotential ist benannt nach dem japanischen Physiker Hideki Yukawa (1907 – 1981), einem Pionier der Theorie der Kernkräfte und der Mesonen.

Yukawas Idee

Er prognostizierte, dass die Kernkräfte, also diejenigen Kräfte, die die Nukleonen zu einem Atomkern kapseln, durch den Austausch von Mesonen vermittelt werden. Die Mesonen sind auch Bosonen, weil sie aus zwei Quarks bestehen. Yukawa sollte recht behalten: dies wurde 1949 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt.
Die fundamentale Gleichung des Yukawa-Potentials (siehe oben) formulierte er 1935. Sie enthält die Masse des Austauschteilchens mex (Index 'ex' für exchange, dt. Austausch) oder alternativ dessen Compton-Wellenlänge. Man erkennt direkt an der Gleichung, dass schwerere Austauschteilchen eine kürzere Reichweite haben, weil dann die exponentielle Dämpfung stärker ist.

Kernkräfte als Mesonenaustausch

Die Kernkräfte setzen sich aus verschiedenen Anteilen zusammen:

  • Der Ein-Pion-Austausch (One Pion Exchange, OPE) entspricht der langreichweitigen, anziehenden Komponente.
  • Der Zwei-Pionen-Austausch (Sigma-Meson) ist verantwortlich für die Potentialmulde.
  • Schließlich trägt Omega-Meson zur kurzreichweitigen, anziehenden Komponente der Kernkräfte bei. Alle Beiträge zusammen genommen formen das resultierende Profil der Kernkräfte.

eine weitsichtige Idee

Aber dieses Konzept kann noch viel weitreichender angewendet werden: Die typischen 1/r-Potentiale, wie das Coulomb-Potential der elektromagnetischen Wechselwirkung oder das Newtonsche Gravitationspotential folgen direkt, wenn man jeweils ein Austauschteilchen der Masse null annimmt. Dies passt bestens in das Standardmodell der Teilchenphysik bzw. den quantenfeldtheoretischen Ansätzen der vier fundamentalen Wechselwirkungen, denn das Photon ebenso wie das Graviton sind masselos und führen über das Yukawa-Profil zu unendlichen Reichweiten der jeweiligen Wechselwirkung!

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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