miniatura|350x350px| Forța (în zeci de mii de newtoni) între doi nucleoni, în funcție de distanța calculată din potențialul Reid (1968). Spinurile neutronului și protonului sunt aliniate și se află în starea S de moment cinetic. Forța de atrație (negativă) are un maxim la o distanță de aproximativ 1 fm cu o forță de aproximativ . Particulele mult mai apropiate decât distanța de suportă o forță de respingere (pozitivă) mare. Particulele separate de o distanță mai mare de 1 fm sunt încă atrase (potențialul Yukawa), dar forța scade exponențial cu distanța. miniatura|350x350px| Energia potențială corespunzătoare (în MeV) a doi nucleoni, în funcție de distanța calculată din potențialul Reid. Groapa de potențial este la un minim la o distanță de aproximativ 0,8 fm. Cu acest potențial, nucleonii pot fi legați cu „energie de legătură” negativă. Forța nucleară (sau interacțiunea nucleon-nucleon sau forța reziduală tare) este o forță care acționează între protoni și neutronii din atomi. Neutronii și protonii, ambii nucleoni, sunt afectați de forța nucleară aproape identic. Deoarece protonii au sarcină +1 e, ei interacționează printr-o forță electrică care tinde să-i îndepărteze unii de alții, dar la mică distanță forța nucleară de atracție este suficient de puternică pentru a depăși forța electromagnetică. Forța nucleară leagă nucleonii în nucleele atomice.
Forța nucleară este o atracție puternică între nucleoni la distanțe de aproximativ 1 femtometru (fm sau 1,0 × 10 -15 metri), dar scade rapid până la valori nesemnificative la distanțe de peste 2,5 fm. La distanțe mai mici de , forța nucleară devine una de respingere. Această componentă de respingere este responsabilă de dimensiunea fizică a nucleelor, deoarece nucleonii nu pot ajunge mai aproape unii de alții decât permite forța. Prin comparație, dimensiunea unui atom, măsurată în angstromi (Å , sau 1,0 × 10 -10 m), este cu cinci ordine de mărime mai mare. Forța nucleară nu este însă simplă, deoarece depinde de spinul nucleonilor, are o componentă tensorială și poate depinde de impulsul relativ al nucleonilor. Forța nucleară tare este una dintre forțele fundamentale ale naturii.
Forța nucleară joacă un rol esențial în stocarea energiei utilizate în energia nucleară și în armele nucleare. Este nevoie de lucru mecanic (energie) pentru a aduce împreună protonii încărcați electric împotriva forței electrice de respingere. Această energie este stocată atunci când protonii și neutronii sunt strânși împreună de forța nucleară pentru a forma un nucleu. Masa unui nucleu este mai mică decât suma totală a masei individuale a protonilor și a neutronilor. Diferența de masă este cunoscută sub denumirea de , care poate fi exprimată în echivalent energetic. se eliberează atunci când un nucleu greu se separă în două sau mai multe nuclee mai ușoare. Această energie este energia potențială electromagnetică eliberată atunci când forța nucleară nu mai ține împreună fragmentele nucleare încărcate electric. Binding Energy, Defect Mass , site-ul educațional al fizicii Elephant Furry, retr 2012 7 1 Capitolul 4 PROCESELE NUCLEARE, FORȚA STRĂINĂ, M. Ragheb 1/30/2013, Universitatea din Illinois
O descriere cantitativă a forței nucleare se bazează pe ecuații care sunt parțial empirice. Aceste ecuații modelează energiile potențiale internucleonice, sau potențialele. (În general, forțele dintr-un sistem de particule pot fi modelate mai simplu prin descrierea energiei potențiale a sistemului, gradientul negativ al unui potențial este egal cu vectorul forță.) Constantele pentru ecuatii sunt fenomenologice, adică sunt determinate prin adaptarea ecuațiilor la datele experimentale. Potențialele internucleon încearcă să descrie proprietățile interacțiunii nucleon-nucleon. Odată determinat, orice potențial dat poate fi folosit, de exemplu, în ecuația Schrödinger pentru a determina proprietățile mecanice cuantice ale sistemului nucleonic.
în 1932 a arătat că nucleele atomice sunt formate din protoni și neutroni, ținuți împreună de o forță de atracție. Până în 1935, forța nucleară era imaginată ca fiind transmisă prin particule numite mezoni. Această dezvoltare teoretică cuprindea o descriere a , un exemplu timpuriu de potențial nuclear. Mezonii, particule la început pur teoretice, au fost confirmați experimental în 1947. În anii 1970, s-a dezvoltat , în care mezonii și nucleonii erau văzuți ca fiind compuși din quarkuri și gluoni. Prin acest nou model, forța nucleară, rezultată din schimbul de mezoni între nucleonii vecini, este un efect rezidual al forței tari.
Descriere În timp ce forța nucleară este asociată de obicei cu nucleonii, această forță se resimte, mai general, între hadroni sau particule compuse din quarkuri. La distanțe mici între nucleoni (mai puțin de ~0,7 fm între centrele lor, în funcție de alinierea spinului) forța devine una de respingere, ceea ce ține nucleonii la o anumită distanță medie, chiar dacă aceștia sunt de diferite tipuri. Această respingere rezultă din forța excluziunii Pauli pentru nucleoni identici (cum ar fi doi neutroni sau doi protoni). O forță de excluziune Pauli apare și între quarkurile de același tip în nucleoni, când nucleonii sunt diferiți (de exemplu un proton și un neutron).
Raza de acțiune La distanțe mai mari de , forța devine de atracție între nucleonii cu spinurile aliniate, devenind maximă la o distanță centru-centru de aproximativ . Dincolo de această distanță, forța scade exponențial, până când, la distanțe de peste , ajunge neglijabilă. Nucleonii au o rază de aproximativ .
La distanțe scurte (mai puțin de circa ), forța nucleară de atracție este mai puternică decât forța Coulomb de respingere între protoni; ea depășește astfel respingerea reciprocă a protonilor din nucleu. Cu toate acestea, forța Coulomb între protoni are o rază de acțiune mult mai mare, deoarece variază cu pătratul invers al distanței între sarcini, iar respingera Coulomb devine astfel singura forță semnificativă între protoni atunci când distanța între ei depășește aproximativ 2 până la .
Forța nucleară are o componentă dependentă de spin. Forța este mai puternică pentru particulele cu spinuri aliniate decât pentru cele cu spinuri anti-aliniate. Dacă două particule sunt identice, cum ar fi doi neutroni sau doi protoni, forța nu este suficientă pentru a lega particulele, întrucât vectorii de spin ale celor două particule de același tip trebuie să se îndrepte în direcții opuse atunci când particulele sunt aproape una de alta și sunt (cu excepția spinului) în aceeași stare cuantică. Această cerință impusă fermionilor rezultă din principiul de excluziune al lui Pauli. Pentru fermionii de tipuri diferite, cum ar fi un proton și un neutron, particulele pot să fie apropiate una de cealaltă și să aibă spinurile aliniate fără a încălca principiul de excluziune al lui Pauli și forța nucleară le poate lega (în acest caz, într-un deuteron), deoarece forța nucleară este mult mai puternică pentru particulele cu spinurile aliniate. Dar, dacă spinurile particulelor sunt anti-aliniate, forța nucleară este prea slabă pentru a le lega, chiar dacă acestea sunt de diferite tipuri.
Forța nucleară are și o componentă tensorială care depinde de interacțiunea dintre spinul nucleonului și momentul cinetic al nucleonilor, ducând la deformare față de o formă sferică simplă.
Legătura nucleară Dezasamblarea nucleului în protoni și neutroni nelegați necesită lucru mecanic împotriva forței nucleare. La fel, se eliberează energie atunci când un nucleu este creat din nucleoni liberi sau alte nuclee: . Din cauza echivalenței masă-energie (adică celebra formulă a lui Einstein ), eliberarea acestei energii face ca masa nucleului să fie mai mică decât masa totală a nucleonilor individuali, ducând la așa numitul „”.
Forța nucleară este aproape independentă de natura nucleonilor, neutroni sau protoni. Această proprietate se numește independență de sarcină. Forța depinde de alinierea spinurilor nucleonilor (dacă sunt paraleli sau antiparaleli), întrucât are o componentă necentrală sau tensorială. Această parte a forței nu conservă momentul cinetic orbital care se conservă sub acțiunea forțelor centrale.
Simetria care rezultă în forța tare, propusă de Werner Heisenberg, este că protonii și neutronii sunt identici în toate privințele, cu excepția sarcinii. Acest lucru nu este complet adevărat, deoarece neutronii sunt puțin mai grei, dar este o simetrie aproximativă. Protonii și neutronii sunt, prin urmare, văzuți ca fiind aceeași particulă, dar cu numere cuantice de diferite; convențional, protonul este izospin în sus, în timp ce neutronul este izospin în jos. Forța tare este invariantă în transformările izospin SU(2), la fel cum alte interacțiuni între particule sunt invariante în transformările de spin intrinsec SU(2). Cu alte cuvinte, atât transformările izospin cât și cele de spin intrinsec sunt în raport cu . Există doar atracții tari atunci când izospinul total al setului de particule care interacționează este 0, ceea ce este confirmat de experimente. Griffiths, David, Introducere în particulele elementare
Înțelegerea noastră asupra forței nucleare se obține prin experimentele de împrăștiere și din energia de legătură a nucleelor ușoare. thumb|O a unei interacțiuni tari neutron-proton mediată de un pion neutru. Timpul trece de la stânga la dreapta. Forța nucleară apare prin schimbul de mezoni ușori virtuali, cum ar fi pionii virtuali, precum și de două tipuri de mezoni virtuali cu spin (), și . Mesonii vectoriali reprezintă dependența de spin a forței nucleare în această imagine „mezonică virtuală”.
Forța nucleară este diferită de ceea ce era istoric cunoscut sub numele de forța nucleară slabă. Interacțiunea slabă este una dintre cele patru interacțiuni fundamentale și joacă un rol în procese ca dezintegrarea beta. Forța slabă nu joacă niciun rol în interacțiunea nucleonilor, deși este responsabilă de transformarea neutronilor în protoni și invers.
Istorie Forța nucleară a fost în centrul fizicii nucleare încă de când s-a născut acest domeniu în 1932, prin descoperirea neutronului de către James Chadwick. Scopul tradițional al fizicii nucleare este de a înțelege proprietățile nucleelor atomice în termeni de interacțiuni „goale” între perechi de nucleoni sau forțe nucleon-nucleon (forțe NN).
La câteva luni după descoperirea neutronului, Werner Heisenberg și Dmitri Ivanenko Iwanenko, DD, ipoteza neutronilor, Nature 129 (1932) 798. propuseseră modele proton-neutron ale nucleului.Miller A. I. Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook, Cambridge University Press, Cambridge, 1995, , pp. 84–88. Heisenberg a abordat descrierea protonilor și a neutronilor din nucleu prin mecanica cuantică, o abordare care nu era deloc evidentă la vremea respectivă. Teoria lui Heisenberg despre protonii și neutronii din nucleu a fost un „pas important către înțelegerea nucleului ca sistem mecanic cuantic”. Heisenberg a introdus prima teorie a forțelor de schimb nuclear care leagă nucleonii. El considera că protonii și neutronii sunt stări cuantice diferite ale aceleași particule, adică nucleoni diferențiați prin valoarea numerelor lor cuantice nucleare de .
Unul dintre cele mai vechi modele ale nucleului a fost modelul picăturii de lichid dezvoltat în anii 1930. O proprietate a nucleelor este că energia de legătură medie pe nucleon este aproximativ aceeași pentru toate nucleele stabile, lucru similar cu o picătură de lichid. Modelul picăturii de lichid trata nucleul ca o picătură de lichid nuclear incompresibil, cu nucleoni care se comportă ca moleculele într-un lichid. Modelul a fost propus inițial de George Gamow și apoi dezvoltat de Niels Bohr, Werner Heisenberg și Carl Friedrich von Weizsäcker. Acest model rudimentar nu explica toate proprietățile nucleului, dar explica forma sferică a majorității nucleelor. Modelul a dat, de asemenea, previziuni bune pentru a nucleelor.