Forța nucleară , care se exercită între nucleoni , este responsabilă de legarea protonilor și neutronilor în nucleii atomici . Poate fi interpretat în termeni de schimburi de mezoni ușori, cum ar fi pioni . Deși existența sa a fost demonstrată încă din anii 1930, oamenii de știință nu au reușit să stabilească o lege care să-i calculeze valoarea din parametrii cunoscuți, contrar legilor lui Coulomb și Newton .
Uneori se numește o forță reziduală puternică , pentru a o deosebi de interacțiunea puternică explicată din cromodinamica cuantică . Această formulare a fost introdusă în anii 1970 datorită unei schimbări de paradigmă . Anterior, forța nucleară puternică se referea la forța dintre nucleoni. După introducerea modelului de quark , interacțiunea puternică se referea la forțele definite de cromodinamica cuantică, care interacționează cu quarkii, datorită încărcării lor de culoare. Deoarece nucleonii nu au nicio încărcare de culoare , forța nucleară nu implică , prin urmare, direct gluoni , particulele mediator ale interacțiunii puternice, ci mai degrabă alte procese.
Forța nucleară se află în centrul fizicii nucleare de la nașterea acestei discipline, în 1932, cu descoperirea neutronului de către James Chadwick . Scopul tradițional al fizicii nucleare este de a înțelege proprietățile nucleului atomic în interacțiunile sale „goale” între perechi de nucleoni sau forțe nucleon-nucleon ( NN ).
În 1935, Hideki Yukawa a fost primul care a încercat să explice natura energiei nucleare. Conform teoriei sale, bosonii masivi ( mezoni ) mediază interacțiunea dintre doi nucleoni. Deși, în lumina cromodinamicii cuantice , teoria mezonilor nu mai este văzută ca fundamentală, conceptul de schimb mezonic (în care hadronii sunt tratați ca particule elementare ) reprezintă în continuare cel mai bun model cantitativ pentru potențial. NN .
Din punct de vedere istoric, simpla descriere calitativă a forței nucleare s-a dovedit a fi o sarcină considerabilă, iar construcția primelor modele cantitative semi-empirice la mijlocul anilor 1950 nu a intervenit decât după un sfert de secol de cercetare. Prin urmare, au loc progrese substanțiale în câmpurile experimentale și teoretice referitoare la forța nucleară. Majoritatea întrebărilor fundamentale au fost rezolvate în anii 1960 și 1970. Mai recent, experimentatorii s-au concentrat asupra aspectelor subtile ale forței nucleare, cum ar fi dependența de sarcină, determinarea precisă a constantei de cuplare π NN , îmbunătățirea. Analiza schimbării de fază , datele de înaltă precizie de măsurare și potențialul NN , diseminarea NN pentru intermediar și de înaltă energie, precum și încercările de a descrie forța nucleară de la QCD.
Sistemele cu două nucleoni, cum ar fi împrăștierea deuteronului sau proton-protonului sau neutronului-proton Sunt ideale pentru studierea forței NN . Astfel de sisteme pot fi descrise prin atribuirea unui potențial (Cum ar fi potențialul Yukawa ) nucleonilor și utilizarea potențialelor într-o ecuație Schrödinger . Această metodă face posibilă determinarea formei potențialului, deși pentru interacțiunile pe termen lung, teoriile care implică schimburile mezonice facilitează construcția acestuia. Parametrii potențiali sunt determinate prin potrivirea datelor experimentale astfel încât energia de legare a deuteroni sau a secțiunilor transversale ale împrăștierii elastice NN (sau, echivalent , în acest context, așa-numitele defazări NN ).
Potențialele NN cele mai utilizate sunt în special potențialul Paris , potențialul Argonne AV18 și potențialul CD-Bonn și potențialele Nijmegen .
Potențialul nuclear conține, de asemenea, potențialul Coulomb, care nu numai că este respingător între protoni, ci este atractiv între un proton de sarcină electrică + e și un neutron care conține sarcini electrice de suma zero. Potențialul Coulomb are, de asemenea, o parte magnetică (conform legii lui Biot și Savart ), în general respingătoare între nucleoni.
Am putea vedea în fizica nucleară un singur scop: descrierea setului de interacțiuni nucleare din interacțiunile fundamentale dintre nucleoni. Aceasta se numește abordare microscopică sau ab initio . Cu toate acestea, trebuie depășite două obstacole majore în acest sens:
Cu toate acestea, datorită progreselor în creștere în puterile de calcul utilizabile, calculele microscopice care produc direct un model stratificat de la doi sau trei potențiali de nucleoni au devenit posibile și au fost încercate pentru nuclee până la o masă atomică de 12..
O abordare nouă și foarte promițătoare este dezvoltarea unor teorii eficiente pentru o descriere coerentă a forțelor nucleon-nucleon și a forțelor cu trei nucleoni. În special, putem analiza ruperea simetriei chirale ca o teorie eficientă (numită teoria perturbației chirale ), care permite un calcul prin perturbare a interacțiunilor dintre nucleoni, pionii fiind particulele de schimb.
O modalitate reușită de a descrie interacțiunile nucleare este de a construi un potențial pentru întregul nucleu, în loc să examineze nucleonii care îl compun. Această abordare se numește macroscopică . De exemplu, împrăștierea neutronilor de către nuclei poate fi descrisă luând în considerare o undă plană în potențialul nucleului, constând dintr-o parte reală și o parte imaginară. Acest model este adesea numit „model optic” prin analogie cu fenomenul de împrăștiere a luminii de către o sferă de sticlă opacă.
Potențialele nucleare pot fi locale sau globale : potențialele locale sunt limitate la o gamă limitată de energii și / sau mase, în timp ce potențialele globale, care au mai mulți parametri și sunt de obicei mai puțin precise, sunt o funcție a energiei și a masei nucleului și poate fi astfel utilizat într-un domeniu mai larg de aplicații.