Fuerza nuclear

La fuerza nuclear (o interacción nucleon-nucleon o fuerza fuerte residual) es la fuerza entre dos o más nucleons. Es responsable de ligar de protones y neutrones en núcleos atómicos. La energía soltó hace que las masas de núcleos sean menos que la masa total de los protones y neutrones que los forman. La fuerza es poderosamente atractiva entre nucleons a distancias de aproximadamente 1 femtometer (de) entre sus centros, pero rápidamente disminuye a la insignificancia a distancias más allá de aproximadamente 2.5 de. En muy cortas distancias menos de 0.7 de, se hace repulsivo, y es responsable de la talla física de núcleos, ya que el nucleons no puede venir más cerca que la fuerza permite.

La fuerza nuclear se entiende ahora como un efecto residual de la fuerza fuerte aún más potente o interacción fuerte, que es la fuerza atractiva que liga partículas llamadas cuarkes juntos, para formar el nucleons ellos mismos. Esta fuerza más potente es mediada por gluons llamado de las partículas. Gluons mantienen cuarkes unidos con una fuerza así de la carga eléctrica, pero del mucho mayor poder.

El concepto de una fuerza nuclear cuantitativamente se construyó primero en 1934, poco después de que el descubrimiento del neutrón reveló que los núcleos atómicos se hicieron de protones y neutrones, mantenidos por una fuerza atractiva. La fuerza nuclear entonces se concibió para ser transmitida por partículas llamadas mesones, que se predijeron en la teoría antes de descubrirse en 1947. En los años 1970, adelante entender reveló estos mesones para ser combinaciones de cuarkes y gluons, transmitido entre nucleons que ellos mismos se hicieron de cuarkes y gluons. Este nuevo modelo permitió las fuerzas fuertes que se mantuvieron unidas nucleons, para sentirse en colindar nucleons, como fuerzas fuertes residuales.

Se ve ahora que las fuerzas nucleares que se levantan entre nucleons son análogas a las fuerzas en la química entre átomos neutros llamados fuerzas de van der Waals. Tales fuerzas entre átomos son mucho más débiles que las fuerzas eléctricas que sostienen los propios átomos juntos, y su variedad es más corta, porque provienen de la separación espontánea de gastos dentro del átomo. Del mismo modo, aunque nucleons se hagan de cuarkes y gluons que están en combinaciones que anulan la mayor parte de fuerzas de gluon, algunas combinaciones de cuarkes y gluons sin embargo se escapan lejos de nucleons, en la forma de campos de la fuerza nucleares a cortos plazos que se extienden de un nucleon al otro cerca de. Estas fuerzas nucleares son muy débiles comparado con fuerzas de gluon directas dentro nucleons, y sólo se extienden sobre unos diámetros nucleares, cayéndose exponencialmente con la distancia. Sin embargo, son bastante fuertes para ligar neutrones y protones sobre cortas distancias, y vencer la repulsión eléctrica entre protones en el núcleo.

Historia

La fuerza nuclear ha estado en el corazón de la física nuclear desde que el campo nació en 1932 con el descubrimiento del neutrón por James Chadwick. El objetivo tradicional de la física nuclear es entender las propiedades de núcleos atómicos en términos de interacción 'desnuda' entre pares de nucleons o fuerzas de nucleon-nucleon (las fuerzas de NN).

En 1934, Hideki Yukawa hizo la tentativa más temprana de explicar la naturaleza de la fuerza nuclear. Según su teoría, los bosons masivos (mesones) median la interacción entre dos nucleons. Aunque, en la luz de QCD, la teoría del mesón ya no se perciba como fundamental, el concepto de cambio por el mesón (donde hadrons se tratan como partículas elementales) sigue representando el mejor modelo de trabajo para un potencial NN cuantitativo.

Históricamente, era una tarea formidable de describir la fuerza nuclear fenomenológicamente, y los primeros modelos cuantitativos semiempíricos vinieron a mediados de los años 1950. Hubo gran progreso en experimento y teoría relacionada con la fuerza nuclear. La mayoría de las preguntas básicas se colocaron en los años 1960 y años 1970. En años recientes, los experimentadores se han concentrado en las sutilezas de la fuerza nuclear, como su dependencia del precio, el valor preciso del enganche πNN análisis de cambio de la fase constante, mejorado, precisión alta datos de NN, precisión alta potenciales de NN, NN que se dispersa en intermedio y energías altas, e intenta sacar la fuerza nuclear de QCD.

En gran medida, la fuerza nuclear se puede entender en términos de cambio de mesones ligeros virtuales, como el pions.

A veces la fuerza nuclear se llama la fuerza fuerte residual, en contraste con las interacciones fuertes que se entienden ahora provenir del quántum chromodynamics (QCD). Esto expresar se levantó durante los años 1970 cuando QCD se estaba estableciendo. Antes de ese tiempo, la fuerza nuclear fuerte se refirió al potencial inter-nucleon. Después de la verificación del modelo del cuark, la interacción fuerte ha venido para significar QCD.

Propiedades básicas de la fuerza nuclear

La fuerza nuclear sólo se siente entre hadrons. En pequeñas separaciones entre nucleons (menos que ~ 0.7 de entre sus centros, según la alineación de la vuelta) la fuerza se hace repulsiva, que guarda el nucleons en cierta separación media, aun si son de tipos diferentes. Esta repulsión se debe entender en términos de fuerza de exclusión de Pauli para nucleons idéntico (como dos neutrones o dos protones), y también una exclusión de Pauli entre cuarkes del mismo tipo dentro de nucleons, cuando los nucleons son diferentes (un protón y un neutrón, por ejemplo). Como se hablará, la fuerza nuclear también tiene un componente "tensor" que depende de si las vueltas del nucleons se alinean o se antialinean. Un gráfico de fuerzas internucleares y potenciales se presenta en la referencia:

A distancias más grandes que 0.7 femtometer (de) la fuerza se hace atractivo entre nucleons alineado a favor de la vuelta, haciéndose máximo a una distancia del centro del centro de aproximadamente 0.9 de. Más allá de esta distancia la fuerza se cae esencialmente exponencialmente, hasta más allá de aproximadamente 2.0 de la separación, las gotas de la fuerza a insignificantemente pequeños valores.

En cortas distancias (menos de 1.7 de o tan), la fuerza nuclear es más fuerte que la fuerza de Coulomb entre protones; así vence la repulsión de protones dentro del núcleo. Sin embargo, la fuerza de Coulomb entre protones tiene una variedad mucho más grande debido a su decaimiento como el cuadrado inverso de la separación del precio, y la repulsión de Coulomb así se hace la única fuerza significativa entre protones cuando su separación excede aproximadamente 2 a 2.5 de.

Desmontar un núcleo en protones desatados y neutrones requeriría el trabajo que hace contra la fuerza nuclear. A la inversa, la energía se suelta cuando un núcleo se crea de otro nucleons o núcleos: la energía de enlace nuclear. A causa de la equivalencia de la energía de masas (es decir la fórmula E famosa de Einstein = mc), soltando esta energía hace que la masa del núcleo sea más baja que la masa total de nucleons individual, llevando al llamado "déficit de masas".

La fuerza nuclear es casi independiente de si los nucleons son neutrones o protones. Esta propiedad se llama la independencia del precio. Depende de si las vueltas del nucleons son paralelas o antiparalelas, y tiene un componente no central o tensor. Esta parte de la fuerza no conserva el momento angular orbital, que es una constante de movimiento bajo fuerzas centrales.

Ya que los nucleons no tienen precio en color, la fuerza nuclear no implica directamente a los transportistas de la fuerza del quántum chromodynamics, el gluons. Sin embargo, como los átomos eléctricamente neutros (cada uno formado de anular gastos) atraen el uno al otro vía los efectos del segundo pedido de la polarización eléctrica, vía las fuerzas de van der Waals (fuerzas de Londres), por tanto por la analogía, nucleons "en color y neutro" puede atraer el uno al otro por un tipo de polarización que permite que algunos efectos básicamente gluon-mediados se lleven de un nucleon en color y neutro al otro, vía los mesones virtuales que transmiten las fuerzas, y que ellas mismas son mantenidos unidos por gluons virtual. Es esta naturaleza de van der Waals-like que es responsable del término "residual" en el término "la fuerza fuerte residual." La idea básica consiste en que mientras los nucleons son "en color y neutros", como los átomos son "neutros por el precio", en ambos casos, los efectos de polarización que actúan entre partículas neutras cercanas permiten a un efecto del precio "residual" de causar la red atracción mediada en el precio entre especies no cargadas, aunque sea necesariamente de una naturaleza mucho más débil y menos directa que las fuerzas básicas que actúan internamente dentro de las partículas.

Potenciales de Nucleon-nucleon

Los sistemas dos-nucleon como el deuteron, el núcleo de un átomo de deuterio, así como protón del protón o protón de neutrón dispersarse son ideales para estudiar la fuerza de NN. Tales sistemas se pueden describir atribuyendo un potencial (como el potencial de Yukawa) al nucleons y usando los potenciales en una ecuación de Schrödinger. La forma del potencial se saca fenomenológicamente, aunque para la interacción de largo alcance, las teorías de cambio por el mesón ayuden a construir el potencial. Los parámetros del potencial se determinan cabiendo a datos experimentales como la energía de enlace deuteron o cortes transversales elásticos NN que se dispersan (o, equivalentemente en este contexto, llamados cambios de la fase NN).

La mayor parte de potenciales NN de uso común son el potencial Parisiense, el Argonne AV18 potencial

, el potencial de Bonn del CD y los potenciales de Nijmegen.

Un enfoque más reciente debe desarrollar teorías de campaña eficaces para una descripción consecuente de nucleon-nucleon y fuerzas tres-nucleon. En particular, chiral rotura de simetría se puede analizar en términos de teoría de campaña eficaz (llamó la teoría de la perturbación chiral) que permite cálculos perturbative de las interacciones entre nucleons con pions como partículas de cambio.

De nucleons a núcleos

El objetivo último de la física nuclear sería describir todas las interacciones nucleares de las interacciones básicas entre nucleons. Esto se llama el microscópico o desde el principio el enfoque de la física nuclear. Hay dos obstáculos principales para vencer antes de que este sueño se pueda hacer la realidad:

Esto es un área activa de la investigación con avances en curso en técnicas computacionales que llevan a mejores cálculos de primeros principios de la estructura de la cáscara nuclear. Dos - y potenciales tres-nucleon se han puesto en práctica para masas nucleares hasta A=12.

Potenciales nucleares

Un modo acertado de describir interacciones nucleares es construir un potencial para el núcleo entero en vez de considerar todos sus componentes nucleon. Esto se llama el enfoque macroscópico. Por ejemplo, dispersarse de neutrones de núcleos se puede describir considerando una onda plana en el potencial del núcleo, que comprende una verdadera parte y una parte imaginaria. Este modelo a menudo se llama el modelo óptico ya que se parece al caso de luz dispersada por una esfera de cristal opaca.

Los potenciales nucleares pueden ser locales o globales: los potenciales locales se limitan con una variedad de la energía estrecha y/o una variedad de masas nuclear estrecha, mientras los potenciales globales, que tienen más parámetros y son por lo general menos exactos, son funciones de la energía y la masa nuclear y se pueden por lo tanto usar en una variedad más amplia de aplicaciones.



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