La fuerza nuclear (o interacción nucleón-nucleón , fuerza fuerte residual o, históricamente, fuerza nuclear fuerte ) es una fuerza que actúa entre hadrones , observada más comúnmente entre protones y neutrones de átomos . Los neutrones y los protones, ambos nucleones, se ven afectados por la fuerza nuclear casi de manera idéntica. Dado que los protones tienen carga +1 e , experimentan una fuerza eléctrica que tiende a alejarlos, pero a corta distancia la fuerza nuclear atractiva es lo suficientemente fuerte como para superar la fuerza electrostática. La fuerza nuclear une a los nucleones en los núcleos atómicos .
La fuerza nuclear es poderosamente atractiva entre nucleones a distancias de aproximadamente 0,8 femtómetros (fm, o0,8 × 10 −15 m ), pero disminuye rápidamente hasta ser insignificante a distancias superiores a unos 2,5 fm. A distancias inferiores a 0,7 fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Esta repulsión es responsable del tamaño de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza. (El tamaño de un átomo, de tamaño del orden de angstroms (Å, o10 −10 m ), es cinco órdenes de magnitud mayor.) Sin embargo, la fuerza nuclear no es simple, ya que depende de los espines de los nucleones, tiene un componente tensor y puede depender del momento relativo de los nucleones. [2]
La fuerza nuclear tiene un papel esencial en el almacenamiento de energía que se utiliza en la energía nuclear y las armas nucleares . Se requiere trabajo (energía) para unir protones cargados contra su repulsión eléctrica. Esta energía se almacena cuando los protones y neutrones se unen por la fuerza nuclear para formar un núcleo. La masa de un núcleo es menor que la suma total de las masas individuales de los protones y neutrones. La diferencia de masas se conoce como defecto de masa , que puede expresarse como un equivalente de energía. La energía se libera cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros. Esta energía es la energía potencial internucleónica que se libera cuando la fuerza nuclear ya no mantiene unidos los fragmentos nucleares cargados. [3] [4]
Una descripción cuantitativa de la fuerza nuclear se basa en ecuaciones que son parcialmente empíricas . Estas ecuaciones modelan las energías potenciales internucleónicas, o potenciales. (Generalmente, las fuerzas dentro de un sistema de partículas pueden modelarse de manera más simple describiendo la energía potencial del sistema; el gradiente negativo de un potencial es igual al vector fuerza). Las constantes para las ecuaciones son fenomenológicas, es decir, se determinan ajustando las ecuaciones a datos experimentales. Los potenciales internucleónicos intentan describir las propiedades de la interacción nucleón-nucleón. Una vez determinados, cualquier potencial dado puede usarse, por ejemplo, en la ecuación de Schrödinger para determinar las propiedades mecánicas cuánticas del sistema nucleónico.
El descubrimiento del neutrón en 1932 reveló que los núcleos atómicos estaban formados por protones y neutrones, unidos por una fuerza de atracción. En 1935 se concibió que la fuerza nuclear se transmitía mediante partículas llamadas mesones . Este desarrollo teórico incluía una descripción del potencial de Yukawa , un ejemplo temprano de potencial nuclear. Los piones , que cumplían la predicción, se descubrieron experimentalmente en 1947. En la década de 1970, se había desarrollado el modelo de quarks , por el cual los mesones y nucleones se consideraban compuestos de quarks y gluones. Según este nuevo modelo, la fuerza nuclear, resultante del intercambio de mesones entre nucleones vecinos, es una interacción de múltiples partículas, el efecto colectivo de la fuerza fuerte sobre la estructura subyacente de los nucleones.
Aunque la fuerza nuclear suele asociarse con los nucleones, en general se siente entre hadrones o partículas compuestas de quarks . En separaciones pequeñas entre nucleones (menos de ~ 0,7 fm entre sus centros, dependiendo de la alineación del espín), la fuerza se vuelve repulsiva, lo que mantiene a los nucleones a una cierta separación promedio. Para nucleones idénticos (como dos neutrones o dos protones), esta repulsión surge de la fuerza de exclusión de Pauli . Una repulsión de Pauli también ocurre entre quarks del mismo sabor de diferentes nucleones (un protón y un neutrón).
A distancias mayores de 0,7 fm la fuerza se vuelve atractiva entre nucleones alineados por espín, y se vuelve máxima a una distancia centro-centro de aproximadamente 0,9 fm. Más allá de esta distancia la fuerza cae exponencialmente, hasta que, a una distancia mayor de 2,0 fm, la fuerza es despreciable. Los nucleones tienen un radio de aproximadamente 0,8 fm. [5]
A distancias cortas (menos de 1,7 fm aproximadamente), la fuerza de atracción nuclear es más fuerte que la fuerza de repulsión de Coulomb entre protones; por lo tanto, supera la repulsión de los protones dentro del núcleo. Sin embargo, la fuerza de Coulomb entre protones tiene un rango mucho mayor, ya que varía como el cuadrado inverso de la separación de cargas, y la repulsión de Coulomb se convierte así en la única fuerza significativa entre protones cuando su separación excede aproximadamente2 a 2,5 millas .
La fuerza nuclear tiene un componente dependiente del espín. La fuerza es más fuerte para partículas con espines alineados que para aquellas con espines antialineados. Si dos partículas son iguales, como dos neutrones o dos protones, la fuerza no es suficiente para unir las partículas, ya que los vectores de espín de dos partículas del mismo tipo deben apuntar en direcciones opuestas cuando las partículas están cerca una de la otra y están (salvo por el espín) en el mismo estado cuántico. Este requisito para los fermiones se deriva del principio de exclusión de Pauli . Para partículas fermiónicas de diferentes tipos, como un protón y un neutrón, las partículas pueden estar cerca una de la otra y tener espines alineados sin violar el principio de exclusión de Pauli, y la fuerza nuclear puede unirlas (en este caso, en un deuterón ), ya que la fuerza nuclear es mucho más fuerte para partículas alineadas con espines. Pero si los espines de las partículas están antialineados, la fuerza nuclear es demasiado débil para unirlas, incluso si son de diferentes tipos.
La fuerza nuclear también tiene un componente tensor que depende de la interacción entre los espines de los nucleones y el momento angular de los nucleones, lo que conduce a la deformación a partir de una forma esférica simple.
Para descomponer un núcleo en protones y neutrones no ligados se requiere un trabajo en contra de la fuerza nuclear. Por el contrario, cuando se crea un núcleo a partir de nucleones libres u otros núcleos, se libera energía: la energía de enlace nuclear . Debido a la equivalencia masa-energía (es decir , la fórmula de Einstein E = mc2 ), la liberación de esta energía hace que la masa del núcleo sea menor que la masa total de los nucleones individuales, lo que conduce al llamado "defecto de masa". [6]
La fuerza nuclear es casi independiente de si los nucleones son neutrones o protones. Esta propiedad se llama independencia de carga . La fuerza depende de si los espines de los nucleones son paralelos o antiparalelos, ya que tiene un componente no central o tensorial . Esta parte de la fuerza no conserva el momento angular orbital , que bajo la acción de fuerzas centrales se conserva.
La simetría resultante de la fuerza fuerte, propuesta por Werner Heisenberg , es que los protones y los neutrones son idénticos en todos los aspectos, excepto en su carga. Esto no es completamente cierto, porque los neutrones son un poco más pesados, pero es una simetría aproximada. Por lo tanto, los protones y los neutrones se consideran la misma partícula, pero con diferentes números cuánticos de isospín ; convencionalmente, el protón tiene isospín hacia arriba, mientras que el neutrón tiene isospín hacia abajo . La fuerza fuerte es invariante bajo las transformaciones de isospín SU(2), al igual que otras interacciones entre partículas son invariantes bajo las transformaciones SU(2) de espín intrínseco . En otras palabras, tanto las transformaciones de isospín como las de espín intrínseco son isomorfas al grupo de simetría SU(2). Solo hay atracciones fuertes cuando el isospín total del conjunto de partículas que interactúan es 0, lo que se confirma mediante experimentos. [7]
Nuestra comprensión de la fuerza nuclear se obtiene mediante experimentos de dispersión y la energía de enlace de los núcleos ligeros.
La fuerza nuclear se produce por el intercambio de mesones ligeros virtuales , como los piones virtuales , así como dos tipos de mesones virtuales con espín ( mesones vectoriales ), los mesones rho y los mesones omega . Los mesones vectoriales explican la dependencia del espín de la fuerza nuclear en esta imagen de "mesón virtual".
La fuerza nuclear es distinta de lo que históricamente se conocía como fuerza nuclear débil . La interacción débil es una de las cuatro interacciones fundamentales y desempeña un papel en procesos como la desintegración beta . La fuerza débil no desempeña ningún papel en la interacción de los nucleones, aunque es responsable de la desintegración de neutrones en protones y viceversa.
La fuerza nuclear ha estado en el centro de la física nuclear desde que nació el campo en 1932 con el descubrimiento del neutrón por parte de James Chadwick . El objetivo tradicional de la física nuclear es comprender las propiedades de los núcleos atómicos en términos de la interacción "desnuda" entre pares de nucleones, o fuerzas nucleón-nucleón (fuerzas NN).
Unos meses después del descubrimiento del neutrón, Werner Heisenberg [8] [9] [10] y Dmitri Ivanenko [11] propusieron modelos protón-neutrón para el núcleo. [12] Heisenberg abordó la descripción de los protones y neutrones en el núcleo a través de la mecánica cuántica, un enfoque que no era del todo obvio en ese momento. La teoría de Heisenberg para los protones y neutrones en el núcleo fue un "paso importante hacia la comprensión del núcleo como un sistema mecánico cuántico". [13] Heisenberg introdujo la primera teoría de las fuerzas de intercambio nuclear que unen a los nucleones. Consideró que los protones y neutrones eran diferentes estados cuánticos de la misma partícula, es decir, nucleones que se distinguen por el valor de sus números cuánticos de isospín nuclear.
Uno de los primeros modelos para el núcleo fue el modelo de gota líquida desarrollado en la década de 1930. Una propiedad de los núcleos es que la energía de enlace promedio por nucleón es aproximadamente la misma para todos los núcleos estables, lo que es similar a una gota de líquido. El modelo de gota líquida trataba al núcleo como una gota de fluido nuclear incompresible, con nucleones comportándose como moléculas en un líquido. El modelo fue propuesto por primera vez por George Gamow y luego desarrollado por Niels Bohr , Werner Heisenberg y Carl Friedrich von Weizsäcker . Este modelo rudimentario no explicaba todas las propiedades del núcleo, pero sí explicaba la forma esférica de la mayoría de los núcleos. El modelo también dio buenas predicciones para la energía de enlace de los núcleos.
En 1934, Hideki Yukawa hizo el primer intento de explicar la naturaleza de la fuerza nuclear. Según su teoría, los bosones masivos ( mesones ) median la interacción entre dos nucleones. A la luz de la cromodinámica cuántica (QCD) —y, por extensión, del Modelo Estándar— la teoría de los mesones ya no se percibe como fundamental. Pero el concepto de intercambio de mesones (donde los hadrones se tratan como partículas elementales ) sigue representando el mejor modelo de trabajo para un potencial NN cuantitativo . El potencial de Yukawa (también llamado potencial de Coulomb apantallado ) es un potencial de la forma
donde g es una constante de escala de magnitud, es decir, la amplitud del potencial, es la masa de la partícula de Yukawa, r es la distancia radial a la partícula. El potencial es monótonamente creciente , lo que implica que la fuerza siempre es atractiva. Las constantes se determinan empíricamente. El potencial de Yukawa depende solo de la distancia r entre partículas, por lo tanto, modela una fuerza central .
A lo largo de la década de 1930, un grupo de la Universidad de Columbia dirigido por I. I. Rabi desarrolló técnicas de resonancia magnética para determinar los momentos magnéticos de los núcleos. Estas mediciones llevaron al descubrimiento en 1939 de que el deuterón también poseía un momento cuadrupolar eléctrico . [14] [15] Esta propiedad eléctrica del deuterón había estado interfiriendo con las mediciones del grupo de Rabi. El deuterón, compuesto por un protón y un neutrón, es uno de los sistemas nucleares más simples. El descubrimiento significó que la forma física del deuterón no era simétrica, lo que proporcionó información valiosa sobre la naturaleza de la fuerza nuclear que une a los nucleones. En particular, el resultado mostró que la fuerza nuclear no era una fuerza central , sino que tenía un carácter tensor. [1] Hans Bethe identificó el descubrimiento del momento cuadrupolar del deuterón como uno de los eventos importantes durante los años de formación de la física nuclear. [14]
Históricamente, la tarea de describir la fuerza nuclear fenomenológicamente fue formidable. Los primeros modelos cuantitativos semiempíricos aparecieron a mediados de la década de 1950, [1] como el potencial de Woods-Saxon (1954). Hubo un progreso sustancial en la experimentación y la teoría relacionada con la fuerza nuclear en las décadas de 1960 y 1970. Un modelo influyente fue el potencial de Reid (1968) [1].
donde y donde el potencial se da en unidades de MeV . En los últimos años, [ ¿cuándo? ] los experimentadores se han concentrado en las sutilezas de la fuerza nuclear, como su dependencia de la carga, el valor preciso de la constante de acoplamiento π NN , análisis mejorado del cambio de fase, datos NN de alta precisión, potenciales NN de alta precisión , dispersión NN a energías intermedias y altas, e intentos de derivar la fuerza nuclear a partir de QCD. [ cita requerida ]
La fuerza nuclear es un efecto residual de la fuerza fuerte más fundamental, o interacción fuerte . La interacción fuerte es la fuerza de atracción que une a las partículas elementales llamadas quarks para formar los propios nucleones (protones y neutrones). Esta fuerza más poderosa, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, está mediada por partículas llamadas gluones . Los gluones mantienen unidos a los quarks mediante una carga de color que es análoga a la carga eléctrica, pero mucho más fuerte. Los quarks, los gluones y su dinámica están confinados en su mayoría dentro de los nucleones, pero las influencias residuales se extienden ligeramente más allá de los límites de los nucleones para dar lugar a la fuerza nuclear.
Las fuerzas nucleares que surgen entre nucleones son análogas a las fuerzas en química entre átomos neutros o moléculas llamadas fuerzas de dispersión de London . Tales fuerzas entre átomos son mucho más débiles que las fuerzas eléctricas atractivas que mantienen unidos a los átomos (es decir, que unen los electrones al núcleo), y su rango entre átomos es más corto, porque surgen de una pequeña separación de cargas dentro del átomo neutro. [ más explicación necesaria ] De manera similar, aunque los nucleones están hechos de quarks en combinaciones que cancelan la mayoría de las fuerzas de gluones (son "neutrales en cuanto al color"), algunas combinaciones de quarks y gluones se escapan de los nucleones, en forma de campos de fuerza nucleares de corto alcance que se extienden de un nucleón a otro nucleón cercano. Estas fuerzas nucleares son muy débiles en comparación con las fuerzas directas de gluones ("fuerzas de color" o fuerzas fuertes ) dentro de los nucleones, y las fuerzas nucleares se extienden solo sobre unos pocos diámetros nucleares, cayendo exponencialmente con la distancia. Sin embargo, son lo suficientemente fuertes como para unir neutrones y protones en distancias cortas y superar la repulsión eléctrica entre protones en el núcleo.
A veces, la fuerza nuclear se denomina fuerza fuerte residual , en contraste con las interacciones fuertes que surgen de la QCD. Esta expresión surgió durante la década de 1970, cuando se estaba estableciendo la QCD. Antes de esa época, la fuerza nuclear fuerte se refería al potencial entre nucleones. Después de la verificación del modelo de quarks , la interacción fuerte pasó a significar QCD.
Los sistemas de dos nucleones, como el deuterón , el núcleo de un átomo de deuterio, así como la dispersión protón-protón o neutrón-protón, son ideales para estudiar la fuerza NN . Dichos sistemas se pueden describir atribuyendo un potencial (como el potencial de Yukawa ) a los nucleones y utilizando los potenciales en una ecuación de Schrödinger . La forma del potencial se deriva fenomenológicamente (por medición), aunque para la interacción de largo alcance, las teorías de intercambio de mesones ayudan a construir el potencial. Los parámetros del potencial se determinan ajustándolos a datos experimentales como la energía de enlace del deuterón o las secciones eficaces de dispersión elástica de NN (o, de manera equivalente en este contexto, los llamados cambios de fase de NN ).
Los potenciales NN más utilizados son el potencial de París, el potencial Argonne AV18, [16] el potencial CD-Bonn y los potenciales de Nijmegen.
Un enfoque más reciente consiste en desarrollar teorías de campos efectivos para una descripción consistente de las fuerzas nucleón-nucleón y de tres nucleones. La hadrodinámica cuántica es una teoría de campos efectivos de la fuerza nuclear, comparable a la QCD para interacciones de color y a la QED para interacciones electromagnéticas. Además, la ruptura de la simetría quiral se puede analizar en términos de una teoría de campos efectivos (denominada teoría de perturbación quiral ) que permite cálculos perturbativos de las interacciones entre nucleones con piones como partículas de intercambio.
El objetivo último de la física nuclear sería describir todas las interacciones nucleares a partir de las interacciones básicas entre nucleones. Esto se denomina enfoque microscópico o ab initio de la física nuclear. Hay dos obstáculos principales que superar:
Se trata de un área de investigación activa en la que se están produciendo avances constantes en las técnicas computacionales que conducen a mejores cálculos de principios básicos de la estructura de capas nucleares . Se han implementado potenciales de dos y tres nucleones para nucleidos de hasta A = 12.
Una forma eficaz de describir las interacciones nucleares es construir un potencial para todo el núcleo en lugar de considerar todos sus componentes nucleónicos. Esto se denomina enfoque macroscópico . Por ejemplo, la dispersión de neutrones de los núcleos se puede describir considerando una onda plana en el potencial del núcleo, que comprende una parte real y una parte imaginaria. Este modelo se suele denominar modelo óptico, ya que se asemeja al caso de la luz dispersada por una esfera de vidrio opaco.
Los potenciales nucleares pueden ser locales o globales : los potenciales locales están limitados a un rango estrecho de energía y/o un rango estrecho de masa nuclear, mientras que los potenciales globales, que tienen más parámetros y suelen ser menos precisos, son funciones de la energía y la masa nuclear y, por lo tanto, pueden utilizarse en una gama más amplia de aplicaciones.
