La forza nucleare , che si esercita tra i nucleoni , è responsabile del legame di protoni e neutroni nei nuclei atomici . Può essere interpretato in termini di scambi di mesoni leggeri, come i pioni . Sebbene la sua esistenza sia stata dimostrata sin dagli anni '30, gli scienziati non sono riusciti a stabilire una legge per calcolarne il valore da parametri noti, contrariamente alle leggi di Coulomb e Newton .
A volte è chiamata forza residua forte , per distinguerla dall'interazione forte che è spiegata dalla cromodinamica quantistica . Questa formulazione è stata introdotta negli anni '70 a causa di un cambio di paradigma . In precedenza, la forza nucleare forte si riferiva alla forza tra i nucleoni. Dopo l'introduzione del modello a quark , l' interazione forte si riferiva alle forze definite dalla cromodinamica quantistica, che interagiscono con i quark, a causa della loro carica di colore. Poiché i nucleoni non hanno carica di colore , la forza nucleare quindi non coinvolge direttamente i gluoni , le particelle mediatrici dell'interazione forte, ma piuttosto altri processi.
La forza nucleare è stata al centro della fisica nucleare sin dalla nascita di questa disciplina nel 1932 con la scoperta del neutrone da parte di James Chadwick . L'obiettivo tradizionale della fisica nucleare è comprendere le proprietà del nucleo atomico nelle sue interazioni "nude" tra coppie di nucleoni, o forze nucleone-nucleone ( NN ).
Nel 1935, Hideki Yukawa fu il primo a tentare di spiegare la natura dell'energia nucleare. Secondo la sua teoria, i bosoni massicci ( mesoni ) mediano l'interazione tra due nucleoni. Anche se, alla luce della cromodinamica quantistica , la teoria dei mesoni viene più visto come fondamentale, il concetto di scambio mesone (in cui adroni vengono trattati come particelle elementari ) rappresenta ancora il miglior modello quantitativo per il potenziale. NN .
Storicamente, la semplice descrizione qualitativa della forza nucleare si è rivelata un compito considerevole e la costruzione dei primi modelli quantitativi semi-empirici a metà degli anni Cinquanta è intervenuta solo dopo un quarto di secolo di ricerche. Si registrano quindi sostanziali progressi nel campo sperimentale e teorico della forza nucleare. La maggior parte delle domande fondamentali sono stati risolti negli anni 1960 e 1970. Più di recente, gli sperimentatori si sono concentrati sugli aspetti sottili della forza nucleare, come ad esempio la dipendenza carica, precisa determinazione della costante di accoppiamento π NN , miglioramento. Analisi dello sfasamento , i dati di misura ad alta precisione e potenziale NN , la diffusione NN per l'energia intermedia e alta, e tenta di descrivere la forza nucleare da QCD .
I sistemi a due nucleoni come il deuterone o lo scattering protone-protone o neutrone-protone Sono ideali per studiare la forza NN . Tali sistemi possono essere descritti assegnando un potenziale (come il potenziale Yukawa ) ai nucleoni e utilizzando i potenziali in un'equazione di Schrödinger . Questo metodo consente di determinare la forma del potenziale, sebbene per le interazioni a lungo raggio le teorie che coinvolgono gli scambi di mesoni ne facilitino la costruzione. I potenziali parametri sono determinati adattando i dati sperimentali in modo tale che l'energia di legame del deuterone o le sezioni d' urto di scattering elastico NN (o, equivalentemente in questo contesto, i cosiddetti sfasamenti NN ).
I potenziali NN più comunemente usati sono in particolare il potenziale di Parigi , il potenziale di Argonne AV18 e il potenziale di CD-Bonn e i potenziali di Nimega .
Il potenziale nucleare contiene anche il potenziale di Coulomb, che non solo è repellente tra i protoni ma è attrattivo tra un protone di carica elettrica + e e un neutrone contenente cariche elettriche a somma zero. Il potenziale di Coulomb ha anche una parte magnetica (secondo la legge di Biot e Savart ), generalmente repulsiva tra i nucleoni.
Potremmo vedere nella fisica nucleare un unico obiettivo: descrivere l'insieme delle interazioni nucleari dalle interazioni fondamentali tra nucleoni. Questo è chiamato approccio microscopico o ab initio . Tuttavia, per questo, devono essere superati due ostacoli principali:
Tuttavia, grazie ai crescenti progressi nelle potenze di calcolo utilizzabili, sono diventati possibili calcoli microscopici che producono direttamente un modello a strati da due o tre potenziali di nucleoni e sono stati tentati per nuclei fino a una massa atomica di 12. .
Un approccio nuovo e molto promettente è quello di sviluppare teorie efficaci per una descrizione coerente delle forze nucleone-nucleone e delle forze di tre nucleoni. In particolare, possiamo analizzare la rottura della simmetria chirale come una teoria efficace (chiamata teoria della perturbazione chirale ), che permette un calcolo per perturbazione delle interazioni tra nucleoni, i pioni essendo le particelle di scambio.
Un modo efficace per descrivere le interazioni nucleari è costruire un potenziale per l'intero nucleo, invece di esaminare i nucleoni che lo compongono. Questo approccio è chiamato macroscopico . Ad esempio, la diffusione dei neutroni da parte dei nuclei può essere descritta considerando un'onda piana nel potenziale del nucleo, costituita da una parte reale e da una parte immaginaria. Questo modello è spesso chiamato "modello ottico" per analogia con il fenomeno della diffusione della luce da parte di una sfera di vetro opaco.
I potenziali nucleari possono essere locali o globali : i potenziali locali sono limitati ad una gamma ristretta di energie e/o masse, mentre i potenziali globali, che hanno più parametri e sono solitamente meno precisi, sono funzione dell'energia e della massa del nucleo, e può quindi essere utilizzato in un più ampio campo di applicazioni.