Fuerza nuclear
La fuerza nuclear (o interacción nucleón-nucleón , fuerza fuerte residual o, históricamente, fuerza nuclear fuerte ) es una fuerza que actúa entre los protones y neutrones de los átomos . Los neutrones y protones, ambos nucleones, se ven afectados por la fuerza nuclear de manera casi idéntica. Dado que los protones tienen carga +1 e , experimentan una fuerza eléctrica que tiende a separarlos, pero a corto alcance la fuerza nuclear atractiva es lo suficientemente fuerte como para vencer la fuerza electromagnética. La fuerza nuclear une a los nucleones en núcleos atómicos .
La fuerza nuclear es poderosamente atractiva entre los nucleones a distancias de aproximadamente 1 femtómetro (fm, o 1.0 × 10-15 metros ), pero disminuye rápidamente hasta la insignificancia a distancias superiores a aproximadamente 2.5 fm. A distancias inferiores a 0,7 fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Este componente repulsivo es responsable del tamaño físico de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza. En comparación, el tamaño de un átomo, medido en angstroms (Å, o 1.0 × 10 −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 tensorial y puede depender del momento relativo de los nucleones. [2]
La fuerza nuclear juega un papel esencial en el almacenamiento de energía que se utiliza en energía nuclear y armas nucleares . Se requiere trabajo (energía) para unir los protones cargados contra su repulsión eléctrica. Esta energía se almacena cuando los protones y neutrones están unidos 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 energético. La energía se libera cuando un núcleo pesado se rompe en dos o más núcleos más ligeros. Esta energía es la energía potencial electromagnética 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 en parte empíricas . Estas ecuaciones modelan las energías potenciales internucleon, o potenciales. (Generalmente, las fuerzas dentro de un sistema de partículas se pueden modelar más simplemente describiendo la energía potencial del sistema; el gradiente negativo de un potencial es igual a la fuerza vectorial). Las constantes de las ecuaciones son fenomenológicas, es decir, determinadas ajustando el ecuaciones a datos experimentales. Los potenciales entre nucleones intentan describir las propiedades de la interacción nucleón-nucleón. Una vez determinado, cualquier potencial dado se puede utilizar, por ejemplo, en la ecuación de Schrödinger para determinar las propiedades mecánicas cuánticas del sistema de nucleones.
El descubrimiento del neutrón en 1932 reveló que los núcleos atómicos estaban hechos de protones y neutrones, unidos por una fuerza atractiva. En 1935, se concibió la fuerza nuclear para ser transmitida por partículas llamadas mesones . Este desarrollo teórico incluyó una descripción del potencial Yukawa , un ejemplo temprano de potencial nuclear. Los piones , que cumplieron 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 un efecto residual de la fuerza fuerte.
Si bien la fuerza nuclear generalmente se asocia con nucleones, de manera más general, esta fuerza se siente entre hadrones o partículas compuestas de quarks . En pequeñas separaciones entre nucleones (menos de ~ 0,7 fm entre sus centros, dependiendo de la alineación de los espines), la fuerza se vuelve repulsiva, lo que mantiene a los nucleones en una cierta separación promedio. Para nucleones idénticos (como dos neutrones o dos protones), esta repulsión surge de la fuerza de exclusión de Pauli . También se produce una repulsión de Pauli entre quarks del mismo sabor de diferentes nucleones (un protón y un neutrón).
