Rezidualna jaka nuklearna sila

Nuklearna sila (ili interakcija nukleon-nukleon ili rezidualna jaka sila ) je sila koja djeluje između protona i neutrona od atoma . Na nukleone i protone, oba nukleona, nuklearna sila utiče skoro identično. Budući da protoni imaju naboj +1 e , oni doživljavaju električnu silu koja ih ima tendenciju da ih razdvaja, ali na kratkom dometu privlačna nuklearna sila je dovoljno jaka da savlada elektromagnetnu silu. Nuklearna sila veže nukleone u atomska jezgra .

Nuklearna sila je snažno privlačna između nukleona na udaljenosti od oko 1 femtometra (fm, ili 1,0 × 10<-15> metara ), ali se brzo smanjuje do beznačajnosti na daljinama većim od oko 2,5 fm. Na udaljenostima manjim od 0,7 fm, nuklearna sila postaje odbojna. Ta odbojna komponenta odgovorna je za fizičku veličinu jezgara, jer nukleoni mogu doći ne bliže nego što sila dopušta. Za usporedbu, veličina atoma, izmjerena u angstromima (Å, ili 1,0 × 10<-10> m), veća je za pet redova. Nuklearna sila, međutim, nije jednostavna, jer ovisi o nukleonima, ima tenzorsku komponentu i može zavisiti od relativnog momenta nukleona.

Nuklearna sila igra ključnu ulogu u skladištenju energije koja se koristi u nuklearnoj energiji i nuklearnom oružju . Potreban je rad (energija) za spajanje nabijenih protona protiv njihovog električnog odbijanja. Ta energija se skladišti kada se protoni i neutroni vežu nuklearnom silom i tvore jezgro. Masa jezgre je manja od zbira pojedinačnih masa protona i neutrona. Razlika u masama poznata je kao defekt mase koja se može izraziti kao energetski ekvivalent. Energija se oslobađa kada se teško jezgro raspadne na dva ili više lakših jezgara. Ta je energija elektromagnetska potencijalna energija koja se oslobađa kada nuklearna sila više ne drži nabijene nuklearne fragmente zajedno.

Kvantitativni opis nuklearne sile oslanja se na jednačine koje su djelimično empirijske . Ove jednačine modeliraju međunukleonske potencijalne energije ili potencijale. (Općenito, sile unutar sistema čestica se mogu jednostavnije modelirati opisom potencijalne energije sistema; negativni gradijent potencijala jednak je vektorskoj sili.) Konstante za jednadžbe su fenomenološke, odnosno određene su uklapanjem jednadžbe eksperimentalnih podataka. Internukleonski potencijali pokušavaju opisati svojstva interakcije nukleon-nukleon. Kad se jednom utvrdi, svaki dati potencijal može se upotrijebiti, na primjer, Schrödingerova jednačina za određivanje kvantno mehaničkih svojstava nukleonskog sustava.

Otkriće neutrona 1932. godine otkrilo je da su atomske jezgre napravljene od protona i neutrona, koji se drže privlačnom silom. Do 1935. godine zamišljena je nuklearna sila koju prenose čestice koje se nazivaju mezoni . Ovaj teorijski razvoj uključuje opis Yukawinog potencijala , rani primjer nuklearnog potencijala. Pioniri , ispunjavajući predviđanje, eksperimentalno su otkriveni 1947. Do 1970-ih godina razvio se model kvarka po kojem su mezoni i nukleoni posmatrani kao sastavljeni od kvarkova i gluona. Po ovom novom modelu, nuklearna sila koja je rezultat razmjene mezona između susjednih nukleona, preostalo je djelovanje jake sile.