Preguntas básicas sobre la fuerza fuerte

Tengo lo que probablemente sea un amargo concepto erróneo sobre la fuerza fuerte que me gustaría aclarar.

Aquí está mi razonamiento (probablemente defectuoso).

  • Las fuerzas fuertes mantienen juntos a los protones y neutrones a corta distancia, superando la repulsión entre los protones.

  • Las fuerzas fuertes no pueden identificar o elegir qué números de configuraciones de protones y neutrones deben mantener juntos.

  • Por lo tanto, la fuerza fuerte mantendría juntos cualquier número de protones y neutrones si se acercaran lo suficiente.

Pero esto no suena bien, ya que no todos los "núcleos posibles" son núcleos de elementos reales, y cuando ocurre la fusión los productos son núcleos muy específicos en lugar de una ensalada mucho más diversa.

Entonces, ¿qué le dice a la fuerza fuerte "cuándo" mantener las cosas unidas?

A lo que te refieres es a la "fuerza nuclear", no a la fuerza fuerte. La fuerza nuclear no se considera una interacción fundamental, es una interacción residual de la fuerza fuerte real, que actúa entre los quarks. De manera similar a cómo la fuerza de van der Waals se relaciona con la interacción EM. Mientras que la fuerza fuerte está mediada por gluones, la fuerza nuclear está mediada por mesones, que a su vez contienen un quark y un antiquark.
@Uldreth, perdóname si esto es ridículo, pero la entrada de wiki dice que la fuerza fuerte actúa en dos escalas, la mayor de las cuales incluye el pegado de protones y neutrones. En cualquier caso, lo que dices no cambia mi pregunta. ¿Por qué algunas configuraciones de protones y neutrones permanecen juntas mientras que otras no?
physics.stackexchange.com/q/267909 . Este enlace podría ayudar. La fuerza fuerte no puede mantener juntos un número ilimitado de protones y neutrones, de lo contrario tendríamos elementos más allá del uranio, con 92 protones, y no los tenemos.
@count_to_10 eso no explica por qué no todas las posibles configuraciones más pequeñas de protones y neutrones son núcleos de algunos átomos.
La fuerza residual que actúa a escala nuclear a veces se denomina "fuerza nuclear", "fuerza nuclear fuerte", "fuerza fuerte efectiva" y, por supuesto, "fuerza fuerte residual". Tampoco parece haber una estandarización real entre los autores.

Respuestas (2)

La razón por la que ningún núcleo (por ejemplo, uno que tenga sólo protones) puede existir en la naturaleza se debe al hecho de que tendrán una energía de enlace muy baja, en comparación con un núcleo que tiene el mismo número de nucleones, pero con una energía de enlace más baja. relación protón/neutrón estable.

Un modelo simple que nos permite obtener estimaciones bastante precisas de Binding Energies es el modelo Liquid Drop. Según este modelo, la energía de enlace viene dada por la fórmula de masa semiempírica: https://en.wikipedia.org/wiki/Semi-empirical_mass_formula

Es cierto que la fuerza fuerte no distingue entre protones y neutrones. Sin embargo, sabemos que la naturaleza favorece algunas combinaciones de protones y neutrones mejor que otras. Por ejemplo, un núcleo con un número de nucleones de 40 (Calcio) es más estable si tiene 20 protones y 20 neutrones.

Otra posibilidad podría ser 30 protones y 10 neutrones, pero tener 30 protones haría que los núcleos fueran más inestables debido al aumento de la repulsión electrostática.

¿Qué hay de tener 10 protones y 30 neutrones? Esto tendría menor repulsión electrostática. Pero ahora el término de asimetría en la fórmula de masa semiempírica hará que los núcleos sean menos estables. Esto se debe a que los protones y los neutrones acumulan energía de forma independiente.

El límite de la fuerza fuerte que mantiene unidas las cosas está dado por la combinación de un rango y la degeneración de la materia nuclear.

La fuerza fuerte residual está bien descrita matemáticamente por un potencial de Yukawa

V ( r ) = − gramo 2 4 π C 2 mi − metro r r ,
donde la masa metro que aparece allí es aproximadamente la masa del pión y gramo es una constante de acoplamiento efectiva. Esta forma hace que la fuerza de la fuerza muera fuertemente por encima de un par de femptómetros.

Al mismo tiempo, los nucleones en un núcleo grande forman un gas degenerado y no pueden comprimirse más sin un gran aumento de energía. Su ecuación de estado es bastante rígida. Como consecuencia, agregar nucleones adicionales necesariamente aumenta el tamaño del núcleo. Esto no es solo una conjetura, está respaldado por los tamaños medidos que equivalen aproximadamente a la raíz cúbica del número de nucleón.

r núcleo ∝ A 1 / 3 ,
lo que implica una densidad constante.

El único lugar donde se puede encontrar la energía para una mayor compactación es en objetos astronómicos muy densos.

El libro de Walecka tiene un buen tratamiento de este tema en los primeros capítulos.

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