En un núcleo, la fuerza nuclear fuerte provoca interacciones entre protones y protones, entre neutrones y neutrones, y entre protones y neutrones. ¿Qué sabemos acerca de esta interacción?
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Los protones y los neutrones se denominan colectivamente nucleones. Los nucleones interactúan a través de la fuerza nuclear fuerte, y esta interacción no puede expresarse mediante una ecuación simple. La razón es que los nucleones no son partículas fundamentales. En realidad son grupos de quarks.
Corto alcance
La estructura de baja energía de los núcleos es sorprendentemente insensible a los detalles de la interacción nucleón-nucleón que se elige como una aproximación a la interacción quark-quark subyacente real. Esto es bueno y malo. Es bueno porque no necesitas entender mucho sobre los detalles desagradables para descubrir las propiedades de los núcleos, por ejemplo, por qué los núcleos tienen los tamaños y formas que tienen. Es malo porque significa que nunca se puede inferir mucho sobre la interacción simplemente observando las propiedades de los núcleos. Como ejemplo de cuán insensible es la estructura nuclear a los detalles de la fuerza nuclear fuerte, los grupos de átomos de sodio tienen números mágicos que coinciden con los primeros números mágicos.para núcleos; esto se debe a que estos números mágicos solo dependen de la naturaleza de corto alcance de la interacción.
Otros efectos que pueden entenderse en función del corto alcance de la interacción son:
Los núcleos actúan como si tuvieran tensión superficial (por lo que resisten la deformación).
Los núcleos son más estables si tienen un número par de neutrones y un número par de protones (porque entonces los neutrones y los protones pueden emparejarse en órbitas invertidas en el tiempo que maximizan su superposición espacial).
Los nucleones en una capa abierta tienden a acoplarse para formar el momento angular total mínimo (lo opuesto a las reglas de Hund para los electrones).
Una interacción residual
La naturaleza de corto alcance de la interacción nuclear es muy sorprendente, porque se cree que la fuerza quark-quark es aproximadamente independiente de la distancia. Lo que sucede aquí es que los nucleones son de color neutro, al igual que un átomo de hidrógeno es de carga neutra. Así como los átomos de hidrógeno "no deberían" interactuar, los nucleones "tampoco" deberían interactuar. Las fuerzas entre los nucleones casi se anulan y, del mismo modo, las fuerzas eléctricas entre dos átomos de hidrógeno neutros casi se anulan. La interacción que no desaparece proviene de efectos como la polarización de una partícula por la otra. Por esta razón, la interacción nucleón-nucleón se denomina interacción residual.
Además de su constante de acoplamiento y su rango, ¿qué otras características de la interacción nuclear son importantes para comprender la estructura nuclear de baja energía?
giro-órbita
Hay una interacción espín-órbita, que es mucho más fuerte y en la dirección opuesta a la que se espera solo de la relatividad especial.
Simetría entre neutrones y protones.
La interacción nuclear permanece sin cambios cuando transformamos neutrones en protones y protones en neutrones. Por esta razón, los núcleos ligeros exhiben propiedades casi idénticas si intercambias su N y Z. Los núcleos pesados no tienen esta simetría, que se rompe por la interacción eléctrica.
No hay características cualitativas inferibles de los tamaños de los núcleos.
No obtenemos ninguna información cualitativa clara sobre la interacción basada en los tamaños observados de los núcleos. Una clase extremadamente amplia de interacciones entre partículas puntuales da como resultado sistemas de n cuerpos que tienen estados ligados y densidad finita. La densidad finita (es decir, la ausencia de un colapso total en un punto) es esencialmente un resultado genérico del principio de incertidumbre de Heisenberg. Solo para ciertos tipos especiales de potenciales que explotan hasta a distancias cortas se puede eludir esto (Lieb 1976).
Una variedad de modelos
Debido a que la interacción nucleón-nucleón es una interacción residual, y los nucleones son realmente compuestos en lugar de puntuales, toda la noción de una interacción nucleón-nucleón es una aproximación, y uno puede modelarla en una variedad de formas sin dejar de generar concordancia con los datos. . En particular, algunos modelos tienen un núcleo duro y repulsivo, mientras que otros no (Chamel 2010, Stone 2006) y ambos tipos pueden reproducir los tamaños observados de los núcleos. Esto refuta la idea errónea común de que se necesita un núcleo tan duro para explicar el tamaño de los núcleos.
Referencias
Chamel y Pearson, 2010, "El método Skyrme-Hartree-Fock-Bogoliubov: su aplicación a núcleos finitos y cortezas de estrellas de neutrones", http://arxiv.org/abs/1001.5377
Lieb, Rev Mod Phys 48 (1976) 553, disponible en http://www.pas.rochester.edu/~rajeev/phy246/lieb.pdf
Stone y Reinhard, 2006, "La interacción Skyrme en núcleos finitos y materia nuclear", http://arxiv.org/abs/nucl-th/0607002