Force nucléaire - Nuclear force

Force (en unités de 10 000 N) entre deux nucléons en fonction de la distance calculée à partir du potentiel de Reid (1968). Les spins du neutron et du proton sont alignés, et ils sont dans l' état de moment angulaire S. La force attractive (négative) a un maximum à une distance d'environ 1 fm avec une force d'environ 25 000 N. Les particules beaucoup plus proches qu'une distance de 0,8 fm subissent une grande force répulsive (positive). Les particules séparées par une distance supérieure à 1 fm sont toujours attirées (potentiel Yukawa), mais la force diminue comme une fonction exponentielle de la distance.
Énergie potentielle correspondante (en unités de MeV) de deux nucléons en fonction de la distance calculée à partir du potentiel de Reid. Le puits de potentiel est au minimum à une distance d'environ 0,8 fm. Avec ce potentiel, les nucléons peuvent se lier avec une « énergie de liaison » négative.

La force nucléaire (ou interaction nucléon-nucléon , force résiduelle forte , ou, historiquement, force nucléaire forte ) est une force qui agit entre les protons et les neutrons des atomes . Les neutrons et les protons, tous deux des nucléons, sont affectés par la force nucléaire de manière presque identique. Étant donné que les protons ont une charge +1  e , ils subissent une force électrique qui a tendance à les séparer, mais à courte distance, la force nucléaire attractive est suffisamment forte pour vaincre la force électromagnétique. La force nucléaire lie les nucléons aux noyaux atomiques .

La force nucléaire est puissamment attractive entre les nucléons à des distances d'environ 1  femtomètre (fm, ou 1,0 × 10 −15 mètres ), mais elle diminue rapidement jusqu'à devenir insignifiante à des distances supérieures à environ 2,5 fm. À des distances inférieures à 0,7 fm, la force nucléaire devient répulsive. Cette composante répulsive est responsable de la taille physique des noyaux, car les nucléons ne peuvent pas s'approcher plus que la force ne le permet. Par comparaison, la taille d'un atome, mesurée en angströms (Å, ou 1,0 × 10 -10 m), est cinq ordres de grandeur plus grande. La force nucléaire n'est cependant pas simple, car elle dépend des spins des nucléons, a une composante tensorielle et peut dépendre de la quantité de mouvement relative des nucléons.

La force nucléaire joue un rôle essentiel dans le stockage de l'énergie utilisée dans l'énergie nucléaire et les armes nucléaires . Un travail (de l'énergie) est nécessaire pour rassembler les protons chargés contre leur répulsion électrique. Cette énergie est stockée lorsque les protons et les neutrons sont liés ensemble par la force nucléaire pour former un noyau. La masse d'un noyau est inférieure à la somme des masses individuelles des protons et des neutrons. La différence de masse est connue sous le nom de défaut de masse , qui peut être exprimé en équivalent d'énergie. L'énergie est libérée lorsqu'un noyau lourd se brise en deux noyaux plus légers ou plus. Cette énergie est l'énergie potentielle électromagnétique qui est libérée lorsque la force nucléaire ne maintient plus ensemble les fragments nucléaires chargés.

Une description quantitative de la force nucléaire repose sur des équations en partie empiriques . Ces équations modélisent les énergies potentielles internucléons, ou potentiels. (En général, les forces au sein d'un système de particules peuvent être modélisées plus simplement en décrivant l'énergie potentielle du système ; le gradient négatif d'un potentiel est égal à la force vectorielle.) Les constantes des équations sont phénoménologiques, c'est-à-dire déterminées en ajustant le équations aux données expérimentales. Les potentiels internucléons tentent de décrire les propriétés de l'interaction nucléon-nucléon. Une fois déterminé, tout potentiel donné peut être utilisé, par exemple, dans l' équation de Schrödinger pour déterminer les propriétés mécaniques quantiques du système de nucléons.

La découverte du neutron en 1932 a révélé que les noyaux atomiques étaient constitués de protons et de neutrons, maintenus ensemble par une force d'attraction. En 1935, la force nucléaire était conçue pour être transmise par des particules appelées mésons . Ce développement théorique comprenait une description du potentiel Yukawa , un exemple précoce d'un potentiel nucléaire. Des pions , réalisant la prédiction, ont été découverts expérimentalement en 1947. Dans les années 1970, le modèle des quarks avait été développé, selon lequel les mésons et les nucléons étaient considérés comme composés de quarks et de gluons. Par ce nouveau modèle, la force nucléaire, résultant de l'échange de mésons entre nucléons voisins, est un effet résiduel de la force forte .

La description

Alors que la force nucléaire est généralement associée aux nucléons, plus généralement cette force est ressentie entre les hadrons , ou particules composées de quarks . Aux petites séparations entre les nucléons (moins de ~ 0,7 fm entre leurs centres, selon l'alignement des spins), la force devient répulsive, ce qui maintient les nucléons à une certaine séparation moyenne. Pour des nucléons identiques (comme deux neutrons ou deux protons), cette répulsion provient de la force d' exclusion de Pauli . Une répulsion de Pauli se produit également entre des quarks de même saveur provenant de nucléons différents (un proton et un neutron).

Force du champ

À des distances supérieures à 0,7 fm, la force devient attractive entre les nucléons alignés en spin, devenant maximale à une distance centre-centre d'environ 0,9 fm. Au-delà de cette distance, la force chute de façon exponentielle, jusqu'à ce qu'au-delà d'une séparation d'environ 2,0 fm, la force soit négligeable. Les nucléons ont un rayon d'environ 0,8 fm.

À de courtes distances (moins de 1,7 fm environ), la force nucléaire attractive est plus forte que la force coulombienne répulsive entre les protons ; il surmonte ainsi la répulsion des protons au sein du noyau. Cependant, la force coulombienne entre les protons a une portée beaucoup plus grande car elle varie comme l'inverse du carré de la séparation des charges, et la répulsion coulombienne devient ainsi la seule force significative entre les protons lorsque leur séparation dépasse environ 2 à 2,5 fm.

La force nucléaire a une composante dépendante du spin. La force est plus forte pour les particules avec leurs spins alignés que pour celles avec leurs spins anti-alignés. Si deux particules sont identiques, comme deux neutrons ou deux protons, la force n'est pas suffisante pour lier les particules, car les vecteurs de spin de deux particules du même type doivent pointer dans des directions opposées lorsque les particules sont proches l'une de l'autre et sont (sauf pour le spin) dans le même état quantique. Cette exigence de fermions découle du principe d'exclusion de Pauli . Pour les particules de fermions de différents types, comme un proton et un neutron, les particules peuvent être proches les unes des autres et avoir des spins alignés sans violer le principe d'exclusion de Pauli, et la force nucléaire peut les lier (dans ce cas, dans un deutéron ), puisque la force nucléaire est beaucoup plus forte pour les particules à spin aligné. Mais si les spins des particules sont anti-alignés, la force nucléaire est trop faible pour les lier, même s'ils sont de types différents.

La force nucléaire a également une composante tensorielle qui dépend de l'interaction entre les spins des nucléons et le moment cinétique des nucléons, conduisant à une déformation à partir d'une simple forme sphérique.

Liaison nucléaire

Pour désassembler un noyau en protons et neutrons non liés, il faut travailler contre la force nucléaire. Inversement, de l'énergie est libérée lorsqu'un noyau est créé à partir de nucléons libres ou d'autres noyaux : l' énergie de liaison nucléaire . En raison de l'équivalence masse-énergie (c'est-à-dire la formule d'Einstein E = mc 2 ), la libération de cette énergie fait que la masse du noyau est inférieure à la masse totale des nucléons individuels, conduisant à ce que l'on appelle le « défaut de masse ».

La force nucléaire est presque indépendante du fait que les nucléons soient des neutrons ou des protons. Cette propriété est appelée indépendance de charge . La force dépend du fait que les spins des nucléons soient parallèles ou antiparallèles, car elle a une composante non centrale ou tensorielle . Cette partie de la force ne conserve pas le moment angulaire orbital , qui sous l'action des forces centrales est conservé.

La symétrie résultant de la force forte, proposée par Werner Heisenberg , est que les protons et les neutrons sont identiques à tous égards, à l'exception de leur charge. Ce n'est pas tout à fait vrai, car les neutrons sont un peu plus lourds, mais c'est une symétrie approximative. Les protons et les neutrons sont donc considérés comme la même particule, mais avec des nombres quantiques d' isospin différents ; classiquement, le proton est en isospin up, tandis que le neutron est en isospin down . La force forte est invariante sous les transformations d'isospin SU(2), tout comme les autres interactions entre particules sont invariantes sous les transformations SU(2) de spin intrinsèque . En d'autres termes, les transformations d'isospin et de spin intrinsèque sont isomorphes au groupe de symétrie SU(2). Il n'y a de fortes attractions que lorsque l'isospin total de l'ensemble des particules en interaction est égal à 0, ce qui est confirmé par l'expérience.

Notre compréhension de la force nucléaire est obtenue par des expériences de diffusion et l'énergie de liaison des noyaux légers.

Un diagramme de Feynman simplifié d'une interaction proton - neutron forte médiée par un pion neutre virtuel . Le temps s'écoule de gauche à droite.

La force nucléaire se produit par l'échange de mésons légers virtuels , tels que les pions virtuels , ainsi que de deux types de mésons virtuels à spin ( mésons vecteurs ), les mésons rho et les mésons oméga . Les mésons vecteurs expliquent la dépendance au spin de la force nucléaire dans cette image de "méson virtuel".

La force nucléaire est distincte de ce que l'on appelait historiquement la force nucléaire faible . L' interaction faible est l'une des quatre interactions fondamentales et joue un rôle dans des processus tels que la désintégration bêta . La force faible ne joue aucun rôle dans l'interaction des nucléons, bien qu'elle soit responsable de la désintégration des neutrons en protons et vice versa.

Histoire

La force nucléaire est au cœur de la physique nucléaire depuis la naissance du domaine en 1932 avec la découverte du neutron par James Chadwick . L'objectif traditionnel de la physique nucléaire est de comprendre les propriétés des noyaux atomiques en termes d'interaction « nue » entre des paires de nucléons, ou forces nucléon-nucléon (forces NN).

Quelques mois après la découverte du neutron, Werner Heisenberg et Dmitri Ivanenko avaient proposé des modèles proton-neutron pour le noyau. Heisenberg a abordé la description des protons et des neutrons dans le noyau par la mécanique quantique, une approche qui n'était pas du tout évidente à l'époque. La théorie de Heisenberg pour les protons et les neutrons dans le noyau était une "étape majeure vers la compréhension du noyau en tant que système de mécanique quantique". Heisenberg a introduit la première théorie des forces d'échange nucléaire qui lient les nucléons. Il considérait que les protons et les neutrons étaient des états quantiques différents de la même particule, c'est-à-dire des nucléons se distinguant par la valeur de leurs nombres quantiques d' isospin nucléaire .

L'un des premiers modèles pour le noyau était le modèle de goutte liquide développé dans les années 1930. Une propriété des noyaux est que l'énergie de liaison moyenne par nucléon est approximativement la même pour tous les noyaux stables, ce qui est similaire à une goutte liquide. Le modèle de la goutte liquide traitait le noyau comme une goutte de fluide nucléaire incompressible, les nucléons se comportant comme des molécules dans un liquide. Le modèle a d'abord été proposé par George Gamow , puis développé par Niels Bohr , Werner Heisenberg et Carl Friedrich von Weizsäcker . Ce modèle grossier n'expliquait pas toutes les propriétés du noyau, mais il expliquait la forme sphérique de la plupart des noyaux. Le modèle a également donné de bonnes prédictions pour l'énergie de liaison des noyaux.

En 1934, Hideki Yukawa a fait la première tentative d'expliquer la nature de la force nucléaire. Selon sa théorie, les bosons massifs ( mésons ) assurent la médiation de l'interaction entre deux nucléons. À la lumière de la chromodynamique quantique (QCD) – et, par extension, du modèle standard – la théorie des mésons n'est plus perçue comme fondamentale. Mais le concept d'échange de mésons (où les hadrons sont traités comme des particules élémentaires ) continue de représenter le meilleur modèle de travail pour un potentiel NN quantitatif . Le potentiel de Yukawa (appelé aussi potentiel de Coulomb blindé ) est un potentiel de la forme

g est une constante d'échelle de grandeur, c'est-à-dire l'amplitude du potentiel, est la masse de la particule Yukawa, r est la distance radiale à la particule. Le potentiel est monotone croissant , ce qui implique que la force est toujours attractive. Les constantes sont déterminées empiriquement. Le potentiel Yukawa ne dépend que de la distance entre les particules, r , il modélise donc une force centrale .

Tout au long des années 1930, un groupe de l'Université Columbia dirigé par II Rabi a développé des techniques de résonance magnétique pour déterminer les moments magnétiques des noyaux. Ces mesures ont conduit à la découverte en 1939 que le deutéron possédait également un moment quadripolaire électrique . Cette propriété électrique du deutéron avait interféré avec les mesures du groupe de Rabi. Le deutéron, composé d'un proton et d'un neutron, est l'un des systèmes nucléaires les plus simples. La découverte signifiait que la forme physique du deutéron n'était pas symétrique, ce qui a fourni des informations précieuses sur la nature des nucléons liant la force nucléaire. En particulier, le résultat a montré que la force nucléaire n'était pas une force centrale , mais avait un caractère tenseur. Hans Bethe a identifié la découverte du moment quadripolaire du deutéron comme l'un des événements importants au cours des années de formation de la physique nucléaire.

Historiquement, la tâche de décrire phénoménologiquement la force nucléaire était redoutable. Les premiers modèles quantitatifs semi-empiriques sont apparus au milieu des années 1950, comme le potentiel Woods-Saxon (1954). Il y a eu des progrès substantiels dans l'expérience et la théorie liées à la force nucléaire dans les années 1960 et 1970. Un modèle influent était le potentiel de Reid (1968)

où et où le potentiel est donné en unités de MeV. Ces dernières années, les expérimentateurs se sont concentrés sur les subtilités de la force nucléaire, telles que sa dépendance de charge, la valeur précise de la constante de couplage NN , une analyse de déphasage améliorée , des données NN de haute précision , des potentiels NN de haute précision , la diffusion NN à des énergies intermédiaires et élevées, et tente de dériver la force nucléaire de la CDQ.

La force nucléaire comme résidu de la force forte

Une animation de l'interaction. Les doubles cercles colorés sont des gluons. Les anti-couleurs sont montrées selon ce schéma ( version plus grande ).
Le même diagramme que celui ci-dessus avec les constituants individuels des quarks montrés, pour illustrer comment l' interaction forte fondamentale donne naissance à la force nucléaire . Les lignes droites sont des quarks, tandis que les boucles multicolores sont des gluons (les porteurs de la force fondamentale). Les autres gluons, qui lient ensemble le proton, le neutron et le pion "en vol", ne sont pas représentés.

La force nucléaire est un effet résiduel de la force forte plus fondamentale, ou interaction forte . L'interaction forte est la force d'attraction qui lie les particules élémentaires appelées quarks entre elles pour former les nucléons (protons et neutrons) eux-mêmes. Cette force plus puissante, l'une des forces fondamentales de la nature, est médiée par des particules appelées gluons . Les gluons maintiennent les quarks ensemble grâce à une charge de couleur qui est analogue à la charge électrique, mais beaucoup plus forte. Les quarks, les gluons et leur dynamique sont pour la plupart confinés dans les nucléons, mais les influences résiduelles s'étendent légèrement au-delà des limites des nucléons pour donner naissance à la force nucléaire.

Les forces nucléaires apparaissant entre les nucléons sont analogues aux forces chimiques entre atomes ou molécules neutres appelées forces de dispersion de Londres . De telles forces entre les atomes sont beaucoup plus faibles que les forces électriques attractives qui maintiennent les atomes ensemble (c'est-à-dire qui lient les électrons au noyau), et leur distance entre les atomes est plus courte, car elles résultent d'une petite séparation des charges à l'intérieur de l'atome neutre. De même, même si les nucléons sont constitués de quarks dans des combinaisons qui annulent la plupart des forces de gluons (ils sont "de couleur neutre"), certaines combinaisons de quarks et de gluons s'échappent néanmoins des nucléons, sous la forme de champs de forces nucléaires à courte portée qui s'étendent de un nucléon à un autre nucléon voisin. Ces forces nucléaires sont très faibles par rapport aux forces directes des gluons ("forces de couleur" ou forces fortes ) à l'intérieur des nucléons, et les forces nucléaires ne s'étendent que sur quelques diamètres nucléaires, diminuant de façon exponentielle avec la distance. Néanmoins, ils sont suffisamment puissants pour lier les neutrons et les protons sur de courtes distances et surmonter la répulsion électrique entre les protons du noyau.

Parfois, la force nucléaire est appelée force forte résiduelle , contrairement aux interactions fortes qui découlent de la CDQ. Cette formulation est apparue au cours des années 1970, lorsque la CDQ a été établie. Avant cela, la force nucléaire forte faisait référence au potentiel internucléon. Après la vérification du modèle des quarks , l'interaction forte est devenue la CDQ.

Potentiels nucléon-nucléon

Les systèmes à deux nucléons tels que le deutéron , le noyau d'un atome de deutérium, ainsi que la diffusion proton-proton ou neutron-proton sont idéaux pour étudier la force NN . De tels systèmes peuvent être décrits en attribuant un potentiel (comme le potentiel de Yukawa ) aux nucléons et en utilisant les potentiels dans une équation de Schrödinger . La forme du potentiel est dérivée phénoménologiquement (par mesure), bien que pour l'interaction à longue distance, les théories de l'échange de mésons aident à construire le potentiel. Les paramètres du potentiel sont déterminés en s'adaptant à des données expérimentales telles que l'énergie de liaison du deutéron ou les sections efficaces de diffusion élastique NN (ou, de manière équivalente dans ce contexte, ce que l'on appelle les déphasages NN ).

Les potentiels NN les plus utilisés sont le potentiel de Paris , le potentiel d'Argonne AV18 , le potentiel de CD-Bonn et les potentiels de Nimègue .

Une approche plus récente consiste à développer des théories de champ efficaces pour une description cohérente des forces nucléon-nucléon et à trois nucléons. L'hadrodynamique quantique est une théorie des champs efficace de la force nucléaire, comparable à la QCD pour les interactions de couleur et à la QED pour les interactions électromagnétiques. De plus, la brisure de la symétrie chirale peut être analysée en termes de théorie de champ efficace (appelée théorie de perturbation chirale ) qui permet des calculs perturbatifs des interactions entre les nucléons et les pions comme particules d'échange.

Des nucléons aux noyaux

Le but ultime de la physique nucléaire serait de décrire toutes les interactions nucléaires à partir des interactions de base entre nucléons. C'est ce qu'on appelle l' approche microscopique ou ab initio de la physique nucléaire. Il y a deux obstacles majeurs à surmonter :

  • Les calculs dans les systèmes à plusieurs corps sont difficiles (à cause des interactions multiparticulaires) et nécessitent des techniques de calcul avancées.
  • Il est prouvé que les forces à trois nucléons (et peut-être des interactions multiparticulaires plus élevées) jouent un rôle important. Cela signifie que les potentiels à trois nucléons doivent être inclus dans le modèle.

Il s'agit d'un domaine de recherche actif avec des progrès continus dans les techniques de calcul conduisant à de meilleurs calculs de premier principe de la structure de la coque nucléaire . Des potentiels à deux et trois nucléons ont été mis en œuvre pour des nucléides jusqu'à A  = 12.

Potentiels nucléaires

Une façon efficace de décrire les interactions nucléaires est de construire un potentiel pour l'ensemble du noyau au lieu de considérer tous ses composants de nucléons. C'est ce qu'on appelle l' approche macroscopique . Par exemple, la diffusion des neutrons à partir des noyaux peut être décrite en considérant une onde plane dans le potentiel du noyau, qui comprend une partie réelle et une partie imaginaire. Ce modèle est souvent appelé modèle optique car il ressemble au cas de la lumière diffusée par une sphère de verre opaque.

Les potentiels nucléaires peuvent être locaux ou globaux : les potentiels locaux sont limités à une gamme d'énergie étroite et/ou une gamme de masse nucléaire étroite, tandis que les potentiels globaux, qui ont plus de paramètres et sont généralement moins précis, sont des fonctions de l'énergie et de la masse nucléaire et peut donc être utilisé dans un plus large éventail d'applications.

Voir également

Les références

Bibliographie

Lectures complémentaires