5.1: Características de la Fuerza Nuclear

En esta parte del curso queremos estudiar la estructura de los núcleos. Esto, a su vez, nos dará una idea de las energías y fuerzas que unen núcleos y, por lo tanto, de los fenómenos (que estudiaremos más adelante) que pueden separarlos o crearlos.

Para estudiar la estructura nuclear necesitamos conocer los constituyentes de los núcleos (los nucleones, es decir, protones y neutrones) y tratarlos como objetos QM. Desde el punto de vista de la QM tal como estudiábamos hasta ahora, primero queremos saber cuál es el estado del sistema (en equilibrio). Así queremos resolver la ecuación de Schrödinger independiente del tiempo. Esto nos dará los niveles de energía de los núcleos.

La naturaleza exacta de las fuerzas que mantienen unidos los constituyentes del núcleo es el estudio de la cromodinámica cuántica, que describe y busca la fuente de la interacción fuerte, una de las cuatro interacciones fundamentales, junto con la gravitación, la fuerza electromagnética y la interacción débil. Esta teoría va mucho más allá de este curso. Aquí solo queremos señalar algunas de las propiedades de la interacción nucleón-nucleón:

• A distancias cortas es más fuerte que la fuerza de Coulomb: sabemos que los núcleos comprenden protones fuertemente empaquetados, así para mantener estos protones juntos la fuerza nuclear tiene que vencer a la repulsión de Coulomb.
• La fuerza nuclear es de corto alcance. Esto está respaldado por el hecho de que las interacciones entre, por ejemplo, dos núcleos en una molécula solo están dictadas por la fuerza de Coulomb y ya no por la fuerza nuclear.
• No todas las partículas están sometidas a la fuerza nuclear (una excepción notable son los electrones)
• La fuerza nuclear no depende en absoluto de la carga de partículas, por ejemplo, es la misma para protones y neutrones.
• La fuerza nuclear sí depende del giro, como demostraremos en el caso del deuterón.
• Los experimentos pueden revelar otras propiedades, como el hecho de que existe un término repulsivo a distancias muy cortas y que hay un componente que es dependiente angular (la fuerza entonces no es central y el momento angular no se conserva, aunque podemos descuidar esto a una primera aproximación).

Primero veremos cómo estas características se reflejan en el hamiltoniano del núcleo más simple (no trivial), el deuterón. Este es el único núcleo que podemos intentar resolver analíticamente formando un modelo completo de la interacción entre dos nucleones. Al comparar la predicción del modelo con los resultados experimentales, podemos verificar si las características de la fuerza nuclear que describimos son correctas. Posteriormente estudiaremos cómo las propiedades de la fuerza nuclear dan forma a la naturaleza y composición de núcleos estables e inestables.