Force nucléaire
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2008-07-18T07:35:37Z
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robot Ajoute: [[simple:Nuclear force]]
:''Cet article concerne la force appelée parfois '''force forte résiduelle'''. Pour la "force nucléaire forte", voir [[interaction forte]]; pour la "force nucléaire faible", voir [[interaction faible]]. Voir aussi [[énergie nucléaire]] pour ses applications.''
La '''force nucléaire''' est une force qui s'exerce entre [[nucléon]]s. Elle est responsable de la liaison des [[proton]]s et des [[neutron]]s dans les [[Noyau atomique|noyaux atomiques]]. Cette force peut être comprise en termes d'échange de [[méson]]s légers, comme les [[pion]]s.
Elle est parfois appelée '''force forte résiduelle''', pour la distinguer de l'[[interaction forte]] que l'on explique maintenant à partir de la [[chromodynamique quantique]]. Cette formulation a été introduite dans les années 1970 en raison d'un changement de [[paradigme]]. Auparavant, la ''force nucléaire forte'' désignait la force entre nucléons. Après l'introduction du [[modèle des quarks]], l'''interaction forte'' a désigné la force définie par la chromodynamique quantique. Les nucléons n'ayant aucune [[charge de couleur]], la force nucléaire n'implique pas directement les [[gluon]]s, particules responsables de l'interaction forte.
== Historique ==
La force nucléaire est au cœur de la [[physique nucléaire]] depuis la naissance de cette discipline en [[1932]] avec la découverte du [[neutron]] par [[James Chadwick]]. Le but traditionnel de la physique nucléaire est de comprendre les propriétés du [[noyau atomique]] en terme d'interactions 'nues' entre paires de nucléons, ou forces nucléon-nucléon (''NN'').
En [[1935]], [[Hideki Yukawa]] fut le premier à tenter d'expliquer la nature de la force nucléaire. Selon sa théorie, des [[boson]]s massifs ([[méson]]s) servent de médiateurs à l'interaction entre deux nucléons. Bien que, à la lumière de la chromodynamique quantique, la théorie des mésons ne soit plus perçue comme fondamentale, le concept d'échange de mésons (dans lequel les [[hadron]]s sont traités comme des [[particule élémentaire|particules élémentaires]]) représente toujours le meilleur modèle quantitatif pour le potentiel ''NN''.
Historiquement, la simple description qualitative de la force nucléaire se révéla une tâche considérable, et la construction des premiers modèles quantitatifs semi-empiriques au milieu des années 1950 n'intervint qu'après un quart de siècle de recherches. Depuis lors, des progrès substantiels sont intervenus dans les domaines expérimentaux et théoriques concernant la force nucléaire. La plupart des questions fondamentales ont été tranchées dans les années 1960 et 1970. Plus récemment, les expérimentateurs se sont concentrés sur les aspects subtils de la force nucléaire, comme la dépendance de charge, la détermination précise de la constante de couplage π''NN'', l'amélioration de l'analyse du décalage de phase, la mesure de haute précision des données et des potentiels ''NN'', la diffusion ''NN'' pour des énergies intermédiaires et élevées, et les tentatives de description de la force nucléaire à partir de la chromodynamique quantique.
== Propriétés fondamentales de la force nucléaire ==
* La force nucléaire est ressentie uniquement par les [[hadron]]s.
* Aux distances typiques de séparation des nucléons (1,3 [[femtomètre|fm]]), c'est une force attractive très intense (104 newtons).
* À de plus faibles distances, la force est fortement répulsive, ce qui maintient une certaine séparation entre nucléons.
* Au-delà d'environ 1,3 fm, la force décroît exponentiellement vers zéro.
* À courtes distances, la force nucléaire est plus intense que la [[Loi de Coulomb (électrostatique)|force coulombienne]]; elle peut vaincre la répulsion entre protons produite par la force de Coulomb à l'intérieur du noyau. Cependant, la force de Coulomb entre protons a une plus grande portée et devient la seule force significative entre protons quand ils sont séparés de plus de 2,5 fm.
* La force ''NN'' est pratiquement indépendante de la nature des nucléons, neutrons ou protons. Cette propriété est appelée ''indépendance de charge''.
* La force ''NN'' dépend du fait que les [[spin]]s des nucléons sont parallèles ou antiparallèles.
* La force ''NN'' possède une composante non centrale ou ''[[Tenseur|tensorielle]]''. Cette partie de la force ne conserve pas le [[moment orbital angulaire]], qui est une constante du mouvement produit par une [[force centrale]].
== Potentiels nucléon-nucléon ==
Les systèmes à deux nucléons tels que le [[Deutérium|deutéron]] ou encore la diffusion proton-proton ou neutron-proton sont idéaux pour étudier la force ''NN''. De tels systèmes peuvent être décrits en attribuant un ''[[potentiel]]'' (tel que le [[potentiel de Yukawa]]) aux nucléons et en utilisant les potentiels dans une [[équation de Schrödinger]]. Cette méthode permet de déterminer la forme du potentiel, bien que pour les interactions à longue portée, les théories impliquant les échanges de mésons en facilitent la construction. Les paramètres du potentiel sont déterminés par adaptation aux données expérimentales telles que l'énergie de liaison du deutéron ou les [[section efficace|sections efficaces]] de [[diffusion élastique]] ''NN'' (ou, de façon équivalente dans ce contexte, ce que l'on appelle les décalages de phase ''NN'').
Les potentiels ''NN'' les plus couramment utilisés sont notamment le [[potentiel de Paris]], le [[potentiel Argonne AV18]] et le [[potentiel CD-Bonn]] et les [[potentiel de Nijmegen|potentiels de Nijmegen]].
== Des nucléons au noyau ==
On pourrait voir dans la [[physique nucléaire]] un but ultime : décrire l'ensemble des interactions nucléaires à partir des interactions fondamentales entre nucléons. C'est ce que l'on appelle l'approche ''microscopique'' ou ''ab initio''. Deux obstacles majeurs doivent cependant être surmontés avant que ce rêve ne devienne réalité :
* Les calculs dans des [[Problème à plusieurs corps|systèmes à plusieurs corps]] sont complexes et requièrent des moyens de calcul puissants.
* Il est prouvé que, dans les systèmes à plus de deux nucléons, les forces à trois corps (et peut-être également les forces à quatre corps, cinq corps, etc.) jouent un rôle significatif. Ainsi, les potentiels à trois nucléons (au moins) doivent être inclus dans le modèle.
Cependant, grâce aux progrès croissants des puissances de calcul utilisables, les calculs microscopiques produisant directement un [[modèle en couches]] à partir de potentiels à deux ou trois nucléons sont devenus possibles, et ont été tentés pour des noyaux allant jusqu'à une [[masse atomique]] égale à 12.
Une approche nouvelle et très prometteuse consiste à développer des [[Théorie effective|théories effectives]] pour une description cohérente des forces nucléon-nucléon et des forces à trois nucléons. En particulier, on peu analyser la [[brisure de symétrie chirale]] en termes de théorie effective (appelée [[théorie de la perturbation chirale]]), ce qui autorise un [[Théorie des perturbations|calcul par perturbation]] des interactions entre nucléons, les pions étant les particules d'échange.
== Potentiels nucléaires ==
Une voie fructueuse pour décrire les interactions nucléaires consiste à construire un potentiel pour l'ensemble du noyau, au lieu d'examiner les nucléons qui le composent. Cette approche est dite ''macroscopique''. Par exemple, la diffusion de neutrons par des noyaux peut être décrite en considérant une onde plane dans le potentiel du noyau, constituée d'une partie réelle et d'une partie imaginaire. Ce modèle est souvent appelé le '''modèle optique''' par analogie avec le phénomène de diffusion de la lumière par une sphère de verre opaque.
Les potentiels nucléaires peuvent être ''locaux'' ou ''globaux'' : les potentiels locaux sont limités à un domaine restreint d'énergies et/ou de masses, alors que les potentiels globaux, qui ont plus de paramètres et sont habituellement moins précis, sont fonction de l'énergie et de la masse du noyau, et peuvent ainsi être utilisés dans un plus vaste domaine d'applications.
== Liens internes ==
* [[Réaction nucléaire]]
* [[Potentiel de Yukawa]]
* [[Énergie nucléaire]]
==Références==
* {{en}} Gerald Edward Brown and A. D. Jackson, ''The Nucleon-Nucleon Interaction'', (1976) North-Holland Publishing, Amsterdam ISBN 0-7204-0335-9
* {{en}} R. Machleidt and I. Slaus, "The nucleon-nucleon interaction", ''J. Phys.'' G '''27''' (2001) R69 ''(topical review)''.
* {{en}} Kenneth S. Krane, "Introductory Nuclear Physics", (1988) Wiley & Sons ISBN 0-471-80553-X
* {{en}} P. Navrátil and W.E. Ormand, "Ab initio shell model with a genuine three-nucleon force for the p-shell nuclei", Phys. Rev. C '''68''', 034305 (2003).
{{portail physique}}
[[Catégorie:Physique nucléaire]]
[[Catégorie:Chromodynamique quantique]]
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