Force nucléaire - Définition et Explications

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Propriétés fondamentales de la force nucléaire

  • La force nucléaire est ressentie uniquement par les hadrons.
  • Aux distances typiques de séparation des nucléons (1,3 fm), c'est une force attractive très intense.
  • À de plus faibles distances, la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) est fortement répulsive, ce qui maintient une certaine séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) entre nucléons.
  • Au-delà d'environ 1,3 fm, la force décroît exponentiellement vers zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans...).
  • À courtes distances, la force nucléaire (La force nucléaire est une force qui s'exerce entre nucléons. Elle est responsable de la liaison des protons et des neutrons dans les noyaux atomiques. Cette force peut être comprise en termes d'échange de mésons...) est plus intense que la 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 spins des nucléons sont parallèles ou antiparallèles.
  • La force NN possède une composante non centrale ou 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 nucléaires

Une voie fructueuse pour décrire les interactions nucléaires consiste à construire un potentiel pour l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) du noyau, au lieu d'examiner les nucléons qui le composent. Cette approche est dite macroscopique. Par exemple, la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information),...) de neutrons par des noyaux peut être décrite en considérant une onde plane (L'onde plane est un concept issu de la physique de la propagation des ondes. C'est une onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, tous perpendiculaires à une même direction de propagation désignée par le vecteur .) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) par une sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants,...) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) du noyau, et peuvent ainsi être utilisés dans un plus vaste domaine d'applications.

Des nucléons au noyau

On pourrait voir dans la physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) 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 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 (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse relative d'un atome de cet isotope ; la comparaison est...) égale à 12.

Une approche nouvelle et très prometteuse consiste à développer des 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 (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) effective (appelée théorie de la perturbation chirale), ce qui autorise un calcul par perturbation des interactions entre nucléons, les pions étant les particules d'échange.

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