القوة النووية

القوة النووية (أو تفاعل النيوكليون-نيوكليون ، أو القوة النووية القوية المتبقية ، أو تاريخيًا، القوة النووية القوية ) هي قوة تؤثر بين الهادرونات ، وتُلاحظ غالبًا بين البروتونات والنيوترونات في الذرات . يتأثر كل من النيوترونات والبروتونات ، وهما نيوكليونات، بالقوة النووية بشكل متطابق تقريبًا. ولأن البروتونات تحمل شحنة +1 e ، فإنها تتعرض لقوة كهربائية تميل إلى دفعها بعيدًا عن بعضها، ولكن على مسافات قصيرة، تكون قوة الجذب النووية قوية بما يكفي للتغلب على القوة الكهروستاتيكية. تربط القوة النووية النيوكليونات لتكوين نوى الذرات . 

تُعدّ القوة النووية قوة جذب قوية بين النيوكليونات على مسافات تبلغ حوالي 0.8 فيمتومتر (fm أو ^{تبلغ قيمة} معامل الاحتكاك النووي 0.8 × 10⁻¹⁵ متر  ، لكنها تتضاءل بسرعة حتى تصبح ضئيلة عند مسافات تتجاوز 2.5  فيمتومتر تقريبًا. عند مسافات أقل من 0.7  فيمتومتر، تصبح القوة النووية تنافرية. هذا التنافر هو المسؤول عن حجم النوى، حيث لا يمكن للنيوكليونات أن تقترب أكثر مما تسمح به هذه القوة. (حجم الذرة، الذي يبلغ حجمه رتبة الأنجستروم (Å، أو⁽ 10⁻¹⁰  م )، أي أكبر بخمسة مراتب من حيث الحجم.) ومع ذلك، فإن القوة النووية ليست بسيطة، إذ أنها تعتمد على دوران النيوكليونات، ولها مركبة موترية، وقد تعتمد على الزخم النسبي للنيوكليونات. ^{[ 2 ]}

للقوة النووية دور أساسي في تخزين الطاقة المستخدمة في الطاقة النووية والأسلحة النووية . يتطلب الأمر بذل شغل (طاقة) لتقريب البروتونات المشحونة من بعضها البعض في مواجهة تنافرها الكهربائي. تُخزن هذه الطاقة عندما ترتبط البروتونات والنيوترونات معًا بفعل القوة النووية لتكوين النواة. كتلة النواة أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات. يُعرف الفرق في الكتل بنقص الكتلة ، والذي يمكن التعبير عنه بمكافئ الطاقة. تُطلق الطاقة عندما تنقسم نواة ثقيلة إلى نواتين أو أكثر أخف وزنًا. هذه الطاقة هي طاقة الوضع بين النيوكليونات، والتي تُطلق عندما تفقد القوة النووية قدرتها على ربط الشظايا النووية المشحونة معًا. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

يعتمد الوصف الكمي للقوة النووية على معادلات تجريبية جزئيًا . تُنمذج هذه المعادلات طاقات الوضع بين النيوكليونات، أو الكمونات. (عمومًا، يمكن نمذجة القوى داخل نظام من الجسيمات بشكل أبسط من خلال وصف طاقة الوضع للنظام؛ حيث يساوي التدرج السالب للكمون متجه القوة). ثوابت المعادلات ظاهرية، أي تُحدد بمطابقة المعادلات مع البيانات التجريبية. تسعى كمونات التفاعل بين النيوكليونات إلى وصف خصائص تفاعل النيوكليونات. بمجرد تحديدها، يمكن استخدام أي كمون مُعطى، على سبيل المثال، في معادلة شرودنغر لتحديد الخصائص الميكانيكية الكمية لنظام النيوكليونات.

كشف اكتشاف النيوترون عام 1932 أن نوى الذرات تتكون من بروتونات ونيوترونات، تربطها قوة جاذبة. وبحلول عام 1935، اعتُقد أن القوة النووية تنتقل عبر جسيمات تُسمى الميزونات . وشمل هذا التطور النظري وصفًا لجهد يوكاوا ، وهو مثال مبكر على الجهد النووي. وفي عام 1947، تم اكتشاف البيونات تجريبيًا، مُحققةً بذلك التوقع. وبحلول سبعينيات القرن العشرين، طُوّر نموذج الكواركات ، الذي يُنظر فيه إلى الميزونات والنيوكليونات على أنها مُكوّنة من كواركات وغلوونات. ووفقًا لهذا النموذج الجديد، فإن القوة النووية، الناتجة عن تبادل الميزونات بين النيوكليونات المتجاورة، هي تفاعل متعدد الجسيمات، وهو التأثير الجماعي للقوة النووية القوية على البنية الأساسية للنيوكليونات.

بينما ترتبط القوة النووية عادةً بالنيوكليونات، إلا أنها تُلاحظ بشكل عام بين الهادرونات ، أو الجسيمات المكونة من الكواركات . عند المسافات الصغيرة بين النيوكليونات (أقل من  0.7  فيمتومتر تقريبًا بين مراكزها، اعتمادًا على اتجاه دورانها)، تصبح القوة تنافرية، مما يُبقي النيوكليونات على مسافة متوسطة معينة. بالنسبة للنيوكليونات المتطابقة (مثل نيوترونين أو بروتونين)، ينشأ هذا التنافر من قوة استبعاد باولي . كما يحدث تنافر باولي بين الكواركات من نفس النوع من نيوكليونات مختلفة (بروتون ونيوترون).

نووي

يتطلب تفكيك النواة إلى بروتونات ونيوترونات غير مرتبطة بذل شغل ضد القوة النووية. في المقابل، تُطلق طاقة عند تكوين النواة من نيوكليونات حرة أو نوى أخرى: طاقة الربط النووي . وبسبب تكافؤ الكتلة والطاقة (أي معادلة أينشتاين E = mc² ⁾ ، فإن إطلاق هذه الطاقة يجعل كتلة النواة أقل من مجموع كتل النيوكليونات الفردية، مما يؤدي إلى ما يُسمى "نقص الكتلة". ^{[ 6 ]}

تكاد القوة النووية لا تتأثر بنوع النيوكليونات، سواء كانت نيوترونات أو بروتونات. تُعرف هذه الخاصية باستقلال الشحنة . وتعتمد القوة على ما إذا كانت لفات النيوكليونات متوازية أم متعاكسة، لوجود مركبة غير مركزية لها. هذا الجزء من القوة لا يحافظ على الزخم الزاوي المداري ، الذي يُحفظ تحت تأثير القوى المركزية .

إن التناظر الناتج عن القوة النووية القوية، كما اقترحه فيرنر هايزنبرغ ، هو أن البروتونات والنيوترونات متطابقة في كل شيء عدا شحنتها. هذا ليس صحيحًا تمامًا، لأن النيوترونات أثقل قليلًا، ولكنه تناظر تقريبي. لذلك، يُنظر إلى البروتونات والنيوترونات على أنها الجسيم نفسه، ولكن بأعداد كمية مختلفة من الأيزوسبين ؛ فاصطلاحًا، يكون الأيزوسبين للبروتون لأعلى، بينما يكون الأيزوسبين للنيوترون لأسفل . تبقى القوة النووية القوية ثابتة تحت تحويلات الأيزوسبين SU(2)، تمامًا كما تبقى التفاعلات الأخرى بين الجسيمات ثابتة تحت تحويلات SU(2) للدوران الذاتي . بعبارة أخرى، كل من تحويلات الأيزوسبين وتحويلات الدوران الذاتي متماثلة مع مجموعة التناظر SU(2). لا توجد قوى تجاذب قوية إلا عندما يكون مجموع الأيزوسبين لمجموعة الجسيمات المتفاعلة صفرًا، وهو ما تؤكده التجارب. ^{[ 7 ]}

إن فهمنا للقوة النووية يتم من خلال تجارب التشتت وطاقة الربط للنوى الخفيفة.

تنشأ القوة النووية من خلال تبادل الميزونات الخفيفة الافتراضية ، مثل البيونات الافتراضية ، بالإضافة إلى نوعين من الميزونات الافتراضية ذات اللف المغزلي ( الميزونات المتجهة )، وهما ميزونات رو وميزونات أوميغا . وتُفسر الميزونات المتجهة اعتماد القوة النووية على اللف المغزلي في هذا التصور القائم على "الميزونات الافتراضية".

تختلف القوة النووية عن ما كان يُعرف تاريخيًا بالقوة النووية الضعيفة . يُعد التفاعل الضعيف أحد التفاعلات الأساسية الأربعة ، ويلعب دورًا في عمليات مثل تحلل بيتا . لا تلعب القوة الضعيفة أي دور في تفاعل النيوكليونات، مع أنها مسؤولة عن تحلل النيوترونات إلى بروتونات والعكس.

لطالما كانت القوة النووية محور الفيزياء النووية منذ نشأتها عام 1932 باكتشاف النيوترون على يد جيمس تشادويك . والهدف التقليدي للفيزياء النووية هو فهم خصائص نوى الذرات من خلال التفاعل المباشر بين أزواج النيوكليونات، أو ما يُعرف بقوى النيوكليون-نيوكليون  .

بعد أشهر قليلة من اكتشاف النيوترون، اقترح كلٌ من فيرنر هايزنبرغ ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} وديمتري إيفانينكو ^{[ 11 ] نماذج بروتون-نيوترون للنواة. [ 12 ]} تناول هايزنبرغ وصف البروتونات والنيوترونات في النواة من خلال ميكانيكا الكم، وهو نهج لم يكن بديهيًا في ذلك الوقت. كانت نظرية هايزنبرغ للبروتونات والنيوترونات في النواة "خطوةً هامة نحو فهم النواة كنظام ميكانيكي كمي". ^{[ 13 ]} قدّم هايزنبرغ أول نظرية لقوى التبادل النووي التي تربط النيوكليونات. اعتبر البروتونات والنيوترونات حالات كمية مختلفة لنفس الجسيم، أي نيوكليونات تتميز بقيمة أعدادها الكمية للإيزوسبين النووي.

كان نموذج القطرة السائلة، الذي طُوّر في ثلاثينيات القرن العشرين، من أوائل النماذج التي تناولت النواة . من خصائص النوى أن متوسط ​​طاقة الربط لكل نيوكليون متقارب في جميع النوى المستقرة، وهو ما يُشبه قطرة سائلة. اعتبر نموذج القطرة السائلة النواة قطرة من سائل نووي غير قابل للانضغاط، حيث تتصرف النيوكليونات كجزيئات في سائل. اقترح جورج غاموف هذا النموذج لأول مرة ، ثم طوّره نيلز بور ، وفيرنر هايزنبرغ ، وكارل فريدريش فون فايتسكر . لم يُفسّر هذا النموذج البسيط جميع خصائص النواة، ولكنه فسّر الشكل الكروي لمعظم النوى. كما قدّم النموذج تنبؤات جيدة لطاقة الربط في النوى.

في عام 1934، قدّم هيديكي يوكاوا أول محاولة لشرح طبيعة القوة النووية. ووفقًا لنظريته، تتوسط البوزونات الضخمة ( الميزونات ) التفاعل بين نيوكليونين. في ضوء الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، وبالتالي النموذج القياسي ، لم تعد نظرية الميزونات تُعتبر أساسية. لكن مفهوم تبادل الميزونات (حيث تُعامل الهادرونات كجسيمات أولية ) لا يزال يُمثل أفضل نموذج عملي لجهد التفاعل النووي الكمي . جهد يوكاوا (المعروف أيضًا بجهد كولوم المحجوب ) هو جهد من الشكل التالي: $${\displaystyle V_{\text{Yukawa}}(r)=-g^{2}{\frac {e^{-\mu r}}{r}},}$$ حيث g هو ثابت قياس المقدار، أي سعة الجهد،${\displaystyle \mu }$تمثل كتلة جسيم يوكاوا، و r المسافة الشعاعية إلى الجسيم. يتزايد الجهد بشكل رتيب ، مما يعني أن القوة جاذبة دائمًا. تُحدد الثوابت تجريبيًا. يعتمد جهد يوكاوا فقط على المسافة r بين الجسيمات، وبالتالي فهو يُمثل قوة مركزية .

خلال ثلاثينيات القرن العشرين، طوّر فريقٌ في جامعة كولومبيا بقيادة إ. إ. رابي تقنيات الرنين المغناطيسي لتحديد العزوم المغناطيسية للنوى. وأدت هذه القياسات إلى اكتشاف عام 1939 أن الديوتريوم يمتلك أيضًا عزمًا كهربائيًا رباعي الأقطاب . ^{[ 14 ] [ 15 ]} كانت هذه الخاصية الكهربائية للديوترون تتداخل مع قياسات فريق رابي. يُعد الديوتريوم، المُكوّن من بروتون ونيوترون، أحد أبسط الأنظمة النووية. وقد أوضح هذا الاكتشاف أن الشكل الفيزيائي للديوترون غير متناظر، مما وفّر فهمًا قيّمًا لطبيعة القوة النووية التي تربط النيوكليونات. وعلى وجه الخصوص، أظهرت النتيجة أن القوة النووية ليست قوة مركزية ، بل لها طابع موتري. ^{[ 1 ]} وقد اعتبر هانز بيته اكتشاف عزم الديوتريوم رباعي الأقطاب أحد الأحداث المهمة خلال السنوات التكوينية للفيزياء النووية. ^{[ 14 ]}

تاريخيًا، كانت مهمة وصف القوة النووية وصفًا ظاهريًا مهمة شاقة. ظهرت النماذج الكمية شبه التجريبية الأولى في منتصف خمسينيات القرن العشرين، ^{[ 1 ]} مثل جهد وودز-ساكسون (1954). وشهدت الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين تقدمًا ملحوظًا في التجارب والنظريات المتعلقة بالقوة النووية. وكان من بين النماذج المؤثرة جهد ريد (1968) ^{[ 1 ].}$${\displaystyle V_{\text{Reid}}(r)=-10.463{\frac {e^{-\mu r}}{\mu r}}-1650.6{\frac {e^{-4\mu r}}{\mu r}}+6484.2{\frac {e^{-7\mu r}}{\mu r}},}$$ أين${\displaystyle \mu =0.7~{\text{fm}}^{-1},}$حيث يُعطى الجهد بوحدات MeV . في السنوات الأخيرة، ركز الباحثون على تفاصيل القوة النووية، مثل اعتمادها على الشحنة، والقيمة الدقيقة لثابت اقتران π NN ، وتحسين تحليل إزاحة الطور ، وبيانات NN عالية الدقة ، وجهود NN عالية الدقة ، وتشتت NN عند الطاقات المتوسطة والعالية، ومحاولات اشتقاق القوة النووية من QCD.

القوة النووية هي أثر متبقٍ من القوة النووية القوية، أو التفاعل القوي . التفاعل القوي هو قوة التجاذب التي تربط الجسيمات الأولية المسماة بالكواركات معًا لتكوين النيوكليونات (البروتونات والنيوترونات). هذه القوة الأقوى، وهي إحدى القوى الأساسية في الطبيعة، تتوسطها جسيمات تسمى الغلوونات . تربط الغلوونات الكواركات معًا من خلال الشحنة اللونية ، وهي مشابهة للشحنة الكهربائية، ولكنها أقوى بكثير. تتركز الكواركات والغلوونات وديناميكياتها في الغالب داخل النيوكليونات، لكن التأثيرات المتبقية تمتد قليلاً خارج حدود النيوكليونات لتُنتج القوة النووية.

تُشابه القوى النووية الناشئة بين النيوكليونات القوى الكيميائية بين الذرات أو الجزيئات المتعادلة، والتي تُعرف بقوى تشتت لندن . هذه القوى بين الذرات أضعف بكثير من قوى التجاذب الكهربائية التي تربط الذرات ببعضها (أي التي تربط الإلكترونات بالنواة)، كما أن مداها بين الذرات أقصر، لأنها تنشأ من تباعد طفيف للشحنات داخل الذرة المتعادلة. وبالمثل، على الرغم من أن النيوكليونات تتكون من كواركات بتراكيب تُبطل معظم قوى الغلوونات (فهي "متعادلة اللون")، إلا أن بعض تراكيب الكواركات والغلوونات تتسرب بعيدًا عن النيوكليونات، على شكل مجالات قوى نووية قصيرة المدى تمتد من نيوكليون إلى آخر مجاور. هذه القوى النووية ضعيفة جدًا مقارنةً بقوى الغلوونات المباشرة ("قوى اللون" أو القوى النووية القوية ) داخل النيوكليونات، ولا تمتد القوى النووية إلا على بضعة أقطار نووية، وتتناقص أُسّيًا مع المسافة. ومع ذلك، فهي قوية بما يكفي لربط النيوترونات والبروتونات على مسافات قصيرة، والتغلب على التنافر الكهربائي بين البروتونات في النواة.

يُطلق أحيانًا على القوة النووية اسم القوة القوية المتبقية ، تمييزًا لها عن التفاعلات القوية الناشئة عن الديناميكا اللونية الكمومية. وقد ظهر هذا المصطلح خلال سبعينيات القرن العشرين عندما كانت الديناميكا اللونية الكمومية قيد التأسيس. قبل ذلك، كانت القوة النووية القوية تشير إلى جهد التفاعل بين النيوكليونات. بعد التحقق من صحة نموذج الكواركات ، أصبح مصطلح التفاعل القوي مرادفًا للديناميكا اللونية الكمومية.

تُعدّ الأنظمة ثنائية النيوكليونات، مثل الديوتريوم ( نواة ذرة الديوتيريوم)، بالإضافة إلى تشتت البروتون-بروتون أو النيوترون-بروتون، مثاليةً لدراسة قوة التفاعل بين النيوكليونات . يمكن وصف هذه الأنظمة من خلال إسناد جهد (مثل جهد يوكاوا ) إلى النيوكليونات، واستخدام هذه الجهود في معادلة شرودنغر . يُستنتج شكل الجهد ظاهريًا (عن طريق القياس)، مع العلم أنه بالنسبة للتفاعلات بعيدة المدى، تُساعد نظريات تبادل الميزونات في بناء الجهد. تُحدد معلمات الجهد من خلال مطابقتها مع البيانات التجريبية ، مثل طاقة ربط الديوتريوم أو مقاطع التشتت المرن بين النيوكليونات (أو ما يُعادلها في هذا السياق، ما يُسمى بانزياحات طور التفاعل بين النيوكليونات ).

إن أكثر إمكانيات الشبكة العصبية استخدامًا هي إمكانيات باريس ، وإمكانيات أرجون AV18 ، ^{[ 16 ]} وإمكانيات CD -Bonn ، وإمكانيات نيميغن .

يتمثل أحد المناهج الحديثة في تطوير نظريات المجال الفعّالة لوصف متسق لقوى التفاعل بين النيوكليونات وقوى التفاعل بين ثلاثة نيوكليونات. تُعدّ ديناميكا الهادرونات الكمومية نظرية مجال فعّالة للقوة النووية، وهي تُضاهي نظرية الكروموديناميكا الكمومية (QCD) في تفاعلات اللون، ونظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية (QED) في التفاعلات الكهرومغناطيسية. إضافةً إلى ذلك، يُمكن تحليل كسر التناظر الكيرالي باستخدام نظرية مجال فعّالة (تُسمى نظرية الاضطراب الكيرالي )، والتي تُتيح إجراء حسابات اضطرابية للتفاعلات بين النيوكليونات باستخدام البيونات كجسيمات تبادل.

• بوابة الفيزياء
• الطاقة النووية

• Ruprecht Machleidt ، "القوى النووية" ، Scholarpedia ، 9(1):30710. doi : 10.4249/scholarpedia.30710 .