Fuerza Nuclear Residual
La fuerza nuclear residual es una interacción atractiva de corto alcance que mantiene unidos protones y neutrones dentro del núcleo atómico. Surge del intercambio de piones virtuales entre los nucleones.
La interacción fuerte se manifiesta en dos niveles distintos:
- Fuerza fuerte fundamental
Actúa entre quarks y gluones en el interior de los nucleones (protones y neutrones). Mediados por gluones, estos vínculos son responsables del confinamiento de los quarks y operan a escalas subnucleares, con un alcance inferior a un femtómetro (≲ 1 fm). - Fuerza nuclear residual
Actúa entre nucleones dentro del núcleo atómico. Mediado por piones virtuales (mesones), este efecto genera la cohesión que mantiene estable al núcleo. Opera en distancias nucleares del orden de 1 a 2 femtómetros y explica cómo los núcleos permanecen unidos a pesar de la repulsión electrostática entre protones cargados positivamente.¿Por qué se denomina “residual”? El calificativo “residual” se refiere a la influencia remanente de la interacción fuerte fundamental entre quarks. Aunque los quarks están confinados en el interior de los nucleones, el campo asociado no se extingue totalmente en sus límites. Ese campo sobrante genera una interacción secundaria entre nucleones: la fuerza nuclear residual.
En síntesis, la fuerza residual es un efecto secundario de la interacción fuerte subyacente, de forma análoga a cómo las fuerzas de Van der Waals emergen como interacciones electromagnéticas residuales entre moléculas neutras.
Cómo actúa la Fuerza Nuclear Residual
El núcleo atómico contiene varios protones, todos con carga positiva. La repulsión electromagnética debería separarlos, y sin embargo permanecen ligados.
La fuerza que los mantiene unidos es intensamente atractiva pero de alcance extremadamente corto: la fuerza nuclear residual.
Es muchísimo más intensa que la fuerza electromagnética y es la responsable de mantener cohesionados a protones y neutrones en el núcleo.
No obstante, su efecto se limita a distancias muy pequeñas, del orden de ~1 - 2 femtómetros.
Mecanismo: el Modelo de Yukawa
En 1935, Hideki Yukawa propuso que los nucleones se atraen mediante el intercambio de partículas virtuales llamadas mesones, identificadas hoy principalmente como piones (\$\pi^+, \pi^-, \pi^0\$).
Este intercambio constante de piones virtuales actúa como un “pegamento cuántico” que mantiene unidos a los nucleones.
Nota. Los piones implicados en esta interacción son virtuales: existen solo de manera efímera, en virtud del principio de incertidumbre de Heisenberg. Una analogía útil es imaginar dos jugadores (nucleones) lanzándose una pelota (el pion) de un lado a otro. Aunque nunca se toquen, el intercambio repetido genera una fuerza de unión entre ellos.
Existen tres tipos principales de interacción nucleón-nucleón:
- protón - neutrón (p - n)
- protón - protón (p - p)
- neutrón - neutrón (n - n)
La naturaleza del intercambio de piones -cargados o neutros- depende del par de nucleones que interactúe.
El componente p - n de la Fuerza Residual
La interacción residual entre un protón y un neutrón está mediada principalmente por piones cargados (\$\pi^+\$, \$\pi^-\$), aunque los piones neutros (\$\pi^0\$) también participan.
En la interacción protón - neutrón pueden darse varios procesos de intercambio:
- Un protón emite un pion positivo \$\pi^+\$ y se convierte temporalmente en neutrón: $$ p \rightarrow n + \pi^+ $$ El \$\pi^+\$ es absorbido por un neutrón cercano, que pasa a ser protón: $$ n + \pi^+ \rightarrow p $$
- Un neutrón emite un pion negativo \$\pi^-\$ y se convierte momentáneamente en protón: $$ n \rightarrow p + \pi^- $$ El \$\pi^-\$ es absorbido por un protón, que se transforma en neutrón: $$ p + \pi^- \rightarrow n $$
- Un neutrón emite un pion neutro \$\pi^0\$ y sigue siendo neutrón: $$ n \rightarrow n + \pi^0 $$ El pion es absorbido por un protón cercano, que también permanece como protón: $$ p + \pi^0 \rightarrow p $$
- Un protón emite un pion neutro \$\pi^0\$ y sigue siendo protón: $$ p \rightarrow p + \pi^0 $$ El pion es absorbido por un neutrón, que tampoco cambia de identidad: $$ n + \pi^0 \rightarrow n $$
Este intercambio constante de piones cargados (\$\pi^+\$, \$\pi^-\$) entre protones y neutrones genera una fuerza atractiva de corto alcance: la fuerza nuclear residual que los mantiene unidos en el núcleo.
El intercambio de piones neutros (\$\pi^0\$) es menos intenso, pero contribuye de manera significativa a la estabilidad nuclear.
Los componentes p - p y n - n de la Fuerza Residual
La interacción residual entre nucleones idénticos (protón - protón o neutrón - neutrón) está mediada principalmente por piones neutros (\$\pi^0\$).
- Interacción protón - protón (p - p)
Un protón emite un pion neutro y permanece inalterado: $$ p \rightarrow p + \pi^0 $$ El pion es absorbido por un protón vecino, que también sigue siendo protón: $$ p + \pi^0 \rightarrow p $$ Este intercambio genera una fuerza atractiva de corto alcance: el componente p - p de la fuerza nuclear residual. - Interacción neutrón - neutrón (n - n)
Un neutrón emite un pion neutro y permanece como tal: $$ n \rightarrow n + \pi^0 $$ El pion es absorbido por otro neutrón, que también sigue siendo neutrón: $$ n + \pi^0 \rightarrow n $$ Este intercambio virtual constituye el componente n - n de la fuerza nuclear residual.
Aunque el intercambio de piones neutros no altera la identidad de los nucleones, sí genera una atracción residual, en general más débil que la interacción p - n con piones cargados.
Esta contribución resulta especialmente relevante en la estabilidad de núcleos con una alta proporción de neutrones.
Nota. El intercambio de piones neutros (\$\pi^0\$) puede darse entre cualquier par -p - p, n - n o p - n- sin modificar la identidad de los nucleones implicados.
Un ejemplo práctico
El deuterio es el núcleo del hidrógeno pesado, compuesto por un protón y un neutrón unidos entre sí.
La fuerza nuclear residual que los mantiene ligados se origina en el intercambio virtual de piones cargados:
$$ p \rightarrow n + \pi^+ \quad ; \quad n + \pi^+ \rightarrow p $$
o bien:
$$ n \rightarrow p + \pi^- \quad ; \quad p + \pi^- \rightarrow n $$
Cada nucleón emite y absorbe alternativamente piones cargados, transformándose de manera efímera en el otro tipo.
Este intercambio genera una fuerza atractiva de corto alcance (≈ 1 - 2 fm), que garantiza la estabilidad del núcleo de deuterio.
Nota. El deuterio es el núcleo más sencillo en el que se observan de forma clara los efectos de la fuerza nuclear residual. Sin esta interacción mediada por piones, el deuterio no podría existir.
El potencial de Yukawa
El potencial asociado a la fuerza nuclear residual se describe mediante una función exponencial:
$$ V(r) = -g^2 \frac{e^{-\mu r}}{r} $$
Donde:
- \$g\$ es la constante de acoplamiento nuclear;
- \$\mu\$ es la masa del pion (en unidades naturales);
- \$r\$ es la distancia entre nucleones.
A distancias muy cortas (\$r \ll 1/\mu\$), el potencial es fuertemente atractivo. A separaciones mayores, el término exponencial amortigua rápidamente la interacción hasta hacerla desaparecer.
Por ello, esta fuerza solo resulta eficaz dentro de la separación típica entre nucleones (≈ 1 - 2 femtómetros), lo que permite mantenerlos unidos dentro de un mismo núcleo, pero no entre núcleos distintos. En parte, esto explica por qué las moléculas son estables.
Comparación entre la fuerza fuerte fundamental y la residual
La tabla siguiente resume las principales diferencias entre la interacción fuerte fundamental y su forma residual:
| Aspecto | Fuerza fuerte fundamental | Fuerza nuclear residual |
|---|---|---|
| Mediador | Gluones (a través de la carga de color) | Piones (mesones) |
| Actúa entre | Quarks | Nucleones |
| Dominio | Dentro de protones y neutrones | Entre nucleones (escala nuclear) |
| Confinamiento de quarks | Sí | No |
| Alcance efectivo | < 1 fm | ≈ 1 - 2 fm |
En esencia, los gluones median la interacción fuerte únicamente entre quarks, y su efecto queda restringido al interior de un nucleón.
Sin embargo, una fracción residual del campo de color se extiende más allá de los límites de los nucleones individuales. Es esta interacción sobrante la que origina la fuerza nuclear residual, responsable de unir protones y neutrones en el núcleo.
De manera análoga a como las fuerzas intermoleculares emergen de interacciones dipolares residuales entre moléculas neutras, la fuerza nuclear puede entenderse como el eco de la interacción de color fundamental que actúa en el interior de los nucleones.
En ambos casos, lo que aparece como una fuerza distinta a escalas mayores no es sino la manifestación indirecta de una interacción más profunda que opera en niveles fundamentales.
