แรงนิวเคลียร์ (หรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนกับนิวคลีออน แรงนิวเคลียร์ตกค้างหรือในอดีตเรียกว่าแรงนิวเคลียร์เข้มข้น ) คือแรงที่กระทำระหว่างแฮดรอนซึ่งพบได้บ่อยที่สุดระหว่างโปรตอนและนิวตรอนของอะตอมนิวตรอนและโปรตอน ซึ่งเป็นนิวคลีออนทั้งคู่ ได้รับผลกระทบจากแรงนิวเคลียร์ในลักษณะที่เกือบจะเหมือนกัน เนื่องจากโปรตอนมีประจุ +  1eจึงได้รับแรงไฟฟ้าที่พยายามผลักพวกมันออกจากกัน แต่ในระยะใกล้ แรงดึงดูดของแรงนิวเคลียร์นั้นแข็งแกร่งพอที่จะเอาชนะแรงไฟฟ้าสถิตได้ แรงนิวเคลียร์ยึดเหนี่ยวนิวคลีออนเข้าด้วยกันเป็นนิวเคลียส ของอะตอม

แรงนิวเคลียร์เป็นแรงดึงดูดอันทรงพลังระหว่างนิวคลีออนที่ระยะห่างประมาณ 0.8  เฟมโตเมตร (fm หรือ 0.8 ไมโครเมตร)0.8 × 10 ⁻¹⁵  เมตร ) แต่แรงนี้จะลดลงอย่างรวดเร็วจนไม่มีนัยสำคัญที่ระยะทางเกินกว่าประมาณ 2.5 เฟมโตเมตร ที่ระยะทางน้อยกว่า 0.7 เฟมโตเมตร แรงนิวเคลียร์จะกลายเป็นแรงผลัก แรงผลักนี้เป็นสาเหตุของขนาดของนิวเคลียส เนื่องจากนิวคลีออนไม่สามารถเข้าใกล้ได้มากกว่าที่แรงนี้อนุญาต (ขนาดของอะตอม มีขนาดอยู่ในระดับอังสตรอม (Å หรือ )10 ⁻¹⁰  m ) มีขนาดใหญ่กว่าห้าอันดับ) อย่างไรก็ตาม แรงนิวเคลียร์นั้นไม่เรียบง่าย เนื่องจากขึ้นอยู่กับสปินของนิวคลีออน มีส่วนประกอบเทนเซอร์ และอาจขึ้นอยู่กับโมเมนตัมสัมพัทธ์ของนิวคลีออน^{[ 2 ]}

แรงนิวเคลียร์มีบทบาทสำคัญในการเก็บพลังงานที่ใช้ในพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ต้อง ใช้ แรงงาน (พลังงาน)ในการนำโปรตอนที่มีประจุมารวมกันโดยต้านแรงผลักทางไฟฟ้า พลังงานนี้จะถูกเก็บไว้เมื่อโปรตอนและนิวตรอนถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงนิวเคลียร์เพื่อสร้างนิวเคลียส มวลของนิวเคลียสน้อยกว่าผลรวมของมวลของโปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัว ความแตกต่างของมวลนี้เรียกว่ามวลพร่องซึ่งสามารถแสดงได้ในรูปของพลังงานเทียบเท่า พลังงานจะถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสหนักแตกออกเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าสองตัวขึ้นไป พลังงานนี้คือพลังงานศักย์ระหว่างนิวคลีออนที่ถูกปล่อยออกมาเมื่อแรงนิวเคลียร์ไม่สามารถยึดชิ้นส่วนนิวเคลียสที่มีประจุไว้ด้วยกันได้อีกต่อไป^{[ 3 ] [ 4 ]}

คำอธิบายเชิงปริมาณของแรงนิวเคลียร์อาศัยสมการที่ได้มาจากข้อมูลเชิงประจักษ์ บางส่วน สมการเหล่านี้จำลองพลังงานศักย์หรือศักยภาพระหว่างนิวคลีออน (โดยทั่วไป แรงภายในระบบของอนุภาคสามารถจำลองได้ง่ายกว่าโดยการอธิบายพลังงานศักย์ของระบบ กล่าวคือ ค่าลบของเกรเดียนต์ของศักยภาพเท่ากับเวกเตอร์ของแรง) ค่าคงที่ในสมการเป็นค่าเชิงปรากฏการณ์ กล่าวคือ กำหนดโดยการปรับสมการให้เข้ากับข้อมูลเชิงทดลอง ศักยภาพระหว่างนิวคลีออนพยายามอธิบายคุณสมบัติของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออน เมื่อกำหนดแล้ว ศักยภาพใดๆ ก็สามารถนำไปใช้ในสมการชโรดิงเกอร์เพื่อกำหนด คุณสมบัติ ทางกลศาสตร์ควอนตัมของระบบนิวคลีออนได้

การค้นพบนิวตรอนในปี 1932 เผยให้เห็นว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งยึดติดกันด้วยแรงดึงดูด ในปี 1935 แนวคิดเรื่องแรงนิวเคลียร์ถูกมองว่าส่งผ่านโดยอนุภาคที่เรียกว่าเมซอนการพัฒนาทางทฤษฎีนี้รวมถึงคำอธิบายของศักยภาพยูกาวะซึ่งเป็นตัวอย่างแรกๆ ของศักยภาพนิวเคลียร์ไพอนซึ่งสอดคล้องกับการทำนาย ถูกค้นพบในเชิงทดลองในปี 1947 ในช่วงทศวรรษ 1970 แบบจำลองควาร์กได้รับการพัฒนาขึ้น โดยมองว่าเมซอนและนิวคลีออนประกอบด้วยควาร์กและกลูออน ตามแบบจำลองใหม่นี้ แรงนิวเคลียร์ซึ่งเกิดจากการแลกเปลี่ยนเมซอนระหว่างนิวคลีออนที่อยู่ใกล้เคียงกัน เป็นปฏิสัมพันธ์แบบหลายอนุภาค ซึ่งเป็นผลรวมของแรงนิวเคลียร์แบบแรงต่อโครงสร้างพื้นฐานของนิวคลีออน

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วแรงนิวเคลียร์จะเกี่ยวข้องกับนิวคลีออน แต่โดยทั่วไปแล้วแรงนี้จะเกิดขึ้นระหว่างแฮดรอนหรืออนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กที่ระยะห่างน้อยระหว่างนิวคลีออน (น้อยกว่า ~ 0.7 เฟมโตเมตร ระหว่างจุดศูนย์กลางของพวกมัน ขึ้นอยู่กับการเรียงตัวของสปิน) แรงจะกลายเป็นแรงผลัก ซึ่งทำให้นิวคลีออนรักษาระยะห่างเฉลี่ยไว้ในระดับหนึ่ง สำหรับนิวคลีออนที่เหมือนกัน (เช่น นิวตรอนสองตัวหรือโปรตอนสองตัว) แรงผลักนี้เกิดจาก แรง กีดกัน ของเปาลี แรงผลักของเปาลียังเกิดขึ้นระหว่างควาร์ก ชนิดเดียวกันจากนิวคลีออนที่ต่างกัน (โปรตอนและนิวตรอน) ด้วย

ที่ระยะห่างมากกว่า 0.7 fm แรงจะกลายเป็นแรงดึงดูดระหว่างนิวคลีออนที่เรียงตัวตามสปิน โดยจะมีค่าสูงสุดที่ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางประมาณ 0.9 fm เมื่อเกินระยะนี้ แรงจะลดลงแบบเอกซ์โปเนนเชียล จนกระทั่งเมื่อระยะห่างเกินประมาณ 2.0 fm แรงจะน้อยมาก นิวคลีออนมีรัศมีประมาณ 0.8 fm ^{[ 5 ]}

ที่ระยะทางสั้นๆ (น้อยกว่า 1.7 เฟมโตเมตร หรือประมาณนั้น) แรงดึงดูดนิวเคลียร์จะแข็งแกร่งกว่าแรงผลักคูลอมบ์ระหว่างโปรตอน ดังนั้นจึงเอาชนะแรงผลักของโปรตอนภายในนิวเคลียสได้ อย่างไรก็ตาม แรงคูลอมบ์ระหว่างโปรตอนมีช่วงที่กว้างกว่ามาก เนื่องจากแปรผันตามกำลังสองผกผันของระยะห่างระหว่างประจุ และแรงผลักคูลอมบ์จึงกลายเป็นแรงสำคัญเพียงอย่างเดียวระหว่างโปรตอนเมื่อระยะห่างระหว่างพวกมันเกินกว่าประมาณ 1.7 เฟมโตเมตร2 ถึง 2.5 เฟมโต

แรงนิวเคลียร์มีองค์ประกอบที่ขึ้นอยู่กับการหมุนของอนุภาค แรงจะแข็งแกร่งกว่าสำหรับอนุภาคที่มีการหมุนไปในทิศทางเดียวกันมากกว่าอนุภาคที่มีการหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม โดยทั่วไปแล้ว หากการหมุนของอนุภาคสองตัวไปในทิศทางตรงกันข้าม แรงนิวเคลียร์จะอ่อนเกินกว่าจะยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ได้ ไม่ว่าจะเป็นอนุภาคชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันก็ตาม

ดังนั้น หากอนุภาคสองอนุภาคเป็นชนิดเดียวกัน เช่น นิวตรอนสองตัวหรือโปรตอนสองตัว แรงจะไม่เพียงพอที่จะยึดเหนี่ยวอนุภาคเหล่านั้นไว้ได้ เนื่องจากเวกเตอร์สปินของเฟอร์มิออน ที่เหมือนกันสองตัว จะต้องชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามเมื่ออนุภาคอยู่ใกล้กันและอยู่ในสถานะควอนตัมเดียวกัน (ยกเว้นสปิน) ตามหลักการกีดกันของเปาลีสำหรับอนุภาคเฟอร์มิออนต่างชนิดกัน เช่น โปรตอนและนิวตรอน อนุภาคอาจอยู่ใกล้กันและมีสปินที่เรียงตัวกันได้โดยไม่ขัดกับหลักการกีดกันของเปาลี และแรงนิวเคลียร์อาจยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ได้ (ในกรณีนี้คือรวมตัวกันเป็นดิวเทอรอน )

แรงนิวเคลียร์ยังมีส่วนประกอบแบบเทนเซอร์ ซึ่งขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินของนิวคลีออนและโมเมนตัมเชิงมุมของนิวคลีออน สิ่งนี้ทำให้รูปร่างของนิวเคลียสเปลี่ยนไปจากรูปทรงกลมธรรมดา

การแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนที่ไม่ยึดเหนี่ยวกันนั้นต้องใช้แรงต้านแรงนิวเคลียร์ ในทางกลับกัน พลังงานจะถูกปล่อยออกมาเมื่อนิวเคลียสถูกสร้างขึ้นจากนิวคลีออนอิสระหรือนิวเคลียสอื่น ๆ ซึ่งก็คือพลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์เนื่องจากความสมดุลระหว่างมวลและพลังงาน (เช่น สูตรของไอน์สไตน์E = mc² ⁾การปล่อยพลังงานนี้ทำให้มวลของนิวเคลียสต่ำกว่ามวลรวมของนิวคลีออนแต่ละตัว ซึ่งนำไปสู่สิ่งที่เรียกว่า "มวลบกพร่อง" ^{[ 6 ]}

แรงนิวเคลียร์แทบจะไม่ขึ้นอยู่กับว่านิวคลีออนเป็นนิวตรอนหรือโปรตอน คุณสมบัตินี้เรียกว่าความไม่ขึ้นกับประจุแรงจะขึ้นอยู่กับว่าสปินของนิวคลีออนขนานกันหรือตรงข้ามกัน เนื่องจากมี ส่วนประกอบ เทนเซอร์ที่ไม่ขึ้นกับจุดศูนย์กลาง ส่วนประกอบของแรงนี้ไม่รักษาโมเมนตัมเชิงมุม วงโคจร ซึ่งภายใต้การกระทำของแรงที่ขึ้นกับจุดศูนย์กลาง โมเมนตัมเชิงมุมวงโคจรจะถูกอนุรักษ์ไว้

ความสมมาตรที่ส่งผลให้เกิดแรงที่แข็งแกร่ง ซึ่งเสนอโดยWerner Heisenbergคือ โปรตอนและนิวตรอนเหมือนกันทุกประการ ยกเว้นประจุ นี่ไม่ใช่ความจริงทั้งหมด เพราะนิวตรอนหนักกว่าเล็กน้อย แต่มันเป็นความสมมาตรโดยประมาณ ดังนั้น โปรตอนและนิวตรอนจึงถูกมองว่าเป็นอนุภาคเดียวกัน แต่มี เลขควอนตัม ไอโซสปิน ที่แตกต่างกัน โดยทั่วไป โปรตอนมีไอโซสปินขึ้นในขณะที่นิวตรอนมีไอโซสปินลงแรงที่แข็งแกร่งไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลงไอโซสปิน SU(2) เช่นเดียวกับปฏิสัมพันธ์อื่นๆ ระหว่างอนุภาคที่ไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลง SU(2) ของสปินภายในกล่าวอีกนัยหนึ่ง การแปลงทั้งไอโซสปินและสปินภายในเป็นไอโซมอร์ฟิกกับกลุ่มสมมาตร SU(2)จะมีแรงดึงดูดที่แข็งแกร่งก็ต่อเมื่อไอโซสปินรวมของชุดอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์เป็น 0 ซึ่งได้รับการยืนยันจากการทดลอง^{[ 7 ]}

ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงนิวเคลียร์ได้มาจากการทดลองการกระเจิงและพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสเบา

แรงนิวเคลียร์เกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยนของเมซอน เบาเสมือน เช่นไพอนเสมือน รวมทั้งเมซอนเสมือนที่มีสปินสองประเภท ( เมซอนเวกเตอร์ ) คือเมซอนโรและเมซอนโอเมก้า เมซอนเวกเตอร์เป็นตัวอธิบายถึงการพึ่งพาสปินของแรงนิวเคลียร์ในภาพ "เมซอนเสมือน" นี้

แรงนิวเคลียร์นั้นแตกต่างจากสิ่งที่ในอดีตเรียกว่าแรงนิวเคลียร์อ่อน แรงอ่อนเป็นหนึ่งในสี่แรงพื้นฐานและมีบทบาทในกระบวนการต่างๆ เช่นการสลายตัวแบบเบตาแรงอ่อนไม่มีบทบาทในการปฏิสัมพันธ์ของนิวคลีออน แม้ว่าจะเป็นสาเหตุของการสลายตัวของนิวตรอนเป็นโปรตอนและในทางกลับกันก็ตาม

แรงนิวเคลียร์เป็นหัวใจสำคัญของฟิสิกส์นิวเคลียร์มาตั้งแต่เริ่มก่อตั้งสาขานี้ในปี 1932 จากการค้นพบนิวตรอนโดยเจมส์ แชดวิกเป้าหมายดั้งเดิมของฟิสิกส์นิวเคลียร์คือการทำความเข้าใจคุณสมบัติของนิวเคลียสอะตอมในแง่ของปฏิสัมพันธ์ "พื้นฐาน" ระหว่างคู่ของนิวคลีออน หรือแรงนิวคลีออน-นิวคลีออน (แรง NN)

ภายในไม่กี่เดือนหลังจากการค้นพบนิวตรอนเวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}และดมิทรี อิวาเนนโก^{[ 11 ]}ได้เสนอแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนสำหรับนิวเคลียส^{[ 12 ]}ไฮเซนเบิร์กได้อธิบายโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสโดยใช้กลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นแนวทางที่ไม่ชัดเจนในขณะนั้น ทฤษฎีของไฮเซนเบิร์กเกี่ยวกับโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสถือเป็น "ก้าวสำคัญสู่การทำความเข้าใจนิวเคลียสในฐานะระบบกลศาสตร์ควอนตัม" ^{[ 13 ]}ไฮเซนเบิร์กได้นำเสนอทฤษฎีแรกของแรงแลกเปลี่ยนนิวเคลียร์ที่ยึดเหนี่ยวนิวคลีออน เขาพิจารณาว่าโปรตอนและนิวตรอนเป็นสถานะควอนตัมที่แตกต่างกันของอนุภาคเดียวกัน กล่าวคือ นิวคลีออนที่แตกต่างกันตามค่าของเลขควอนตัมไอ โซสปิ นนิวเคลียร์

หนึ่งในแบบจำลองแรกๆ ของนิวเคลียสคือแบบจำลองหยดของเหลวซึ่งพัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1930 คุณสมบัติอย่างหนึ่งของนิวเคลียสคือพลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อหนึ่งนิวคลีออนมีค่าใกล้เคียงกันสำหรับนิวเคลียสที่เสถียรทั้งหมด ซึ่งคล้ายกับหยดของเหลว แบบจำลองหยดของเหลวถือว่านิวเคลียสเป็นหยดของของเหลวนิวเคลียร์ที่ไม่สามารถบีอัดได้ โดยที่นิวคลีออนมีพฤติกรรมเหมือนโมเลกุลในของเหลว แบบจำลองนี้เสนอครั้งแรกโดยGeorge Gamowและต่อมาได้รับการพัฒนาโดยNiels Bohr , Werner HeisenbergและCarl Friedrich von Weizsäckerแบบจำลองอย่างง่ายนี้ไม่ได้อธิบายคุณสมบัติทั้งหมดของนิวเคลียส แต่ก็สามารถอธิบายรูปร่างทรงกลมของนิวเคลียสส่วนใหญ่ได้ แบบจำลองนี้ยังให้การทำนายที่ดีสำหรับพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสด้วย

ในปี ค.ศ. 1934 ฮิเดกิ ยูกาวะได้พยายามอธิบายธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์เป็นครั้งแรก ตามทฤษฎีของเขาอนุภาคโบซอน ที่มีมวล ( เมซอน ) เป็นตัวกลางในการปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนสองตัว เมื่อพิจารณาจาก ควอน ตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) และโดยนัยจากแบบจำลองมาตรฐานทฤษฎีเมซอนจึงไม่ถูกมองว่าเป็นพื้นฐานอีกต่อไป แต่แนวคิดการแลกเปลี่ยนเมซอน (โดยที่แฮดรอนถูกมองว่าเป็นอนุภาคพื้นฐาน ) ยังคงเป็นแบบจำลองที่ดีที่สุดสำหรับ ศักยภาพ NN เชิงปริมาณ ศักยภาพของยูกาวะ (หรือเรียกว่าศักยภาพคูลอมบ์ แบบมีตัวกรอง ) เป็นศักยภาพในรูปแบบ ที่gคือค่าคงที่การปรับขนาด กล่าวคือ แอมพลิจูดของศักยภาพคือมวลของอนุภาคยูกาวะ และrคือระยะทางรัศมีไปยังอนุภาค ศักยภาพจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องซึ่งหมายความว่าแรงนั้นเป็นแรงดึงดูดเสมอ ค่าคงที่ต่างๆ ถูกกำหนดขึ้นจากประสบการณ์ ศักยภาพของยูกาวะขึ้นอยู่กับระยะทางrระหว่างอนุภาคเท่านั้น ดังนั้นจึงจำลองแรงสู่ศูนย์กลาง ได้$${\displaystyle V_{\text{Yukawa}}(r)=-g^{2}{\frac {e^{-\mu r}}{r}},}$$${\displaystyle \mu }$

ตลอดช่วงทศวรรษ 1930 กลุ่มที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียนำโดยI. I. Rabiได้พัฒนาเทคนิคการเรโซแนนซ์แม่เหล็กเพื่อกำหนดโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส การวัดเหล่านี้นำไปสู่การค้นพบในปี 1939 ว่าดิวเทอรอนยังมีโมเมนต์ควอดรูโพลไฟฟ้า อีก ด้วย^{[ 14 ] [ 15 ]}คุณสมบัติทางไฟฟ้าของดิวเทอรอนนี้ได้รบกวนการวัดของกลุ่ม Rabi ดิวเทอรอนซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน เป็นหนึ่งในระบบนิวเคลียร์ที่ง่ายที่สุด การค้นพบนี้หมายความว่ารูปร่างทางกายภาพของดิวเทอรอนไม่สมมาตร ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงนิวเคลียร์ที่ยึดเหนี่ยวนิวคลีออน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าแรงนิวเคลียร์ไม่ใช่แรงศูนย์กลางแต่มีลักษณะเป็นเทนเซอร์^{[ 1 ]} Hans Betheระบุว่าการค้นพบโมเมนต์ควอดรูโพลของดิวเทอรอนเป็นหนึ่งในเหตุการณ์สำคัญในช่วงปีแห่งการก่อตัวของฟิสิกส์นิวเคลียร์^{[ 14 ]}

ในอดีต การอธิบายแรงนิวเคลียร์ในเชิงปรากฏการณ์เป็นงานที่ยากลำบาก แบบจำลองเชิงปริมาณกึ่งเชิงประจักษ์แบบแรกเกิดขึ้นในช่วงกลางทศวรรษ 1950 ^{[ 1 ]}เช่นศักยภาพของ Woods–Saxon (1954) มีความก้าวหน้าอย่างมากในการทดลองและทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับแรงนิวเคลียร์ในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 แบบจำลองที่มีอิทธิพลอย่างหนึ่งคือศักยภาพของ Reid (1968) ^{[ 1 ]} โดยที่และ โดยที่ศักยภาพมีหน่วยเป็นMeVในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักทดลองได้มุ่งเน้นไปที่ความละเอียดอ่อนของแรงนิวเคลียร์ เช่น การพึ่งพาประจุ ค่าที่แม่นยำของค่าคงที่การเชื่อมต่อ π NN การวิเคราะห์การเปลี่ยนเฟสที่ได้รับการปรับปรุงข้อมูลNNที่มีความแม่นยำสูงศักยภาพNNที่มีความแม่นยำสูง การกระเจิง NNที่พลังงานระดับกลางและสูง และความพยายามที่จะหาแรงนิวเคลียร์จาก QCD $${\displaystyle V_{\text{Reid}}(r)=-10.463{\frac {e^{-\mu r}}{\mu r}}-1650.6{\frac {e^{-4\mu r}}{\mu r}}+6484.2{\frac {e^{-7\mu r}}{\mu r}},}$$${\displaystyle \mu =0.7~{\text{fm}}^{-1},}$

แรงนิวเคลียร์เป็นผลสืบเนื่องมาจากแรงพื้นฐานที่มากกว่าอย่างแรงนิวเคลียร์แบบเข้มข้น หรือแรงปฏิสัมพันธ์แบบเข้มข้นแรงปฏิสัมพันธ์แบบเข้มข้นเป็นแรงดึงดูดที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่าควาร์กเข้าด้วยกันเพื่อสร้างนิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) แรงที่ทรงพลังกว่านี้ ซึ่งเป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานของธรรมชาติ ถูกส่งผ่านโดยอนุภาคที่เรียกว่ากลูออน กลูออนยึดควาร์กเข้าด้วยกันผ่านประจุสีซึ่งคล้ายคลึงกับประจุไฟฟ้า แต่แข็งแกร่งกว่ามาก ควาร์ก กลูออน และพลวัตของพวกมันส่วนใหญ่ถูกจำกัดอยู่ภายในนิวคลีออน แต่ผลกระทบที่หลงเหลืออยู่จะแผ่ขยายออกไปเล็กน้อยนอกขอบเขตของนิวคลีออน ทำให้เกิดแรงนิวเคลียร์ขึ้น

แรงนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นระหว่างนิวคลีออนนั้นคล้ายคลึงกับแรงในทางเคมีระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลที่เป็นกลางที่เรียกว่าแรงลอนดอนดิสเพอร์ชันแรงระหว่างอะตอมเหล่านี้อ่อนกว่าแรงดึงดูดทางไฟฟ้าที่ยึดอะตอมเข้าด้วยกัน (เช่น แรงที่ยึดอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส) มาก และระยะของแรงระหว่างอะตอมนั้นสั้นกว่า เนื่องจากเกิดจากการแยกตัวของประจุเล็กน้อยภายในอะตอมที่เป็นกลาง ในทำนองเดียวกัน แม้ว่านิวคลีออนจะประกอบด้วยควาร์กในรูปแบบที่หักล้างแรงกลูออนส่วนใหญ่ (พวกมันเป็น "กลางสี") แต่ควาร์กและกลูออนบางรูปแบบก็ยังรั่วไหลออกจากนิวคลีออนในรูปของสนามแรงนิวเคลียร์ระยะสั้นที่แผ่ขยายจากนิวคลีออนหนึ่งไปยังนิวคลีออนที่อยู่ใกล้เคียงอีกตัวหนึ่ง แรงนิวเคลียร์เหล่านี้อ่อนมากเมื่อเทียบกับแรงกลูออนโดยตรง ("แรงสี" หรือแรงนิวเคลียร์แรง ) ภายในนิวคลีออน และแรงนิวเคลียร์แผ่ขยายออกไปเพียงไม่กี่เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางนิวเคลียสเท่านั้น โดยลดลงแบบเอกซ์โปเนนเชียลตามระยะทาง อย่างไรก็ตาม แรงดึงดูดระหว่างอะตอมเหล่านี้มีความแข็งแรงมากพอที่จะยึดเหนี่ยวนิวตรอนและโปรตอนไว้ในระยะทางสั้นๆ และเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างโปรตอนในนิวเคลียสได้

บางครั้ง แรงนิวเคลียร์ถูกเรียกว่าแรงนิวเคลียร์ตกค้าง (residual strong force ) ซึ่งแตกต่างจาก อันตรกิริยา แรง (strong interactions ) ที่เกิดขึ้นจาก QCD คำเรียกนี้เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1970 เมื่อมีการวางรากฐาน QCD ก่อนหน้านั้นแรงนิวเคลียร์แรงหมายถึงศักยภาพระหว่างนิวคลีออน หลังจากที่แบบจำลองควาร์ก ได้รับการยืนยัน แล้วอันตรกิริยาแรงจึงมีความหมายว่า QCD

ระบบสองนิวคลีออน เช่นดิวเทอรอนซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมดิวเทอเรียม รวมถึงการกระเจิงของโปรตอน-โปรตอน หรือนิวตรอน-โปรตอน เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการศึกษา แรงระหว่างนิวคลีออนและโปรตอน ( NN force) ระบบดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยการกำหนดศักยภาพ (เช่นศักยภาพของยูคาวา ) ให้กับนิวคลีออน และใช้ศักยภาพเหล่านั้นในสมการชโรดิงเจอร์รูปแบบของศักยภาพนั้นได้มาจากการศึกษาปรากฏการณ์ (โดยการวัด) แม้ว่าสำหรับการปฏิสัมพันธ์ระยะไกล ทฤษฎีการแลกเปลี่ยนเมซอนจะช่วยในการสร้างศักยภาพก็ตาม พารามิเตอร์ของศักยภาพจะถูกกำหนดโดยการปรับให้เข้ากับข้อมูลการทดลองเช่น พลังงานยึดเหนี่ยวของดิวเทอรอน หรือภาคตัดขวางการกระเจิงแบบยืดหยุ่นของ NN (หรือเทียบเท่าในบริบทนี้ เรียกว่า การเปลี่ยนแปลงเฟส ของ NN )

^{ศักยภาพ} NNที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดได้แก่ศักยภาพปารีส ศักยภาพ Argonne AV18 [ ^{16 ]} ศักยภาพ CD -Bonnและศักยภาพ Nijmegen

แนวทางที่ทันสมัยกว่าคือการพัฒนาทฤษฎีสนามที่มีประสิทธิภาพเพื่ออธิบายแรงระหว่างนิวคลีออนและแรงสามนิวคลีออนได้อย่าง สอดคล้อง ควอนตัมฮาโดรไดนามิกส์เป็นทฤษฎีสนามที่มีประสิทธิภาพของแรงนิวเคลียร์ เทียบได้กับ QCD สำหรับปฏิสัมพันธ์สีและQEDสำหรับปฏิสัมพันธ์แม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้การแตกสมมาตรไครัลสามารถวิเคราะห์ได้ในแง่ของทฤษฎีสนามที่มีประสิทธิภาพ (เรียกว่าทฤษฎีการรบกวนไครัล ) ซึ่งช่วยให้สามารถคำนวณการรบกวนของปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนกับไพอนเป็นอนุภาคแลกเปลี่ยนได้

เป้าหมายสูงสุดของฟิสิกส์นิวเคลียร์คือการอธิบายปฏิสัมพันธ์นิวเคลียร์ ทั้งหมด ตั้งแต่ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างนิวคลีออน นี่เรียกว่าแนวทางจุลภาคหรือ แนวทางจากหลักการ พื้นฐาน (ab initio)ของฟิสิกส์นิวเคลียร์ อย่างไรก็ตาม มีอุปสรรคสำคัญสองประการที่ต้องเอาชนะ:

• การคำนวณในระบบที่มีอนุภาคจำนวนมากนั้นทำได้ยาก (เนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคหลายตัว) และต้องใช้เทคนิคการคำนวณขั้นสูง
• มีหลักฐานบ่งชี้ว่าแรงสามนิวคลีออน (และอาจรวมถึงปฏิสัมพันธ์หลายอนุภาคที่สูงกว่านั้น) มีบทบาทสำคัญ ซึ่งหมายความว่าศักยภาพสามนิวคลีออนจะต้องถูกรวมเข้าไว้ในแบบจำลองด้วย

นี่เป็นสาขาการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ โดยมีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในเทคนิคการคำนวณ ซึ่งนำไปสู่การคำนวณ โครงสร้าง เปลือกนิวเคลียส จากหลักการพื้นฐานที่ดีขึ้น มีการนำศักยภาพแบบสองและสามนิวคลีออนมาใช้กับนิวไคลด์ที่มีค่า Aสูงสุดถึง 12 แล้ว

วิธีที่ประสบความสำเร็จในการอธิบายปฏิสัมพันธ์ของนิวเคลียสคือการสร้างศักยภาพเดียวสำหรับนิวเคลียสทั้งหมด แทนที่จะพิจารณาส่วนประกอบนิวคลีออนทั้งหมด วิธีนี้เรียกว่า วิธีการแบบ มหภาคตัวอย่างเช่น การกระเจิงของนิวตรอนจากนิวเคลียสสามารถอธิบายได้โดยการพิจารณาคลื่นระนาบในศักยภาพของนิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วยส่วนจริงและส่วนจินตนาการ แบบจำลองนี้มักเรียกว่าแบบจำลองเชิงแสง เนื่องจากมีลักษณะคล้ายกับกรณีของแสงที่กระเจิงโดยทรงกลมแก้วทึบแสง

ศักยภาพนิวเคลียร์สามารถเป็นได้ทั้งแบบเฉพาะที่หรือแบบโดยรวม : ศักยภาพเฉพาะที่จำกัดอยู่ในช่วงพลังงานแคบๆ และ/หรือช่วงมวลนิวเคลียร์แคบๆ ในขณะที่ศักยภาพโดยรวม ซึ่งมีพารามิเตอร์มากกว่าและโดยทั่วไปมีความแม่นยำน้อยกว่า เป็นฟังก์ชันของพลังงานและมวลนิวเคลียร์ ดังนั้นจึงสามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันที่หลากหลายกว่าได้

• พอร์ทัลฟิสิกส์
• พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียร์

• Ruprecht Machleidt , "Nuclear Forces" , Scholarpedia , 9(1):30710. doi : 10.4249/scholarpedia.30710 .