הכוח הגרעיני

הכוח הגרעיני (Nuclear force) או הכוח החזק השיורי (residual strong force) הוא הכוח המחבר בין נוקליאונים – פרוטונים ונייטרונים – ליצירת גרעין האטום.
בתוך הנוקליאונים עצמם, פועל הכוח החזק, שהוא הכוח המחבר בין קוארקים ליצירת האדרונים. מרבית האנרגיה של הכוח החזק מתרכזת בתוך הקוטר של ההאדרון. במקרה של נוקליאונים, קוטר זה הוא כ-10⁻¹⁵ מטר. עם זאת, טווח הפעולה של הכוח החזק אינו מוגבל לתוך הנוקליאון. מעט מהכוח החזק גולש אל מחוץ לנוקליאון והאנרגיה שלו הופכת לחלקיקים וירטואליים, זוגות קוארק-אנטיקוארק המהווים את הבוזונים הנושאים את הכוח הגרעיני. על כן, הכוח הגרעיני אינו כוח יסוד, אלא שייר (residuum) של הכוח החזק, היסודי.
הבוזונים הנושאים את הכוח הגרעיני הם מזונים משלושה סוגים: פאיונים, מזוני רו ומזוני אומגה. כמו הנוקליאונים עצמם, מזונים אלו מכילים קוארקי למעלה ולמטה בלבד. מזוני רו ואומגה הם מזונים וקטוריים, הווה אומר, הספין שלהם הוא 1. הפאיון הוא מזון פסאודוסקאלארי, נטול ספין. ככל המזונים, גם אלו הנושאים את הכוח הגרעיני הם חלקיקים לא יציבים, בעלי אורך חיים קצר למדי. אורך החיים של הפאיונים הטעונים הוא כ-‎2.6×10⁻⁸‎ שניות, של הפאיונים הנייטרליים כ-‎8.4×10⁻¹⁷‎ שניות, של מזוני רו כ-‎4.5×10⁻²⁴‎ שניות ושל מזוני אומגה כ-‎7.75×10⁻²³‎ שניות. המזונים נושאי הכוח נעים בתוך גרעין האטום במהירות הקרובה למהירות האור, כך שגם במהלך משכי חיים קצרים אלו, הם עוברים מרחק הגדול מקוטר גרעין האטום או קרוב אליו. במהלך זמן קיומם, חלקיקים אלו נושאים את הכוח המחבר בין הנוקליאונים ומשאיר אותם כבולים לכדי גרעין.
בתוך הגרעין, הכוח הגרעיני פועל נגד הדחיה החשמלית בין הפרוטונים, שהם כולם בעלי מטען חשמלי חיובי. אילו הכוח הגרעיני היה מעט יותר חלש בהשוואה לכוח האלקטרומגנטי, קיומם של גרעיני אטומים ושל כל המבנים הגדולים יותר (אטומים, מולקולות וכן הלאה) לא היה אפשרי. במרחק של כ-‎0.7×10⁻¹⁵‎ מטר בין הנוקליאונים, הכוח הגרעיני אינו מושך אלא דוחה את הנוקליאונים זה מזה. מסיבה זו, יש לגרעין האטום גודל פיזי. עוצמת המשיכה של הכוח הגרעיני מגיעה לשיאה במרחק של כ-‎0.9×10⁻¹⁵‎ מטר, דועכת בחדות מעבר לכך ונעשית זניחה במרחק של כ-‎2×10⁻¹⁵‎ מטר. גרעיני כל היסודות בעלי מספר אטומי גבוה מזה של עופרת הם בעלי רדיוס כה גדול, עד שטווח הפעולה של הכוח הגרעיני קצר מכדי לגבור על כל הדחיה החשמלית בין הפרוטונים שלהם. לפיכך, אותם גרעינים אינם יציבים והם דועכים רדיואקטיבית לגרעינים קלים יותר, תוך פליטת חלקיקים אנרגטיים – קרינת אלפא, בטא או גמא.
ב-1935, הידקי יוקאווה חזה את קיומם של מזונים כחלקיקים הנושאים את הכוח הגרעיני. ב-1947, התגלה הפאיון תצפיתית, על ידי סזאר לאטס, ג'וזפה אוקיאליני וססיל פאוול. הם גילו עקבות של פאיונים בקרינה קוסמית אשר פגעה בלוחות צילומיים שהוצבו על רכסי הרים. באותה עת, המבנה הפנימי של המזונים לא היה ידוע. הסברה הייתה כי המזונים הם חלקיקים יסודיים. רק עם פיתוח מודל הקוארקים, על ידי מאריי גל מן ויובל נאמן, התברר כי מזונים עשויים מקוארקים. כל המזונים הם בעלי ספין שהוא מספר שלם (integer spin), כך שהם בוזונים. מרבית הבוזונים ביקום הם חלקיקים נושאי כוח (force carrier particles). כאלו הם גם שלושת סוגי המזונים הנושאים את הכוח הגרעיני.
במהלך ביקוע גרעיני או היתוך גרעיני, האנרגיה המשתחררת היא למעשה המאסה-אנרגיה של המזונים נושאי הכוח הגרעיני, שהחזיקו יחד את הגרעינים המתבקעים או המותכים. אנרגיה זו, השווה לפער המאסה (mass defect) של הגרעין, מכונה אנרגיית קשר גרעינית (nuclear binding energy) והיא משתחררת, בין היתר, בעת פיצוץ נשק גרעיני ובעת פעולה של כורים גרעיניים.
כיום, אין תאוריית שדה קואנטית יחידה המתארת את פעולתו של הכוח הגרעיני. זאת, בניגוד לשלושה מארבעת כוחות היסוד (הכוח החזק, הכוח האלקטרומגנטי והכוח החלש), אשר לגבי כל אחד מהם קיימת תאוריית שדה קואנטית המתארת את פעולתו. את הכוח הגרעיני ניתן לתאר באמצעות תאוריית שדה אפקטיבית (effective field theory), כגון האדרודינמיקה קואנטית (quantum hadrodynamics).