Den stærke kraft og frastødningen

Se på en kerne som helium-4: to protoner klemt sammen på et område, der er omkring 3 fm på tværs. Protoner er positive, så de frastøder hinanden.

Lad os sætte tal på det. To protoner, der er 1 fm fra hinanden, skubber til hinanden med en elektrisk kraft på

F = k e² / r² ≈ (8,99 × 10⁹) × (1,60 × 10⁻¹⁹)² / (10⁻¹⁵)² ≈ 230 N.

Det svarer omtrent til vægten af en masse på 23 kg, der virker på én proton. Hvad så med tyngdekraften mellem dem? Den er omkring 2 × 10⁻³⁴ N, hvilket er cirka 10³⁶ gange svagere. Tyngdekraften er uden betydning i en kerne.

Noget andet må binde kernen sammen, og det skal være stærkere end 230 N på den afstand. Den kraft er den stærke nukleare kraft.

Sådan er den stærke kraft.

• Den er tiltrækkende mellem nukleoner, når de er omkring 1 til 2 fm fra hinanden, og den er meget stærkere end den elektriske frastødning på den afstand.
• Dens rækkevidde er meget kort: Ved omkring 2 til 3 fm er den næsten væk. På større afstand vinder den elektriske frastødning.
• Ved mindre end omkring 0,5 til 0,7 fm bliver den frastødende, hvilket forhindrer nukleonerne i at falde sammen med hinanden.
• Den virker mellem protoner og neutroner på samme måde. Den er næsten ladningsblind: Kraften mellem to protoner, to neutroner eller en proton og en neutron er omtrent den samme. (Detaljer om spin betyder, at der ikke findes et bundet par af to protoner eller to neutroner, mens et proton-neutron-par findes. Det er deuteronen.)

Længere nede er nukleoner lavet af kvarker, der holdes sammen af gluoner. Kraften mellem nukleoner er en rest, eller "residual", af denne kvarkkraft, lidt ligesom neutrale molekyler stadig tiltrækker hinanden.

Hvorfor tunge kerner har brug for ekstra neutroner. Den stærke kraft har så kort en rækkevidde, at en nukleon kun mærker de få naboer, der rører ved den. Flere nukleoner får ikke hver enkelt til at binde stærkere. Den elektriske frastødning er anderledes: Hver proton skubber til alle andre protoner, uanset hvor langt væk de er i kernen, og den samlede kraft vokser omtrent med kvadratet på antallet af protoner.

Neutroner hjælper, fordi de tilfører tiltrækning fra den stærke kraft uden at tilføre frastødning. De spreder protonerne ud og fungerer som lim. Derfor har lette kerner som calcium-40 (20 protoner, 20 neutroner) omtrent lige mange af hver, mens bly-208 har 82 protoner og 126 neutroner: N/Z ≈ 1,5. Efter bly er ingen mængde neutronlim nok, og alle kerner er ustabile.