La fuerza fuerte y la repulsión

Mira un núcleo como el helio-4: dos protones apretados en un espacio de unos 3 fm de ancho. Los protones son positivos, por lo que se repelen entre sí.

Pongamos un número a esto. Dos protones separados 1 fm se empujan entre sí con una fuerza eléctrica de

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

Eso es aproximadamente el peso de una masa de 23 kg, actuando sobre un solo protón. ¿Y la gravedad entre ellos? Es de aproximadamente 2 × 10⁻³⁴ N, lo que es unas 10³⁶ veces más débil. La gravedad es irrelevante en un núcleo.

Algo más debe unir el núcleo, y debe ser más fuerte que 230 N a esa distancia. Ese algo es la fuerza nuclear fuerte.

Cómo es la fuerza fuerte.

• Es atractiva entre nucleones cuando están a unos 1 a 2 fm de distancia, y es mucho más intensa que la repulsión eléctrica en esa zona.
• Su alcance es muy corto: a unos 2 a 3 fm ya ha desaparecido. Más allá de esa distancia, la repulsión eléctrica gana.
• A menos de unos 0,5 a 0,7 fm, se vuelve repulsiva, lo que impide que los nucleones colapsen entre sí.
• Actúa por igual entre protones y neutrones. Es casi ciega a la carga: la fuerza entre dos protones, dos neutrones o un protón y un neutrón es aproximadamente la misma. (Los detalles de espín hacen que no exista un par ligado de dos protones o dos neutrones, sí de un protón y un neutrón. Eso es el deuterón.)

A un nivel más profundo, los nucleones están hechos de quarks unidos por gluones. La fuerza entre nucleones es un residuo, o "residual", de esa fuerza de quarks, un poco como las moléculas neutras que aún se atraen entre sí.

Por qué los núcleos pesados necesitan neutrones extra. La fuerza fuerte tiene un alcance tan corto que un nucleón solo siente a los pocos vecinos que lo tocan. Añadir más nucleones no hace que cada uno se una con más fuerza. La repulsión eléctrica es diferente: cada protón empuja a todos los demás protones, sin importar la distancia a través del núcleo, y el total crece aproximadamente con el cuadrado del número de protones.

Los neutrones ayudan porque añaden atracción de la fuerza fuerte sin añadir ninguna repulsión. Separan los protones y actúan como pegamento. Por eso los núcleos ligeros, como el calcio-40 (20 protones, 20 neutrones), tienen cantidades casi iguales, mientras que el plomo-208 tiene 82 protones y 126 neutrones: N/Z ≈ 1,5. Más allá del plomo, ninguna cantidad de pegamento de neutrones es suficiente, y todos los núcleos son inestables.