Vahva vuorovaikutus ja hylkimisvoima

Katso esimerkiksi helium-4-ydintä: kaksi protonia on puristunut tilaan, jonka halkaisija on noin 3 fm. Protonit ovat positiivisia, joten ne hylkivät toisiaan.

Lasketaan tälle arvo. Kun kaksi protonia on 1 fm:n etäisyydellä toisistaan, niiden välinen sähköinen voima on

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

Se vastaa noin 23 kg:n massan painoa, joka vaikuttaa yhteen protoniin. Entä niiden välinen painovoima? Se on noin 2 × 10⁻³⁴ N eli noin 10³⁶ kertaa heikompi. Painovoimalla ei ole merkitystä ytimessä.

Jonkin muun voiman täytyy siis sitoa ydin yhteen, ja sen on oltava tätä etäisyyttä vastaavalla matkalla voimakkaampi kuin 230 N. Tämä jokin on vahva ydinvoima.

Millainen vahva ydinvoima on.

• Se on puoleensavetävä nukleonien välillä, kun niiden etäisyys on noin 1–2 fm, ja se on silloin paljon sähköistä hylkimistä voimakkaampi.
• Sen ulottuvuus on hyvin lyhyt: noin 2–3 fm:n kohdalla se on jo hävinnyt. Tätä suuremmilla etäisyyksillä sähköinen hylkiminen voittaa.
• Alle noin 0,5–0,7 fm:n etäisyydellä se muuttuu hylkiväksi, mikä estää nukleoneja romahtamasta toistensa sisään.
• Se vaikuttaa samalla tavalla protoneihin ja neutroneihin. Se on lähes varauksesta riippumaton: kahden protonin, kahden neutronin tai protonin ja neutronin välinen voima on suunnilleen yhtä suuri. (Pyörimiseen liittyvien yksityiskohtien vuoksi kahdesta protonista tai kahdesta neutronista muodostuvaa sidottua paria ei ole, mutta protoni–neutroni-pari on olemassa. Se on deuteroni.)

Syvemmällä tarkasteltaessa nukleonit koostuvat kvarkeista, joita gluonit pitävät yhdessä. Nukleonien välinen voima on jäännös eli "residuaali" tästä kvarkkien välisestä voimasta, vähän samalla tavalla kuin neutraalit molekyylitkin vetävät toisiaan puoleensa.

Miksi raskaat ytimet tarvitsevat ylimääräisiä neutroneja. Vahva ydinvoima ulottuu niin lyhyelle etäisyydelle, että nukleoni tuntee vain muutamat siihen koskettavat naapurit. Uusien nukleonien lisääminen ei saa jokaista nukleonia sitoutumaan voimakkaammin. Sähköinen hylkiminen toimii eri tavalla: jokainen protoni työntää pois jokaista muuta protonia, vaikka ne olisivat kuinka kaukana toisistaan ytimen sisällä, ja kokonaisvaikutus kasvaa suunnilleen protonien lukumäärän neliönä.

Neutronit auttavat, koska ne lisäävät vahvan ydinvoiman vetovoimaa lisäämättä hylkimistä. Ne levittävät protoneja kauemmas toisistaan ja toimivat kuin liima. Siksi kevyissä ytimissä, kuten kalsium-40:ssä (20 protonia, 20 neutronia), niitä on suunnilleen yhtä paljon, kun taas lyijy-208:ssa on 82 protonia ja 126 neutronia: N/Z ≈ 1,5. Lyijyä raskaammissa ytimissä mikään määrä neutroniliimaa ei enää riitä, ja jokainen ydin on epävakaa.