प्रबल बल और प्रतिकर्षण

हीलियम-4 जैसे किसी नाभिक को देखो: लगभग 3 fm चौड़ी जगह में दो प्रोटॉन ठूँस दिए गए हैं। प्रोटॉन धनात्मक होते हैं, इसलिए वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं।

आओ, इसे एक संख्या में लिखें। 1 fm की दूरी पर दो प्रोटॉन एक-दूसरे पर विद्युत बल लगाते हैं:

F = k e² / r² ≈ (8.99 × 10⁹) × (1.60 × 10⁻¹⁹)² / (10⁻¹⁵)² ≈ 230 N.

यह 23 kg द्रव्यमान के भार जितना है, जो एक प्रोटॉन पर लग रहा है। उनके बीच गुरुत्वाकर्षण का क्या? यह लगभग 2 × 10⁻³⁴ N होता है, यानी 10³⁶ गुना कमज़ोर। नाभिक में गुरुत्वाकर्षण का कोई महत्व नहीं है।

नाभिक को साथ बाँधे रखने के लिए कुछ और ज़रूर होना चाहिए, और उस दूरी पर वह 230 N से भी ज़्यादा शक्तिशाली होना चाहिए। वही है प्रबल नाभिकीय बल।

प्रबल बल कैसा होता है।

• जब न्यूक्लियॉन लगभग 1 से 2 fm की दूरी पर होते हैं, तो यह उनके बीच आकर्षण पैदा करता है और वहाँ विद्युत प्रतिकर्षण से बहुत अधिक शक्तिशाली होता है।
• इसकी सीमा बहुत छोटी होती है: लगभग 2 से 3 fm तक पहुँचते-पहुँचते यह लगभग समाप्त हो जाता है। इस दूरी के बाद विद्युत प्रतिकर्षण हावी हो जाता है।
• लगभग 0.5 से 0.7 fm से कम दूरी पर यह प्रतिकर्षी हो जाता है, जिससे न्यूक्लियॉन एक-दूसरे में धँसकर पूरी तरह सिकुड़ नहीं जाते।
• यह प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, दोनों के बीच काम करता है। यह लगभग आवेश से स्वतंत्र है: दो प्रोटॉन, दो न्यूट्रॉन या एक प्रोटॉन और एक न्यूट्रॉन के बीच बल लगभग समान होता है। (स्पिन से जुड़ी बारीकियों के कारण दो प्रोटॉन या दो न्यूट्रॉन का बँधा हुआ जोड़ा नहीं बनता, जबकि प्रोटॉन-न्यूट्रॉन का जोड़ा बनता है। इसे ड्यूटेरॉन कहते हैं।)

और भी अंदर जाएँ, तो न्यूक्लियॉन क्वार्क से बने होते हैं, जिन्हें ग्लूऑन साथ बाँधे रखते हैं। न्यूक्लियॉन के बीच का बल उस क्वार्क बल का बचा हुआ, या "अवशिष्ट", रूप है—कुछ वैसा ही जैसे उदासीन अणु भी एक-दूसरे को आकर्षित करते रहते हैं।

भारी नाभिकों को अतिरिक्त न्यूट्रॉन क्यों चाहिए। प्रबल बल की सीमा इतनी छोटी होती है कि कोई न्यूक्लियॉन केवल अपने पास के कुछ छूते हुए पड़ोसियों को ही महसूस करता है। अधिक न्यूक्लियॉन जोड़ने से हर न्यूक्लियॉन का बंधन और मजबूत नहीं होता। विद्युत प्रतिकर्षण अलग तरह से काम करता है: हर प्रोटॉन, नाभिक में चाहे जितनी दूर हो, हर दूसरे प्रोटॉन को धकेलता है और इसका कुल प्रभाव प्रोटॉन की संख्या के वर्ग के साथ लगभग बढ़ता है।

न्यूट्रॉन मदद करते हैं, क्योंकि वे बिना कोई प्रतिकर्षण बढ़ाए प्रबल बल का आकर्षण जोड़ते हैं। वे प्रोटॉन को एक-दूसरे से दूर फैलाते हैं और गोंद की तरह काम करते हैं। इसी वजह से कैल्शियम-40 जैसे हल्के नाभिकों में लगभग बराबर संख्या होती है (20 प्रोटॉन, 20 न्यूट्रॉन), जबकि लेड-208 में 82 प्रोटॉन और 126 न्यूट्रॉन होते हैं: N/Z ≈ 1.5। लेड के बाद, न्यूट्रॉन की कितनी भी गोंद पर्याप्त नहीं होती, और हर नाभिक अस्थिर होता है।