Den sterke kraften og frastøtingen

Se på en kjerne, for eksempel helium-4: to protoner klemt sammen på en plass som er omtrent 3 fm bred. Protoner er positive, så de frastøter hverandre.

La oss sette et tall på det. To protoner med 1 fm avstand mellom seg skyver på hverandre med en elektrisk kraft på

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

Det tilsvarer omtrent tyngden av en masse på 23 kg, som virker på ett proton. Hva med gravitasjonen mellom dem? Den blir omtrent 2 × 10⁻³⁴ N, som er rundt 10³⁶ ganger svakere. Gravitasjon er ubetydelig i en kjerne.

Noe annet må holde kjernen sammen, og det må være sterkere enn 230 N på denne avstanden. Dette er den sterke kjernefysiske kraften.

Slik er den sterke kraften.

• Den er tiltrekkende mellom nukleoner når de er omtrent 1 til 2 fm fra hverandre, og den er mye sterkere enn den elektriske frastøtingen der.
• Den har svært kort rekkevidde: Ved omtrent 2 til 3 fm har den forsvunnet. Utover denne avstanden vinner den elektriske frastøtingen.
• Ved mindre enn omtrent 0,5 til 0,7 fm blir den frastøtende, noe som hindrer nukleonene i å klappe sammen.
• Den virker mellom protoner og nøytroner på samme måte. Den er nesten ladningsblind: Kraften mellom to protoner, to nøytroner eller et proton og et nøytron er omtrent den samme. (Spindetaljer gjør at det ikke finnes et bundet par av to protoner eller to nøytroner, mens et proton–nøytron-par finnes. Det er deuteronet.)

På et dypere nivå består nukleoner av kvarker som holdes sammen av gluoner. Kraften mellom nukleoner er en rest, eller «residual», av denne kvarkkraften, litt på samme måte som nøytrale molekyler fortsatt tiltrekker hverandre.

Hvorfor tunge kjerner trenger ekstra nøytroner. Den sterke kraften har så kort rekkevidde at et nukleon bare merker de få naboene som berører det. Flere nukleoner gjør ikke at hvert av dem bindes sterkere. Den elektriske frastøtingen er annerledes: hvert proton skyver på alle andre protoner, uansett hvor langt unna de er i kjernen, og den totale kraften vokser omtrent med kvadratet av antallet protoner.

Nøytroner hjelper fordi de tilfører tiltrekning fra den sterke kraften uten å tilføre frastøting. De sprer protonene fra hverandre og fungerer som lim. Derfor har lette kjerner som kalsium-40 (20 protoner, 20 nøytroner) omtrent like mange av hver, mens bly-208 har 82 protoner og 126 nøytroner: N/Z ≈ 1,5. Etter bly er ingen mengde nøytronlim nok, og alle kjerner er ustabile.