De sterke kracht en de afstoting

Kijk naar een kern zoals helium-4: twee protonen die samengeperst zijn in een ruimte van ongeveer 3 fm breed. Protonen zijn positief, dus ze stoten elkaar af.

Laten we er een getal aan geven. Twee protonen die 1 fm van elkaar af staan, duwen elkaar weg met een elektrische kracht van

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

Dat is ongeveer het gewicht van een massa van 23 kg, dat op één proton werkt. Hoe zit het met de zwaartekracht tussen hen? Die is ongeveer 2 × 10⁻³⁴ N, oftewel ongeveer 10³⁶ keer zwakker. Zwaartekracht is niet van belang in een kern.

Er moet iets anders zijn dat de kern bij elkaar houdt, en dat moet op die afstand sterker zijn dan 230 N. Dat iets is de sterke nucleaire kracht.

Hoe de sterke kracht werkt.

• Ze is aantrekkend tussen nucleonen wanneer die ongeveer 1 tot 2 fm van elkaar af staan, en ze is daar veel sterker dan de elektrische afstoting.
• Haar bereik is heel klein: bij ongeveer 2 tot 3 fm is ze vrijwel verdwenen. Op grotere afstanden wint de elektrische afstoting.
• Bij minder dan ongeveer 0,5 tot 0,7 fm wordt ze afstotend, waardoor de nucleonen niet in elkaar klappen.
• Ze werkt zowel tussen protonen als neutronen. Ze is bijna ongevoelig voor lading: de kracht tussen twee protonen, twee neutronen of een proton en een neutron is ongeveer hetzelfde. (Door details van de spin bestaat er geen gebonden paar van twee protonen of twee neutronen, terwijl een proton-neutronpaar wel bestaat. Dat is het deuteron.)

Dieper vanbinnen bestaan nucleonen uit quarks, die door gluonen bij elkaar worden gehouden. De kracht tussen nucleonen is een overblijfsel, of "residu", van die quarkkracht, een beetje zoals neutrale moleculen elkaar nog steeds aantrekken.

Waarom zware kernen extra neutronen nodig hebben. De sterke kracht heeft zo'n klein bereik dat een nucleon alleen de paar buren voelt die het aanraken. Meer nucleonen toevoegen zorgt er niet voor dat elk nucleon sterker gebonden wordt. De elektrische afstoting is anders: elk proton duwt elk ander proton weg, hoe ver het ook aan de andere kant van de kern zit, en het totaal groeit ongeveer met het vierkant van het aantal protonen.

Neutronen helpen omdat ze aantrekkingskracht van de sterke kracht toevoegen zonder afstoting toe te voegen. Ze verspreiden de protonen en werken als lijm. Daarom hebben lichte kernen zoals calcium-40 (20 protonen, 20 neutronen) ongeveer evenveel protonen als neutronen, terwijl lood-208 82 protonen en 126 neutronen heeft: N/Z ≈ 1,5. Voorbij lood is geen hoeveelheid neutronenlijm voldoende en is elke kern instabiel.