Siła oddziaływania silnego i siła odpychania.

Spójrz na jądro, takie jak jądro helu-4: dwa protony stłoczone w przestrzeni o szerokości około 3 fm. Protony mają dodatni ładunek, więc odpychają się.

Nadajmy temu wartość liczbową. Dwa protony oddalone od siebie o 1 fm działają na siebie siłą elektryczną równą

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

To mniej więcej ciężar obiektu o masie 23 kg działający na jeden proton. A co z grawitacją między nimi? Wynosi ona około 2 × 10⁻³⁴ N, czyli jest około 10³⁶ razy słabsza. Grawitacja nie ma znaczenia w jądrze.

Coś innego musi wiązać jądro i musi być silniejsze niż 230 N w tej odległości. To coś to silna siła jądrowa.

Jaka jest silna siła jądrowa.

• Jest przyciągająca między nukleonami, gdy są od siebie oddalone o około 1 do 2 fm, i jest wtedy znacznie silniejsza niż elektryczne odpychanie.
• Ma bardzo mały zasięg: przy odległości około 2 do 3 fm jej działanie zanika. Powyżej tej odległości wygrywa elektryczne odpychanie.
• Przy odległości mniejszej niż około 0,5 do 0,7 fm staje się odpychająca, dzięki czemu nukleony nie zapadają się na siebie.
• Działa tak samo między protonami i neutronami. Jest prawie niezależna od ładunku: siła między dwoma protonami, dwoma neutronami albo protonem i neutronem jest mniej więcej taka sama. (Szczegóły dotyczące spinu oznaczają, że nie istnieje związana para dwóch protonów ani dwóch neutronów, podczas gdy istnieje para proton-neutron. To deuteron.)

Na głębszym poziomie nukleony składają się z kwarków połączonych gluonami. Siła między nukleonami jest pozostałością, czyli „resztkową” formą siły między kwarkami — trochę tak, jak obojętne cząsteczki nadal przyciągają się nawzajem.

Dlaczego ciężkie jądra potrzebują dodatkowych neutronów. Siła jądrowa ma tak krótki zasięg, że nukleon odczuwa tylko kilka stykających się z nim sąsiadów. Dodanie kolejnych nukleonów nie sprawia, że każdy z nich wiąże się silniej. Z odpychaniem elektrycznym jest inaczej: każdy proton odpycha każdy inny proton, niezależnie od tego, jak daleko w jądrze się znajduje, a całkowite odpychanie rośnie w przybliżeniu proporcjonalnie do kwadratu liczby protonów.

Neutrony pomagają, ponieważ dodają przyciąganie siły jądrowej bez dodawania żadnego odpychania. Rozsuwają protony i działają jak klej. Dlatego lekkie jądra, takie jak wapń-40 (20 protonów, 20 neutronów), mają mniej więcej tyle samo protonów co neutronów, podczas gdy ołów-208 ma 82 protony i 126 neutronów: N/Z ≈ 1,5. Powyżej ołowiu żadna ilość neutronowego „kleju” nie wystarcza i każde jądro jest niestabilne.