A força forte e a repulsão

Observe um núcleo como o do hélio-4: dois prótons comprimidos em um espaço com cerca de 3 fm de diâmetro. Os prótons são positivos, então eles se repelem.

Vamos colocar um número nisso. Dois prótons separados por 1 fm exercem um sobre o outro uma força elétrica de

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

Isso corresponde aproximadamente ao peso de uma massa de 23 kg, agindo sobre um próton. E quanto à gravidade entre eles? Ela chega a cerca de 2 × 10⁻³⁴ N, o que é aproximadamente 10³⁶ vezes mais fraca. A gravidade é irrelevante em um núcleo.

Algo mais deve manter o núcleo unido, e precisa ser mais forte que 230 N nessa distância. Esse algo é a força nuclear forte.

Como é a força forte.

• Ela é atrativa entre os núcleons quando eles estão separados por cerca de 1 a 2 fm, e é muito mais forte do que a repulsão elétrica nessa distância.
• Seu alcance é muito curto: por volta de 2 a 3 fm, ela já desapareceu. Além dessa distância, a repulsão elétrica vence.
• A menos de cerca de 0,5 a 0,7 fm, ela se torna repulsiva, impedindo que os núcleons desabem uns sobre os outros.
• Ela atua igualmente entre prótons e nêutrons. É quase indiferente à carga: a força entre dois prótons, dois nêutrons ou um próton e um nêutron é praticamente a mesma. (Detalhes do spin fazem com que não exista um par ligado de dois prótons ou dois nêutrons, enquanto existe um par próton-nêutron. Esse é o dêuteron.)

Em um nível mais profundo, os núcleons são formados por quarks unidos por glúons. A força entre os núcleons é um resíduo, ou "residual", dessa força entre quarks, um pouco como a atração que ainda existe entre moléculas neutras.

Por que núcleos pesados precisam de nêutrons extras. A força forte tem um alcance tão curto que cada núcleon sente apenas os poucos vizinhos que encostam nele. Adicionar mais núcleons não faz com que cada um deles se ligue com mais força. A repulsão elétrica é diferente: cada próton repele todos os outros prótons, por mais distantes que estejam dentro do núcleo, e o total cresce aproximadamente com o quadrado do número de prótons.

Os nêutrons ajudam porque acrescentam atração da força forte sem adicionar nenhuma repulsão. Eles espalham os prótons e agem como uma cola. É por isso que núcleos leves, como o cálcio-40 (20 prótons, 20 nêutrons), têm quantidades aproximadamente iguais, enquanto o chumbo-208 tem 82 prótons e 126 nêutrons: N/Z ≈ 1,5. Depois do chumbo, nenhuma quantidade de nêutrons como cola é suficiente, e todo núcleo é instável.