Сильная сила и отталкивание

Посмотри на ядро, например на ядро гелия-4: два протона сжаты в пространстве шириной около 3 fm. Протоны положительно заряжены, поэтому они отталкиваются друг от друга.

Давайте выразим это числом. Два протона на расстоянии 1 fm отталкиваются с электрической силой

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

Это примерно вес тела массой 23 kg, действующий на один протон. А что насчёт гравитации между ними? Она составляет около 2 × 10⁻³⁴ N, то есть примерно в 10³⁶ раз слабее. В ядре гравитация не играет роли.

Что-то ещё должно удерживать ядро вместе, и на таком расстоянии это должно быть сильнее 230 N. Это и есть сильная ядерная сила.

Как действует сильная сила.

• Она притягивает нуклоны, когда они находятся на расстоянии примерно 1–2 fm, и там гораздо сильнее электрического отталкивания.
• У неё очень маленький радиус действия: на расстоянии примерно 2–3 fm она уже исчезает. Дальше электрическое отталкивание побеждает.
• На расстоянии меньше примерно 0,5–0,7 fm она становится отталкивающей, не давая нуклонам сжаться и упасть друг в друга.
• Она действует между протонами и нейтронами одинаково. Она почти не чувствует заряда: сила между двумя протонами, двумя нейтронами или протоном и нейтроном примерно одинакова. (Из-за особенностей спина связанной пары из двух протонов или двух нейтронов не существует, а пара протон–нейтрон существует. Это дейтрон.)

Если заглянуть глубже, нуклоны состоят из кварков, которые удерживаются вместе глюонами. Сила между нуклонами — это остаток, или «остаточная» сила, взаимодействия кварков. Это немного похоже на то, как нейтральные молекулы всё ещё притягиваются друг к другу.

Почему тяжёлым ядрам нужны дополнительные нейтроны. Сильная сила действует на очень маленьком расстоянии, поэтому каждый нуклон чувствует только нескольких соседей, которые соприкасаются с ним. Добавление новых нуклонов не усиливает связывание каждого из них. Электрическое отталкивание устроено иначе: каждый протон отталкивает все остальные протоны, даже если они находятся на другом конце ядра, и общая сила примерно растёт пропорционально квадрату числа протонов.

Нейтроны помогают, потому что добавляют притяжение сильной силы без добавления отталкивания. Они распределяют протоны и действуют как клей. Поэтому в лёгких ядрах, таких как кальций-40 (20 протонов и 20 нейтронов), числа примерно равны, а в свинце-208 находятся 82 протона и 126 нейтронов: N/Z ≈ 1,5. После свинца никакого количества нейтронного «клея» уже недостаточно, и каждое ядро нестабильно.