Güçlü kuvvet ve birbirini itme

Helyum-4 gibi bir çekirdeğe bakalım: yaklaşık 3 fm genişliğindeki bir alana sıkışmış iki proton. Protonlar pozitif olduğu için birbirlerini iterler.

Buna bir sayı verelim. Aralarında 1 fm uzaklık bulunan iki proton, birbirlerine

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

büyüklüğünde elektriksel kuvvet uygular. Bu, bir protona etki eden 23 kg kütleli bir cismin ağırlığına yaklaşık olarak eşittir. Peki aralarındaki yerçekimi ne durumda? Yaklaşık 2 × 10⁻³⁴ N değerine ulaşır; bu da yaklaşık 10³⁶ kat daha zayıftır. Bir çekirdekte yerçekimi önemsizdir.

Çekirdeği bir arada tutan başka bir şey olmalı ve bu şeyin o uzaklıkta 230 N'dan daha güçlü olması gerekir. Bu şey, güçlü nükleer kuvvettir.

Güçlü kuvvetin özellikleri.

• Nükleonlar yaklaşık 1 ila 2 fm uzaklıktayken aralarında çekicidir ve bu uzaklıkta elektriksel itmeden çok daha güçlüdür.
• Etkime uzaklığı çok kısadır: yaklaşık 2 ila 3 fm uzaklıkta etkisi sönümlenir. Bu uzaklığın ötesinde elektriksel itme üstün gelir.
• Yaklaşık 0,5 ila 0,7 fm uzaklıktan daha kısa mesafelerde itici hâle gelir; bu da nükleonların birbirlerinin içine çökmesini önler.
• Protonlar ve nötronlar arasında aynı şekilde etki eder. Neredeyse yüke duyarsızdır: iki proton, iki nötron veya bir proton ile bir nötron arasındaki kuvvet yaklaşık olarak aynıdır. (Spin ayrıntıları, iki protondan veya iki nötrondan oluşan bağlı bir çiftin var olamayacağı, proton-nötron çiftinin ise var olabileceği anlamına gelir. Bu çift de döterondur.)

Daha derinlerde nükleonlar, gluonlar tarafından bir arada tutulan kuarklardan oluşur. Nükleonlar arasındaki kuvvet, kuark kuvvetinin arta kalan ya da "kalıntı" hâlidir; nötr moleküllerin hâlâ birbirini çekmesine biraz benzer.

Ağır çekirdeklerin neden daha fazla nötrona ihtiyacı vardır. Güçlü kuvvetin etkime uzaklığı o kadar kısadır ki bir nükleon yalnızca ona dokunan birkaç komşusunu hisseder. Daha fazla nükleon eklemek, her birinin daha güçlü bağlanmasını sağlamaz. Elektriksel itme ise farklıdır: her proton, çekirdeğin içinde ne kadar uzakta olursa olsun diğer her protonu iter ve toplam itme proton sayısının karesiyle yaklaşık olarak artar.

Nötronlar, hiçbir itme eklemeden güçlü kuvvet çekimi sağladıkları için yardımcı olur. Protonları birbirinden uzaklaştırır ve yapıştırıcı gibi davranırlar. Bu nedenle kalsiyum-40 gibi hafif çekirdeklerde (20 proton, 20 nötron) sayılar yaklaşık olarak eşitken, kurşun-208'de 82 proton ve 126 nötron bulunur: N/Z ≈ 1,5. Kurşundan daha ağır çekirdeklerde nötron yapıştırıcısının hiçbir miktarı yeterli olmaz ve her çekirdek kararsızdır.