强力与排斥力

看看像氦-4 这样的原子核：两个质子被挤压在大约 3 fm 宽的空间里。质子带正电，因此它们相互排斥。

让我们给它算个数值。两个相距 1 fm 的质子之间产生的电力为

F = k e² / r² ≈ (8.99 × 10⁹) × (1.60 × 10⁻¹⁹)² / (10⁻¹⁵)² ≈ 230 N。

这大约相当于 23 kg 物体的重量，作用在单个质子上。那它们之间的引力呢？引力约为 2 × 10⁻³⁴ N，比电力弱大约 10³⁶ 倍。在原子核中，引力可以忽略不计。

必须有另一种力量将原子核结合在一起，而且这种力量必须比该距离下的 230 N 更强。这种力量就是强核力。

强相互作用是什么样的。

• 当核子之间的距离约为 1 到 2 飞米 时，它们之间表现为吸引力，且比那里的静电斥力强得多。
• 它的作用范围非常短：在大约 2 到 3 飞米 处就几乎消失了。超过这个距离，静电斥力就会占上风。
• 当距离小于约 0.5 到 0.7 飞米 时，它变为排斥力，防止核子相互坍缩。
• 它对质子和中子的作用是一样的。它几乎是电荷无关的：两个质子、两个中子或一个质子与一个中子之间的力大致相同。（自旋细节意味着两个质子或两个中子的束缚对并不存在，而质子-中子对是存在的。那就是氘核。）

更深层来看，核子由夸克组成，由胶子结合在一起。核子之间的力是那种夸克力的残留，或称为“残余”力，就像中性分子之间仍然会相互吸引一样。

为什么重原子核需要更多的中子。 强相互作用的作用范围极短，一个核子只能感受到与其接触的少数几个邻居。增加核子数量并不会让每个核子结合得更紧密。静电斥力则不同：每个质子都会排斥其他所有质子，无论它们在原子核中相距多远，且总斥力大致与质子数的平方成正比。

中子之所以有帮助，是因为它们增加了强相互作用的吸引力，却不增加任何斥力。它们将质子分散开来，起到胶水的粘合作用。这就是为什么像钙-40（20 个质子，20 个中子）这样的轻原子核中质子和中子数量大致相等，而铅-208 却有 82 个质子和 126 个中子：N/Z ≈ 1.5。超过铅之后，无论加多少中子“胶水”都不够，所有原子核都是不稳定的。