Γιατί τα πρωτόνια και τα νετρόνια κολλάνε μαζί στον ατομικό πυρήνα

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν έλκονται ηλεκτρικά μεταξύ τους, οπότε έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί κολλάνε μαζί στον ατομικό πυρήνα; Η ισχυρή αλληλεπίδραση παράγει την ισχυρή πυρηνική δύναμη, η οποία συγκρατεί την ύλη ενωμένη όταν τα σωματίδια είναι αρκετά κοντά.

Η ισχυρή δύναμη κρατά τον πυρήνα μαζί

Η ισχυρή δύναμη είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα άλλα τρία είναι ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ασθενής δύναμη και η βαρύτητα. Τα σωματίδια πρέπει να είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο για να αισθανθούν την ισχυρή δύναμη, αλλά σε απόσταση ενός femtometer (10 m), η ισχυρή δύναμη είναι 137 φορές πιο ισχυρή από τον ηλεκτρομαγνητισμό, ένα εκατομμύριο φορές ισχυρότερη από την ασθενή δύναμη και 100 undecillion (10) φορές ισχυρότερο από τη βαρύτητα.

Σε μια περιοχή από 1 femtometer έως 3 femtometers, η ισχυρή δύναμη συνδέει τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) μεταξύ τους για να σχηματίσουν τον ατομικό πυρήνα. Είναι επίσης η δύναμη που σχηματίζει πρωτόνια και νετρόνια από τα κουάρκ τους. Σε απόσταση περίπου 0,8 femtometer, σωματίδια χωρίς μάζα που ονομάζονται γκλουόνια μεταφέρουν τη δύναμη για να δημιουργήσουν πρωτόνια και νετρόνια. Περίπου το 99% της μάζας ενός πρωτονίου ή νετρονίου προκύπτει από την ενέργεια του πεδίου ισχυρής δύναμης. Τα κουάρκ συνεισφέρουν μόνο περίπου στο 1% της μετρούμενης μάζας!

Πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια σε ένα άτομο

Θεωρήστε ένα άτομο:

Τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, επομένως έλκονται από τα πρωτόνια στον ατομικό πυρήνα. Όμως, τα ηλεκτρόνια είναι μικροσκοπικά και κινούνται πολύ γρήγορα. Πέφτουν γύρω από τον πυρήνα, όπως ένας δορυφόρος πέφτει γύρω από τη Γη. Είναι θεωρητικά δυνατό τα ηλεκτρόνια να περάσουν ακόμη και μέσα από τον πυρήνα, αλλά δεν μπορούν να κολλήσουν. Ενώ ο πυρήνας είναι πιο πυκνός από το υπόλοιπο άτομο, στην πραγματικότητα περιέχει πολύ λίγη ύλη και τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ γρήγορα για να κάνουν περισσότερα από το να επισκεφθούν.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν έλκονται ηλεκτρικά μεταξύ τους, αλλά όταν πλησιάζουν αρκετά μπορούν να ανταλλάξουν σωματίδια που ονομάζονται μεσόνια και να συνδεθούν μεταξύ τους από την ισχυρή δύναμη. Απαιτείται σημαντική ενέργεια για να διαχωριστούν τα νουκλεόνια αφού δεσμευτούν.

Τα πρωτόνια απωθούν ηλεκτρικά το ένα το άλλο λόγω του θετικού τους φορτίου. Αν πλησιάσουν ο ένας τον άλλον με μεγάλη ταχύτητα ή αναγκαστούν να ενωθούν από την πίεση, πλησιάζουν αρκετά ώστε η ισχυρή δύναμη να τους συνδέσει μεταξύ τους. Η ηλεκτρική απώθηση εξακολουθεί να υπάρχει, επομένως είναι πιο εύκολο να προσθέσετε νετρόνια σε έναν ατομικό πυρήνα παρά να προσθέσετε πρωτόνια.

Αναφορές

• Christman, J.R. (2001). «MISN-0-280:Η ισχυρή αλληλεπίδραση» (PDF). Έργο PHYSNET
• Griffiths, David (1987). Εισαγωγή στα στοιχειώδη σωματίδια . John Wiley &Sons. ISBN 978-0-471-60386-3.
• Halzen, F.; Martin, A.D. (1984). Quarks and Leptons:An Introductory Course in Modern Particle Physics . John Wiley &Sons. ISBN 978-0-471-88741-6.
• Kane, G.L. (1987). Σύγχρονη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων . Βιβλία Περσέα. ISBN 978-0-201-11749-3.