Det finns fler saker att fundera över i den beskrivning vi just har presenterat: Hur kan protonerna med sina positiva laddningar hänga samman med de neutrala neutronerna i en liten atomkärna? Kan det vara på grund av gravitationen? Nej, gravitationskraften mellan nukleonerna är obetydlig i jämförelse med den elektriska repulsionen. Med bara gravitationskrafter och elektromagnetiska krafter skulle atomkärnan explodera! Det måste finnas fler krafter än gravitationen och elektromagnetismen. Det är nu tid att presentera en tredje naturkraft.

Den starka kärnkraften fungerar ungefär som ett slags superlim mellan nukleonerna i kärnan. Det är en mycket stark kraft, men den har kort räckvidd och verkar inte längre än ungefär #10^{-15} # m. Vi kan tänka oss att nukleonernas ytor klibbar samman när de är i kontakt med varandra.

Den starka kärnkraften tycks inte göra någon större skillnad på protoner eller neutroner. Den elektriska kraften däremot verkar ju bara mellan protonerna, men i gengäld verkar den mellan alla protonerna i kärnan.

Tänk dig att vi ska bygga upp tyngre och tyngre atomkärnor med neutroner och protoner som byggstenar. Till att börja med, när det bara finns några få byggstenar, gränsar alla till varandra och bidrar då till att hålla samman kärnan.

Men i en urankärna finns det #92 # protoner. En proton i utkanten av kärnan har ungefär #8 # grannukleoner som "limmar" fast protonen, men det finns #91 # stycken protoner som stöter bort den. Om vi lägger ytterligare en proton till kärnan kommer den bara att "klibba" samman med sina närmaste grannar. Alla de andra protonerna i kärnan kommer att känna en ökad elektrisk repulsion och bindas svagare till kärnan. Den extra protonen gör således kärnan mer instabil. Om vi istället lägger till en eller flera neutroner kommer avståndet mellan protonerna att öka. Detta gör kärnan mer stabil eftersom den elektriska repulsionen minskar då avståndet ökar.

Efter det att Chadwick hade upptäckt neutronen år #1932 # blev det allmänt accepterat att kärnan består av protoner och neutroner. Många fysiker började därefter undersöka nukleonernas rörelser i kärnan, och man försökte hitta paralleller med elektronernas rörelse i atomerna.

Det var välkänt att atomer med helt fyllda elektronskal, de så kallade ädelgaserna, är stabila grundämnen som reagerar lite eller inte alls med andra ämnen. Antalet elektroner i ädelgaserna är #2 (# Helium), #10 (# Neon), #18 (# Argon), #36 (# Krypton) och #54 (# Xenon). Men att den enormt täta atomkärnan skulle ha någon form av skalstruktur var det inte många som trodde.

Maria Goeppert-Mayer #(1906-1972) # är en av två kvinnor som fått nobelpriset i fysik. #1948 # började hon på allvar att arbeta med teorin bakom atomkärnans struktur. Hon studerade regelbundenheter hos kärnornas bindningsenergier (se följande avsnitt) och hennes resultat pekade på att även atomkärnorna hade en skalstruktur. Det visade sig att kärnor med #2, 8 # eller #20 # neutroner eller protoner var speciellt stabila. Dessa tal kallades magiska tal och svarade mot helt fyllda nukleon­skal. I två artiklar "On Closed Shells in Nuclei" kunde Goeppert-Mayer utvidga de magiska talen till #28, 50, 82 # och #126. # He #-4, # O #-16, # Ca #-40, # Pb #-208 # är dubbelmagiska vilket betyder att både proton #- # och neutrontalen är magiska.

Kärt barn, många namn

Vi använder olika skrivsätt för att beteckna atomer, till exempel kol #-14#, C #-14 # och #^{14}# C.

Vi skulle kunna likna atomkärnan vid en energibrunn. Se figur #11.2. # Nere i brunnen är nukleonerna bundna. I exemplet i figuren behövs det #720 # fJ för att frigöra en nukleon. Det är nukleonens bindnings­energi.

#11.2# Modell av atomkärnan som en energibrunn. (f  #= 10^{-15}, # f uttalas femto)

Precis som atomen skickade ut en foton då den gick från ett tillstånd till ett annat med lägre energi kan man tänka sig att det sker på liknande sätt vid en kärnreaktion. Tänk dig att en kärna fångar in en nukleon och att denna därefter "faller" ned i brunnen. Då sänder kärnan ut en foton med energin #720 # fJ. Skillnaden är att bindnings­energin är ungefär en miljon gånger större än jonisationsenergin. Detta är en typisk skillnad i storleksordning mellan atomenergier och kärnenergier.

Varje atom och varje specifik isotop har sina unika energier, sitt eget "fingeravtryck".

Vi kan också titta på den totala bindningsenergin för en kärna. Det är den energi som krävs för att frigöra alla nukleonerna, så att vi får ett antal fria protoner och neutroner. Om vi tar totala bindningsenergin och dividerar med antalet nukleoner får vi den genomsnittliga bindningsenergin per nukleon för just denna atomkärna. Figur #11.3 v# isar den genomsnittliga bindningsenergin per nukleon som funktion av nukleontalet för olika atomkärnor.

#11.3# Genomsnittlig bindnings­energi per nukleon för atomkärnor som förekommer i naturen. Djupast nere i "energibrunnen" är järn. En nukleon i denna kärna är väldigt starkt bunden och ligger därför på toppen av kurvan.