11.2 Krafter och energi i atomkärnan

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

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 \(10^{-15} \text{m}\). 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 fi nns 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.