Forţa tare Protonii, elemente constituente ale nucleului atomic, sunt particule cu sarcină pozitivă. Având aceeaşi sarcină, se resping reciproc. Ce face totuşi ca nucleul atomic să nu se dezintegreze? Ce ţine protonii laolaltă, deşi aparent ar trebui să se depărteze unul de altul? Aflaţi din acest articol ce forţă ţine nucleul atomic unit.

 

Ce forţă fundamentală este responsabilă pentru legăturile dintre nucleoni1?

Protonul şi neutronul, componente ale nucleelor atomice, sunt particule cu masă proprie şi care, în consecinţă, sunt afectate de forţa gravitaţională; efectul este însă extrem de mic, dată fiind masa nucleonilor. Protonii sunt particule cu sarcină electrică pozitivă care, pentru că au aceeaşi sarcină, se resping reciproc în interiorul nucleului.  Cum protonii nu se expulzează reciproc în urma acestei interacţiunii electromagnetice, rezultă că trebuie să existe o forţă de atracţie mai puternică decât cea electromagnetică, care îi ţine împreună. Această forţă a fost denumită de fizicieni forţa tare.

Fizica modernă consacră existenţa a patru forţe fundamentale ca mecanisme de interacţiune între particulele elementare: gravitaţia, electromagnetismul, forţa nucleară tare şi forţa nucleară slabă. Modelul Standard din fizica particulelor asociază fiecărei dintre aceste patru interacţiuni fundamentale o aşa-numită particulă-forţă responsabilă pentru apariţia acestor mecanisme fundamentale de atracţie sau respingere.

Astfel, vorbim despre gravitoni, fotoni, gluoni şi bosoni. În anul 1967 Abdus Salam şi Steve Weinberg au introdus o teorie care unifica forţa nucleară slabă cu electromagnetismul într-o aşa-zisă forţă electroslabă. Cei doi au primit premiul Nobel în 1979.

 

 

Înainte de anii '70 ai secolului trecut, când quarcurile nu fuseseră încă descoperite, iar neutronii şi protonii erau consideraţi indivizibili, a fost necesară postularea existenţei unei forţe care să contrabalanseze efectele respingerii de natură electromagnetică între protoni pentru a ţine nucleonii (protonii şi neutronii) laolaltă în interiorul nucleului. Iniţial s-a crezut că este o forţă care acţionează pe distanţe foarte mici, între toate componentele elementare ale nucleului, pe atunci crezute a fi protonii şi neutronii.  A fost numită forţa tare.

 

Structura neutronului
Neutronul conţine două quarcuri down şi un quarc up.
Gluonii intermediază interacţia nucleară tare.
Credit: commons.wikimedia.org



Descoperirea ulterioară a quarcurilor care în acest moment sunt considerate a fi particulele fundamentale care constituie nucleul atomic, intrând atât în componenţa neutronilor, cât şi a protonilor, a relevat faptul că interacţiunea "tare" dintre protoni şi neutroni este de fapt un efect rezidual al unei forţe care se manifestă  la nivelul quarcurilor. Particulele forţă care intermediază această forţă sunt gluonii. Termenul de forţă nucleară tare a fost păstrat, folosindu-se în schimb formula "forţă nucleară reziduală tare" pentru interacţiunea tare presupusă iniţial a exista între protoni şi neutroni.

În anul 1964, fizicienii Murray Gell-Mann şi George Zweig propun în mod independent un model teoretic care postula că protonii nu sunt particule indivizibile, ci au în componenţă quarcuri. Abia în 1968, în urma unui experiment (privind împrăştierea inelastică adâncă a electronilor pe protoni şi neutroni legaţi) desfăşurat la acceleratorul SLAC al Universităţii Stanford, a fost confirmată experimental existenţa quarcurilor up şi down. Quarcurile sunt, prin urmare, "cărămizile" din care sunt "construiţi" protonii şi neutronii. Protonul conţine două quarcuri up şi un quarc down, pe când neutronul conţine două quarcuri down şi un quarc up.

Structura interna a protonului

Protonul conţine două quarcuri up şi un quarc down.
Gluonii intermediază interacţiunea nucleară tare.
Credit: commons.wikimedia.org

Forţa nucleară tare se manifestă doar la nivelul nucleonilor, iar influenţa sa dispare la distanţe mai mari de 10-13 metri de nucleul atomic.


Ce este energia nucleară de legătură?

Dacă se calculează în mod separat masa protonilor şi a neutronilor unui nucleu atomic, se constată că masa nucleului atomic este inferioară sumei maselor constituenţilor acestuia. Diferenţa dintre suma maselor individuale ale nucleonilor constituenţi şi masa nucleului atomic multiplicată cu pătratul vitezei luminii, ΔE=Δm*c2, (conform formulei de echivalenţă masă-energie a lui Albert Einstein), reprezintă chiar valoarea energiei nucleare de legătură şi este chiar energia necesară înfrângerii atracţiei dintre protonii şi neutronii din componenţa nucleului atomic.

Δm=Z*mp + (A-Z)*mn - mN, unde Z este numărul atomic al elementului chimic respectiv, A - masa atomică a sa, mn - masa neutronului, mp - masa protonului şi mN - masa nucleului atomic al acelui element chimic.


Cu cât nucleul este mai stabil, cu atât această energie de legătură are o valoare mai mare. În procesul de naştere a unui nucleu atomic stabil este eliberată o cantitate de energie care este egală cu valoarea acestei energii de legătură, exact lucrul mecanic ce trebuie efectuat din exterior dacă se doreşte desfacerea nucleului atomic.

 

_
1. nucleon - denumire generică dată protonilor şi neutronilor

Pentru o imagine completă a Modelului Standard, citiţi şi articolul "Particulele elementare" !

Bibliografie:
http://en.wikipedia.org
http://commons.wikimedia.org