Stærk kernekraft

Grundbeskrivelse

Den stærke kernekraft er en af de de fire fundamentale kræfter, der findes i naturen: tyngdekraft, den elektromagnetiske kraft, den svage kernekraft og stærke kernekraft.

De fire fundamentale kræfter beskriver, hvordan alt stof omkring os er bundet sammen, og hvordan det vekselvirker - dvs. hvordan to partikler, der støder sammen påvirker hinanden. Hvis der ikke fandtes tyngdekraft, ville vi fortsætte ud i rummet, når vi hoppede. Den svage- og den stærke kernekraft beskriver, hvordan stof er bundet sammen på skalaer for et atom.

Atomer består af en kerne af protoner og neutroner med en sky af elektroner rundt om, som det er beskrevet i Bohrs atommodel. I en atomkerne er der, for alle grundstoffer udover brint, mere end en proton. Da protoner har en positiv elektrisk ladning, vil de normalt frastøde hinanden ligesom to ens poler af magneter. Det sker ikke, da både protoner og neutroner er bundet sammen af en kraft, der hedder den stærke kernekraft. Kraften binder kernepartiklerne så stærkt sammen, at den overvinder den elektromagnetiske kraft, der ellers ville frastøde protonerne fra hinanden.

Den stærke kernekraft er den stærkeste af de fire kræfter på skalaer, der svarer til atomkernens størrelse. Der findes dog tilfælde, hvor en anden kraft overvinder den stærke kernekraft. Et eksempel på det, er dannelsen af et sort hul, som det står beskrevet i den uddybende beskrivelse.

Uddybende beskrivelse

De tre kvarker i en proton holdes sammen af den stærke kernekraft. (Harp, Wikimedia Commons).

Den stærke kernekraft beskriver binding mellem protoner og neutroner i atomkerner. Protoner og neutroner består af endnu mindre partikler, kaldet kvarker. Kvarkerne er bundet sammen af den stærke kernekraft, der både forhindrer kvarkerne i at bevæge sig væk fra hinanden, men også atomkernen i at blive presset tættere sammen, end den er. Alfastråling er et eksempel på, hvordan den stærke kernekraft dikterer fysikken på de mindste skalaer.

Den stærke kernekraft er så stærk, at hvis man forsøger at hive to kvarker fra hinanden, vil det kræve så meget energi, at der til sidst i stedet vil blive dannet to nye kvarker ud af den tilførte energi, så man ender med to kvark-par. Dette gør, at kvarker aldrig findes som enkelte partikler i naturen, men altid er bundet i partikler bestående af to eller tre kvarker. Dette er dog ikke helt sandt, da Heisenbergs ubestemthedsrelation viser, at partikler på korte tidsskalaer eller ved meget høje energier kan tillade sig at bryde med visse af fysikkens love. På den måde kan det lade sig gøre at skabe frie kvarker, men kun i meget kort tid og ved meget høje energier. Dette studeres bl.a. ved LHC, ved CERN.

Den svage kernekraft kan ligesom den stærke kernekraft og elektromagnetismen beskrives som en såkaldt kvantefeltteori. Det betyder bl.a., at man kan beskrive kraften med informationsbærende partikler. For den stærke kernekraft siger man, at informationen om kraften bliver sendt mellem to partikler af en partikel kaldet en gluon (limpartikel). Ved høje energier, som fx. ved partikelsammenstød i LHC på CERN kan man observere, at disse partikler opstår og henfalder. De kan ligesom kvarkerne aldrig eksistere alene i naturen.

Når tyngdekraften bryder den stærke kernekraft

Et sort hul kan dannes, når en stjerne udbrænder og kollapser. Hvis den døende stjerne er meget større end vores egen Sol, vil vægten af stoffet i den være så stor, at tyngdekraften bliver stærkere end både den svage og den stærke kernekraft. Det betyder for det første, at elektroner bliver presset ind i atomkernerne og omdanner protoner til neutroner. Hvis stjernen er tung nok, er trykket fra det sammenfaldende sted så stort, at selv kvarkernes binding ikke kan holde neutronerne adskilt. Dette resulterer i, at atomkernerne kollapser og der til sidst kommer til at være et legeme tilbage, som har al massen fra den enorme stjerne på mindre (ingen) plads end det, som kernerne fyldte.

Ask Emil Løvschall-Jensen

Emner