Jupiterimages/Photos.com/Getty Images

Van de vier fundamentele krachten – sterk, zwak, elektromagnetisch en zwaartekracht – is de sterke kernkracht de krachtigste en verantwoordelijk voor het bij elkaar houden van de atoomkern. De invloed ervan is echter beperkt tot een extreem kort bereik, ongeveer de diameter van een typische kern.

Atoomkern en de sterke kracht

Elk atoom bestaat uit een kern omgeven door elektronen. In de kern worden protonen en neutronen door de sterke kracht met elkaar verbonden. Terwijl protonen een positieve lading hebben, zijn neutronen elektrisch neutraal. De sterke kracht trekt beide deeltjes aan en houdt ze bij elkaar, maar vervalt snel buiten de kern, zodat naburige atomen de aantrekkingskracht ervan niet voelen.

Sterke versus elektromagnetische krachten

Protonen stoten elkaar af door de elektromagnetische kracht, die over lange afstanden inwerkt. Zonder een andere interactie om deze afstoting tegen te gaan, zouden protonen uit elkaar worden gedwongen. Neutronen die geen lading hebben, ervaren deze afstoting niet. Wanneer een proton en een neutron binnen ongeveer een biljoenste van een millimeter (≈10⁻¹⁵m) komen, domineert de sterke kracht en binden de deeltjes zich.

Het deeltjesuitwisselingsbeeld

Het moderne begrip van de fundamentele krachten is dat ze voortkomen uit de uitwisseling van krachtdragende deeltjes. Massaloze fotonen bemiddelen in de elektromagnetische kracht, waardoor deze over oneindige afstanden kan werken. De sterke kracht wordt daarentegen gedragen door massieve pionen, waarvan de korte Compton-golflengte het bereik van de interactie beperkt tot de schaal van de femtometer.

Kernfusie in sterren

In stellaire kernen comprimeert de zwaartekracht waterstof en helium, waardoor druk ontstaat die protonen en neutronen dicht bij elkaar brengt. Wanneer ze dat doen, smelt de sterke kracht ze samen tot zwaardere kernen, waardoor energie vrijkomt. Kernfusie levert per massa-eenheid ongeveer tien miljoen keer meer energie op dan chemische reacties zoals het verbranden van steenkool of benzine.

Neutronensterren

Een neutronenster is het dichte overblijfsel dat overblijft nadat een massieve ster als supernova is geëxplodeerd. De gehele massa wordt samengeperst tot een volume van slechts een paar kilometer breed, waardoor een object ontstaat waarvan de dichtheid kan wedijveren met die van een atoomkern. Een theelepel neutronenstermaterie zou ongeveer tien miljoen ton wegen. Omdat in deze omgeving de sterke kracht domineert, worden alle protonen en neutronen samengedrukt, waardoor er geen atomen in de traditionele zin overblijven.

Als de sterke kracht over macroscopische afstanden zou inwerken, zou het materiaal op aarde instorten tot een compacte bol, ongeveer een paar honderd meter breed, met een massa die gelijk is aan die van de planeet.