Of je het nu hebt over de wrijvingskracht van je ski’s die over de sneeuw glijden, over de middelpuntzoekende kracht van een satelliet die om de aarde draait of over de kracht die kernfusie veroorzaakt: al deze krachten hebben hun oorsprong in de vier fundamentele natuurkrachten. Deze fundamentele krachten zijn de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de zwaartekracht.
Wat zijn de zwakke en de sterke kernkracht voor een krachten? De naam geeft al een beetje prijs: het gaat om krachten die spelen in de kern van atomen – op subatomair niveau. En je raadt het al: de sterke kernkracht is sterker dan de zwakke kernkracht. Tijd om eens wat dieper in te zoomen op deze interessante natuurkrachten.
Sterke kernkracht
Heb je er wel eens bij stilgestaan dat het eigenlijk best vreemd is dat de positief geladen protonen in de kern van bijvoorbeeld een heliumatoom zo netjes bij elkaar blijven zitten? Op basis van de elektromagnetische kracht zouden deze protonen elkaar eigenlijk moeten afstoten. Dat ze dit niet doen, is te danken aan de sterke kernkracht. Hiermee is meteen duidelijk dat de sterke kernkracht de elektromagnetische kracht overtreft!
| Relatieve grootte | Omschrijving | Deeltjes die kracht overbrengen | |
| Sterke kernkracht | 1040 | Houdt protonen en neutronen in de kern bij elkaar | Gluonen |
| Elektromagnetische kracht | 1038 | Krachten tussen geladen deeltjes | Fotonen |
| Zwakke kernkracht | 1015 | Speelt een rol in vervalprocessen | W- en Z-Bosonen |
| Zwaartekracht | 1 | Houdt materie op grote schaal bij elkaar | Gravitonen (hypothetisch) |
Figuur 2: Overzicht van de vier fundamentele natuurkrachten en hun eigenschappen.
Quarks
De sterke kernkracht zorgt ervoor dat protonen en neutronen in de atoomkern bij elkaar blijven, waardoor de atoomkern stabiel is. Maar deze kracht speelt ook al op nog kleinere schaal, namelijk binnen de protonen en neutronen in de atoomkern. De sterke kernkracht bindt namelijk de quarks waaruit protonen en neutronen bestaan aan elkaar.
Protonen en neutronen zijn allebei opgebouwd uit drie quarks. Er bestaan verschillende soorten quarks, ook wel verschillende ‘smaken’ genoemd. In een proton zitten twee up-quarks en één down-quark (uud) en in een neutron twee down-quarks en één up-quark (ddu). De up-quark heeft een positieve lading van +2/3 terwijl de down-quark een negatieve lading van -1/3 heeft. Dit betekent dat de nettolading van een proton +1 is, terwijl een neutron netto geen lading heeft.
Krachtdeeltjes
Als je het hebt over krachten, denk je al gauw aan de wetten van Newton en Coulomb. Maar voor het beschrijven van de kernkrachten bleken deze klassieke wetten niet geschikt. Daarom stellen natuurkundigen zich voor dat deze krachten worden overgebracht door speciale deeltjes, ijkbosonen genoemd. Deze bosonen zijn echter geen fysieke deeltjes, zoals een elektron of een proton. In de deeltjesfysica representeren deze ‘deeltjes’ de overdracht van de fundamentele natuurkrachten, het zijn een soort ‘krachtdeeltjes’. Bij elektromagnetische krachten zijn deze krachtoverbrengende deeltjes fotonen.
Hoe spelen deze krachtdeeltjes nu een rol bij de sterke kernkracht? Als je bijvoorbeeld kijkt naar een neutron – maar dit geldt ook voor een proton – dan wisselen de quarks in het neutron voortdurend onderling deeltjes uit. Deze krachtdeeltjes houden de quarks als een soort lijm bij elkaar. Daarom hebben deze deeltjes de naam gluonen gekregen – hierin zit het Engelse woord glue, dat lijm betekent. Gluonen zijn dus de bosonen die de sterke kernkracht overbrengen.
Opmerkelijk is dat als je de quarks in een proton of neutron verder uit elkaar zou proberen te trekken, de kracht hiertussen groter zal worden. De gluonen werken dus eigenlijk als een soort elastiekjes. Wonderlijk genoeg is het zo dat wanneer dat ‘elastiekje’ knapt, er aan beide uiteinden van het elastiekje weer een nieuwe quark zit. En wel op zo’n manier, dat de samengestelde deeltjes die je overhoudt altijd ‘kleurloos’ zijn – ze zijn samen kleurneutraal, zoals je hierna zult zien. Bizar toch?
Kleurlading quarks
Waar je bij elektromagnetische lading van deeltjes spreekt over positieve en negatieve lading, hebben natuurkundigen bij quarks afgesproken dat ze deze aangeven met drie kleuren: rood, groen en blauw. Een gluon verplaatst ‘kleurlading’ van de ene quark naar de andere en bindt de quarks op deze manier aan elkaar. De theorie die deze sterke wisselwerking tussen quarks en gluonen beschrijft, maakt onderdeel uit van de quantummechanica en noem je de quantumchromodynamica (QCD), oftewel de quantummechanica van de kleurkracht.
In een proton of een neutron moet een groepje quarks dat bij elkaar zit altijd kleurneutraal zijn – dit noem je ook wel ‘kleurloos’. Dat betekent dat bij de groep van drie quarks in een neutron één rode, één blauwe en één groene quark moet zitten. Je zou het kunnen vergelijken met positieve en negatieve lading: die trekken elkaar ook alleen maar aan als ze een tegengestelde lading hebben. Zo moeten hier de quarks tegengestelde ‘kleuren’ hebben.
De kleur van de quark ligt dus niet vast, maar kan wisselen. Dit komt omdat de gluonen - die zelf ook ‘gekleurd’ zijn - de quarks van kleur kunnen laten veranderen. Maar als de ene quark verandert van rood naar blauw, zullen de andere quarks zodanig van kleur moeten verwisselen dat gemiddeld genomen iedere quark in het neutron een andere kleur heeft. Zo blijven de quarks door de verschillende kleurladingen bij elkaar.
Atoomkern bij elkaar houden
Maar met alleen gluonen zijn we er nog niet. Waarom blijven de protonen en neutronen dan bij elkaar zitten? Dat komt omdat de sterke kernkracht die de quarks bij elkaar houdt zo sterk is, dat deze ook buiten de neutronen en protonen een rol speelt. Hierdoor houdt deze kracht zelfs de protonen en neutronen in de atoomkern bij elkaar.
Kracht tussen protonen en neutronen
Als je vanuit het binnenste van een neutron – dat uit drie quarks bestaat – verder uitzoomt en kijkt naar de atoomkern met hierin neutronen en protonen, dan speelt zich op deze grotere schaal weer wat anders af. De neutronen en protonen blijven in de atoomkern bij elkaar door pi-mesonen. Een pi-meson is een subatomair deeltje dat bestaat uit een quark en een anti-quark. Elk proton of neutron in een atoomkern zendt voortdurend van deze deeltjesparen uit, waarna een ander neutron of proton deze weer absorbeert. Bij het absorberen vindt er impulsoverdracht plaats in tegengestelde richting. Dit betekent dat het neutron dat het pi-meson absorbeert naar het proton getrokken wordt waar het pi-meson vandaan gekomen is.
Dat de impulsoverdracht in tegengestelde richting plaatsvindt, klinkt tegenstrijdig. Kijk je naar twee personen die een bal naar elkaar overgooien, dan ondervindt de werper een kracht naar achteren en de vanger ook. Ze worden dan juist uit elkaar geduwd. Dat dit bij pi-mesonen niet gebeurt, kan verklaard worden vanuit de quantummechanica. Tijdens de uitwisseling van pi-mesonen kun je namelijk niet spreken over een positie of impuls van het pi-meson, zoals je dat bij een bal die je werpt wel kunt. Wel kun je spreken over een kans dat een pi-meson een specifieke impuls heeft. Er is dus ook een kans dat wanneer een pi-meson een neutron (of proton) treft, deze impuls zodanig is, dat beide nucleonen naar elkaar toe bewegen.
Figuur 5: Proces van uitzenden en absorberen van deeltjesparen (pi-mesonen) die protonen en neutronen in de atoomkern bij elkaar houden. Bron: Wikimedia.
Effect sterke kernkracht
Wanneer merk je het effect van de sterke kernkracht? Dit zie je bijvoorbeeld bij kernfusie. Als atoomkernen bij elkaar in de buurt komen, dan zullen ze elkaar in eerste instantie afstoten door de elektromagnetische kracht. Pas als je het voor elkaar krijgt om ze zo dicht bij elkaar te krijgen dat ze in de invloedsfeer komen van de sterke kernkracht, dan is de kernkracht sterker dan de elektrische kracht. Hierdoor zullen de atoomkernen samensmelten: er is kernfusie opgetreden.
Zoals je hebt gezien oefent de sterke kernkracht zijn krachten alleen uit binnen atoomkernen. Het is razend knap dat wetenschappers hebben uitgedacht hoe deze sterke kernkracht werkt en dat ze dit ook experimenteel hebben kunnen aantonen. Ook in de Large Hadron Collider (LHC), deeltjesversneller in CERN hebben wetenschappers de sterke kernkracht rechtstreeks aangetoond. De wetenschappers in CERN hebben routinematig met de sterke kernkracht te maken wanneer er twee protonen op elkaar botsen. De sterke kernkracht is dan vaak zelfs een hindernis bij het begrijpen van andere onderliggende interessante botsingen die elementaire deeltjes met elkaar maken.
De sterke kernkracht houdt de protonen en neutronen in de atoomkern bij elkaar. Wat doet de zwakke kernkracht dan? Dat lees je in het artikel ‘Zwakke kernkracht doet wisseltruc’.
Met dank aan Auke-Pieter Colijn
