Pasul 5 din „Drumul către fizica nucleară” — ghidul de orientare pentru elevii de liceu. Nivel: clasa a X-a.
De ce contează acest pas?
Acesta este pasul „cheie de boltă” al drumului nostru. Nucleul conține protoni înghesuiți la câțiva femtometri unul de altul — și toți au sarcină pozitivă, deci se resping. De ce nu explodează nucleul? Răspunsul complet vine la pasul 13, dar întrebarea se naște aici, la electrostatică. Cine calculează o singură dată forța dintre doi protoni la distanță nucleară nu mai uită niciodată de ce trebuie să existe forța nucleară tare.
Sarcina electrică
Sarcina electrică există în două feluri (pozitivă și negativă), iar sarcinile de același semn se resping. Sarcina este cuantificată: apare doar în multipli ai sarcinii elementare e = 1,6 × 10−19 C — sarcina protonului (+e) și a electronului (−e). Și, la fel ca energia și impulsul, sarcina totală se conservă în orice proces — inclusiv în toate reacțiile nucleare: sarcinile se contabilizează exact, de o parte și de alta a reacției.
Legea lui Coulomb
Forța dintre două sarcini punctiforme: F = k·q₁·q₂/r², cu k ≈ 9 × 109 N·m²/C². Seamănă izbitor cu legea atracției gravitaționale — tot cu 1/r² — dar este colosal mai puternică: respingerea electrică dintre doi protoni este de aproximativ 1036 de ori mai mare decât atracția lor gravitațională. În lumea nucleului, gravitația practic nu contează; electricitatea e regina — până când intră în scenă forța tare.
Câmpul electric
Sarcinile nu se ating ca să interacționeze: fiecare creează în jurul ei un câmp electric (E = F/q, măsurat în N/C sau V/m), iar celelalte sarcini „simt” câmpul în punctul unde se află. Ideea de câmp — o mărime definită în fiecare punct al spațiului — este una dintre cele mai importante din toată fizica: o veți reîntâlni la câmpul magnetic, la undele electromagnetice și, într-o formă mai abstractă, în fizica particulelor.
Puntea spre nuclear: calculul care naște o întrebare
Să punem doi protoni la distanța tipică din nucleu, r = 2 fm = 2 × 10−15 m: F = 9 × 109 × (1,6 × 10−19)² / (2 × 10−15)² ≈ 58 N. Aproape șase kilograme-forță — pe o particulă de 1,67 × 10−27 kg! Și totuși protonii stau „lipiți” în nucleu. Concluzia este inevitabilă: trebuie să existe o forță și mai puternică decât respingerea electrică, atractivă, cu rază scurtă de acțiune. Ea se numește forța nucleară tare — și tot ea explică de ce nucleele grele au nevoie de tot mai mulți neutroni (care „lipesc” fără să respingă) și de ce fuziunea cere temperaturi de milioane de grade (bariera Coulomb trebuie învinsă).
Verifică-te!
- Câți electroni formează o sarcină de −1 C?
- Ce forță se exercită între două sarcini de 1 μC aflate la 30 cm una de alta?
- Dacă distanța dintre două sarcini se dublează, de câte ori scade forța?
- Refaceți calculul respingerii dintre doi protoni la 2 fm. De câte ori e mai mare această forță decât greutatea unui proton (g ≈ 10 m/s²)?
- De ce nucleele mari (uraniu: 92 de protoni) au nevoie de mai mulți neutroni decât protoni (146 la U-238)?
Răspunsuri (deschide după ce ai încercat!)
1) n = 1/(1,6 × 10−19) ≈ 6,25 × 1018 electroni. 2) F = 9 × 109 × 10−12/0,09 = 0,1 N. 3) De 4 ori (legea 1/r²). 4) F ≈ 58 N; greutatea protonului ≈ 1,67 × 10−26 N → raportul ≈ 3,5 × 1027. 5) Protonii se resping electric la orice distanță din nucleu, dar forța tare „lipește” doar vecinii apropiați; neutronii adaugă „lipici” fără respingere — la nucleele mari echilibrul cere un surplus tot mai mare de neutroni.
⬅ Înapoi la „Drumul către fizica nucleară” · Pasul anterior: Termodinamică · Pasul următor: Energia potențială electrică, potențialul