De vier natuurkrachten: Sterke kernkracht

Share Button

Alle natuurverschijnselen die we waar kunnen nemen worden veroorzaakt door vier (of misschien maar twee) krachten: de sterke kernkracht, de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. In dit begin van een nieuwe, korte, wekelijkse serie de sterkste natuurkracht die de moderne natuurkunde kent: de sterke kernkracht.

Welke rol spelt de sterke kernkracht?
Ondanks de vele positief geladen protonen in de atoomkern, blijven atoomkernen toch bij elkaar. Er moet een soort ‘lijm’ zijn die de kerndeeltjes bij elkaar houdt. Deze ‘lijm’ is de sterke kernkracht, althans: het overblijfsel van de sterke kernkracht die de drie quarks in protonen en neutronen bij elkaar houdt. Deze rest-aantrekking wordt Yukawa-potentiaal genoemd naar de ontdekker van de sterke kernkracht, de Japanse fysicus Hideki Yukawa. De sterke kernkracht zelf is twee ordes van grootte (rond de honderd keer) sterker dan de in sterkte daarna volgende kracht, de elektromagnetische kracht.

Animatie van de werking van de sterke kernkracht. Bron: Wikimedia Commons.

Animatie van de werking van de sterke kernkracht. Bron: Wikimedia Commons.

Wat is de sterke kernkracht?
De sterke kernkracht berust op de uitwisseling van ‘kleur’ tussen quarks. Zo kan een ‘rode’ quark in een ‘groene’ quark veranderen door de absorptie van een ‘antirood-groen’ gluon. Uiteraard hebben deze ‘kleuren’ hlemaal niets te maken met werkelijek kleuren, maar hun eigenschap dat ‘rood’ plus ‘groen’ plus ‘blauw’ kleurneutraliteit oplevert, komt wel overeen met die van werkelijke kleuren. Zo zit er in elk proton en neutron een ‘rode’, ‘groene’ en ‘blauwe’ quark.

Hoe gedraagt de sterke kernkracht zich?
De sterke kernkracht heeft de opmerkelijke eigenschap niet zwakker, maar extreem veel sterker te worden bij grotere afstand. Dit effect houdt de quarks in protonen en neutronen bij elkaar. Worden twee quarks verder uit elkaar getrokken, dan wordt het krachtveld zo energierijk dat uit het niets een quark-antiquark paar wordt geschapen, dat paren vormen met de twee oorspronkelijke quarks. Dit is te vergelijken met een stuk elastiek dat niet breekt, maar in twee stukken elastiek verandert als het uit elkaar getrokken wordt. Dit verschijnsel maakt het extreem moeilijk om individuele quarks aan te tonen.

Omdat de Yukawa-potentiaal een resteffect is, gedraagt deze zich anders dan je zou verwachten bij een normale, met de afstand minder wordende kracht. Netto hebben de twee kluwens quarks die we kennen als protonen en neutronen een aantrekkend effect op elkaar (de reden is dat ze elkaars onvolkomenheden uitbalanceren), een effect wat veel weg heeft van de Van der Waals kracht tussen elektrisch ongelijkmatig geladen atomen of moleculen. Dit effect is echter niet cumulatief. Naarmate atoomkernen zwaarder worden, is op een gegeven moment  de elektrische afstoting tussen de protonen zo sterk, dat het Yukawa-effect niet meer voldoende is om de afstoting op te heffen. De atoomkern wordt dan radioactief: het is dan een kwestie van tijd voor deze spontaan uit elkaar valt. Vroeger werd gedacht dat het element bismut het zwaarste stabiele chemische element was, maar nu is ontdekt dat ook bismut (zeer zwak) radioactief is. Lood wordt hiermee het  (voor zover bekend) stabielste chemische element.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

11 reacties

  1. Quest schreef:

    “Worden twee quarks verder uit elkaar getrokken, dan wordt het krachtveld zo energierijk dat uit het niets een quark-antiquark paar wordt geschapen”

    “uit het niets” … ??? 

    • Tim schreef:

      “Worden twee quarks verder uit elkaar getrokken, dan wordt het krachtveld zo energierijk dat uit het niets een quark-antiquark paar wordt geschapen”
      “uit het niets” … ??? 

      > Zijn dat dan virtuele deeltjes, dat quark-antiquark paar?

      • Lukas schreef:

        Nee, want voor virtuele deeltjes is geen energie nodig (ze zijn ‘off shell’)

        Je kan het je als volgt voorstellen: Het universum is lui, en zoekt toestanden op van minst mogelijke energie. Het kost gigantisch veel energie wanneer twee quarks ver uit elkaar gehouden worden. Met genoeg afstand kost het meer energie om de twee quarks aan elkaar te houden, dan het kost om gewoon twee nieuwe quarks te maken om de afstand te halveren. Het universum wil zo min mogelijk energie verspillen, en kiest dus ervoor om nieuwe quarks halverwege te plaatsen. Men zegt dan dat deze actie ‘energie-gunstiger’ is.

        Hopelijk kan je het je zo voorstellen. Zo niet, schroom niet om door te vragen.

  2. Tim schreef:

    Ok , maar quarks zijn de bestandsdelen van protronen en neutronen, die kunnen toch niet zomaar uit het niets komen? Of wordt er dan iets omgezet in een quark en anti-quark. Want anders zou het “elastiek” na het uitelkaar trekken 2x zo kort moeten zijn?

    • Lukas schreef:

      Je hebt alleen energie nodig om deeltjes te produceren. Er zijn geen grondstoffen nodig ofzo. Dus een gedeelte van de energie die in het ‘elastiek’ zat wordt omgezet in twee deeltjes, waardoor er minder energie in het elastiek zit. De totale hoeveelheid energie blijft hetzelfde, maar het is nu beter verdeeld door het in deeltjes te stoppen.

      • Tim schreef:

        Aha Dank u Lucas. Dus er wordt dan dus idd. iets (energy) omgezet naar quarks. Die komen dus niet uit het niets maar worden van de sterke kernkracht die sterker wordt naarmate de deeltjes verder verwijderd raken.  Zeg ik het zo een beetje goed?

        • Lukas schreef:

          Ja je zegt het goed. De energie waaruit de deeltjes gemaakt zijn komt uiteindelijk natuurlijk door het uit elkaar trekken van de deeltjes. Als je het weer met een elastiek vergelijkt: de energie van het elastiek komt door het uitrekken in de elastiek terecht.

          Er wordt dus geen energie toegevoegd of verwijderd uit het universum, maar wel uit het elastiek. Netto blijft energie altijd behouden.

  3. dubbeltje schreef:

    Een leuk moment voor mijn kleinste deeltje theorie:
    Het kleinste deeltje is heel klein, als je het vergelijkt met een foton dan is de verhouding dat als de foton zo groot als de aarde is dan is het kleinste deeltje zo groot als een voetbal. (die grootte varieert want het kleinste deeltje is vergelijkbaar met een ronde druppel “zeepsop” waarin zich een holte vormt, als bij een zeepbel).
    Die dingetjes kunnen door voorbijzoevende fotonen en andere “deeltjes” in werveling worden gebracht. Als het kleinste deeltje wordt ingedrukt (doordat ie bijvoorbeeld op een foton wordt meegenomen) wil ie weer uitzetten en slaat hiermee energie op.
    Als een kleinste deeltje met honderden tegelijk wordt ingedrukt ontstaan aanelkaar-gezogen “plaatjes”, het wil dan niet meer uitzetten maar vormt een soort zuignap waardoor verbindingen mogelijk zijn. In de wervelingen achter een foton ontstaan soms complexe constructies die samenklontering veroorzaken.
    Die samenklontering kan op den duur leiden tot de vorming van een foton of een quark (of onderdeel daarvan)

    Nou, er zullen ongetwijfeld makkelijk verklaarbare onjuistheden instaan maar ik denk dat ik redelijk snap hoe het werkt.

    • Lukas schreef:

      1) Wat bedoel je met ‘de grootte van een foton’? Hoe groot is een foton dan volgens jou? En waarom stel je een foton voor als een bol? Fotonen zijn 2-dimensionaal.

      2) Hoe kan een deeltje ingedrukt worden als het al het kleinste deeltje is? Alleen samengestelde objecten kunnen ingedrukt worden.

      3) Als fotonen bestaan uit jouw kleinste deeltje, en fotonen hebben spin-1, bestaat het kleinste deeltje dan uit meervouden van spin-1/2 deeltjes of meervouden van spin-1 deeltjes? Indien spin-1, dan kan het nooit zo zijn dat er ook quarks (spin-1/2) uit gevormd worden. We zullen dus moeten concluderen dat het spin-1/2 deeltjes zijn.
      Maar wat is dan de lading? Om quarks te vormen zal de lading 1/3 of -1/3 moeten zijn. Dus we hebben al twee deeltjes nodig hiervoor. Daarnaast, om de W-boson te vormen zijn dan meervouden van drie deeltjes nodig met lading 1/3, omdat een totale lading van 1 of -1 nodig is. Dit kan echter niet, want omdat een W-boson een spin-1 deeltje is, en jouw kleinste deeltje spin-1/2, moeten het aantal deeltjes een meervoud van twee zijn.
      Hoe kunnen er tegelijkertijd (meervouden van) 2 én (meervouden van) 3 deeltjes aanwezig zijn? We kunnen hier eenvoudig uit concluderen dat er meerdere kleinste deeltjes zouden moeten zijn. En dus kunnen we concluderen dat je theorie zoals jij hem stelt incorrect is, en als je hem weinig toe zou voegen.

  4. Tim schreef:

    “In de wervelingen achter een foton ontstaan soms complexe constructies die samenklontering veroorzaken.”
    Complexe construkties waarvan? Waar bestaan die wervelingen dan uit?  
     

  5. rob schreef:

    Uit onze waarneming, door te kijken creëert ons bewustzijn. Wij zijn ook universum.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger