Sterke wisselwerking — definitie, werking en rol in atoomkernen
Sterke wisselwerking: heldere uitleg over kernkracht, gluonen, quarks en hoe deze fundamentele kracht atoomkernen bijeenhoudt.
De sterke wisselwerking of sterke kernkracht is een van de vier fundamentele krachten in de natuurkunde. Zij is verantwoordelijk voor het bijeenhouden van de bouwstenen van atoomkernen en speelt daarmee een centrale rol in de stabiliteit van materie zoals wij die kennen.
De plaats van de sterke wisselwerking tussen de fundamentele krachten
De andere fundamentele krachten zijn elektromagnetisme, de zwakke wisselwerking en gravitatie. Ze worden fundamenteel genoemd omdat er voor natuurkundigen geen eenvoudiger manier is om te beschrijven wat die krachten doen of hoe ze werken. Van die vier is de sterke wisselwerking de krachtigste: zij is vele malen sterker dan bijvoorbeeld de zwaartekracht (ongeveer 1038 keer sterker), maar ze werkt alleen over zeer korte afstanden van de orde van enkele femtometers (1 fm = 10−15 m).
Wat doet de sterke wisselwerking?
De sterke kernkracht houdt de meeste gewone materie bij elkaar op twee niveaus:
- Op subatomair niveau bindt zij quarks tot hadronen (zoals protonen en neutronen). Deze directe werking van de sterke interactie wordt vaak de kleurkracht genoemd.
- Op nucleair niveau houdt een resterende of 'residuele' sterke kracht de nucleonen in de atoomkern bij elkaar. Deze effectieve kracht tussen protonen en neutronen wordt vaak de kernkracht genoemd en heeft een bereik van ongeveer 1–3 fm.
Hoe werkt de sterke wisselwerking (QCD)
Volgens de theorie van de kwantumchromodynamica (QCD) wordt de sterke kracht overgebracht door gluonen. Gluonen binden quarks aan elkaar en kunnen zelf ook kleur dragen, waardoor ze onderling kunnen wisselwerken. In QCD is de kleurkracht een niet‑abeliaanse (SU(3)) veldtheorie met drie kleurvarianten voor quarks; quarks en gluonen dragen een kleurlading vergelijkbaar met elektrische lading, maar met een andersoortige wiskundige structuur.
Belangrijke eigenschappen van QCD:
- Asymptotische vrijheid: op zeer korte afstanden of bij hoge energieën wordt de koppeling zwakker, waardoor quarks zich vrijwel vrij bewegen (gezien in bijvoorbeeld diepe-inelastische verstrooiing en jets in deeltjesversnellers).
- Kleurbeperking (confinement): bij grotere afstanden neemt de effectieve kracht niet af zoals bij elektromagnetische krachten; het vergt steeds meer energie om quarks van elkaar te scheiden. In de praktijk leidt dat ertoe dat vrije quarks niet worden waargenomen: in plaats van een enkel quark verschijnen er nieuwe hadronen wanneer men genoeg energie toevoegt.
- Gluon‑zelfinteractie: omdat gluonen kleurlading dragen, wisselen gluonen onderling uit en beïnvloeden ze elkaar. Dit is een cruciaal verschil met fotonen in de elektromagnetische theorie, die geen elektrische lading dragen en elkaar daarom niet direct beïnvloeden.
- Renormalisatie en loopafhankelijkheid: de sterkte van de sterke wisselwerking (de koppeling) verandert met de energieschaal — de zogenaamde 'running coupling constant'.
De kernkracht tussen protonen en neutronen
De sterke interactie tussen nucleonen in de kern is een residu van de kleurkracht: hoewel quarks binnen nucleonen door gluonen worden bijeengehouden, werkt er buitenin een effectieve kracht die protonen en neutronen bindt. Klassiek werd deze kracht beschreven door Yukawa via de uitwisseling van mesonen (met name pions), en die benadering werkt goed om de bereik en vorm van de kernkracht te verklaren.
Kenmerken van die kernkracht:
- Kort bereik: typisch 1–3 fm.
- Zeer sterk op korte afstanden, maar met een repulsieve component op zeer korte afstanden (zorgt voor stabiliteit en voorkomt instorting van kernen).
- Isospin‑afhankelijk en stopt sterker bij neutrale paren; dit verklaart waarom sommige kernen stabiel zijn en andere niet.
Experimenteel bewijs en berekeningen
De eigenschappen van de sterke wisselwerking zijn bevestigd via verschillende experimenten en methoden:
- Diepte‑inelastische verstrooiing waarbij elektronen op protonen en neutronen worden geschoten, wat de aanwezigheid van puntachtige quarks aantoont.
- Deeltjesversnellers (bijv. CERN) die jets en hadronisatiepatronen laten zien; deze observaties illustreren kleurbeperking en gluon‑uitwisseling.
- Lattice QCD: numerieke simulatietechnieken op grote computers die veel eigenschappen van QCD en hadronmassa's direct kunnen berekenen.
Kosmologische en astrofysische consequenties
Bij extreem hoge temperaturen en drukken (zoals kort na de oerknal of wellicht in het centrum van zware neutronensterren) kunnen quarks en gluonen ontbonden raken in een quark‑gluonplasma. Onderzoek naar dit plasma (bijvoorbeeld in zwaarte-ionenbotsingen) helpt de overgang tussen geconfineerde hadronen en vrije quark‑gluonmaterie te begrijpen.
Praktische rol en toepassingen
De sterke wisselwerking bepaalt de bindingsenergie van kernen en daarmee processen als kernsplijting en kernfusie. Die processen leveren enorme hoeveelheden energie omdat kleine veranderingen in massa (massa‑verlies) worden omgezet in energie volgens E = mc2 — een direct gevolg van de sterke binding tussen nucleonen en quarks.
Samenvattend
De sterke wisselwerking is de kracht die quarks tot protonen en neutronen bindt en die als residu ook de atoomkern bijeenhoudt. Ze is fundamenteel, buitengewoon sterk op korte afstand, wordt beschreven door de kwantumchromodynamica en heeft unieke eigenschappen zoals asymptotische vrijheid en kleurbeperking. Dankzij deze kracht bestaat de stabiele materie waar ons heelal uit is opgebouwd.
Verder lezen en verwante begrippen: gluonen, quarks, kernkracht, deeltjesversnellers.
Kleur sterke kracht
De gekleurde sterke kracht is de sterke wisselwerking tussen de drie quarks waaruit een proton of neutron bestaat. Hij wordt de kleurenkracht genoemd omdat de sterke kracht, net als de elektromagnetische kracht, ladingen heeft. De elektromagnetische kracht heeft slechts één soort lading, die zowel positief als negatief kan zijn (magnetische ladingen zijn slechts langzaam bewegende elektrische ladingen), maar de sterke kracht heeft drie soorten ladingen. Deze drie soorten ladingen zijn genoemd naar kleuren: rood, blauw en groen. Ze hebben ook antikleuren: anti-rood, anti-blauw en anti-groen. Net als de positieve en negatieve ladingen van de elektromagnetische kracht, trekken verschillende kleuren elkaar aan, en stoten dezelfde kleuren elkaar af. Sommige deeltjes met kleurlading zijn quarks en antiquarks. Het type quark houdt helemaal geen verband met de kleurlading van die quark. Quarks zijn een van de kleinste deeltjes die momenteel bekend zijn. Ze nemen geen ruimte in omdat ze punten zijn, en het zijn de enige deeltjes die we nog niet hebben kunnen scheiden van andere deeltjes. Dat komt omdat de sterke kracht tussen deeltjes van nature sterker wordt naarmate de deeltjes verder van elkaar verwijderd zijn. De krachtdrager van de sterke kracht wordt het gluon genoemd. Gluonen hebben ook kleurlading. Zowel quarks als gluonen hebben eigenschappen die hen uniek maken ten opzichte van andere deeltjes, zoals beschreven in het Standaardmodel.
· 
De drie quarkkleuren (rood, groen, blauw). Ze combineren tot wit, of kleurloos
· 
De drie quark-antikleuren (antired, antigreen, antiblue). Zij combineren ook om kleurloos te zijn.
· 
De sterke kracht wordt verplaatst tussen een proton en een neutron door middel van gluonen
Kernkracht
De kernkracht, of resterende sterke kracht (de kracht die overblijft nadat de quarks bij elkaar zijn gehouden om hadronen te maken) is de (overgebleven) sterke kracht die werkt tussen hadronen (deeltjes gemaakt van quarks, zoals protonen en neutronen). Het is wat de kern van een atoom bij elkaar houdt.
Gerelateerde pagina's
Vragen en antwoorden
V: Wat zijn de vier fundamentele krachten in de natuurkunde?
A: De vier fundamentele krachten in de fysica zijn elektromagnetisme, de zwakke wisselwerking, gravitatie en de sterke kernkracht.
V: Waarin verschilt de sterke kernkracht van andere fundamentele krachten?
A: De sterke kernkracht is veel sterker dan de zwaartekracht (1038 keer sterker), maar werkt alleen over zeer korte afstanden van enkele femtometers (fm). Zij houdt subatomaire deeltjes zoals neutronen en protonen bij elkaar en houdt de atoomkern bij elkaar.
V: Wat is kwantumchromodynamica?
A: Kwantumchromodynamica (QCD) is een theorie die verschillende kleuren verklaart. Volgens deze theorie werkt de sterke kracht tussen quarks en gluonen.
V: Hoe werkt kleuropsluiting?
A: Kleurbeperking treedt op wanneer er zoveel energie nodig is om een quark te scheiden dat er in plaats daarvan nieuwe hadronen ontstaan. Dit verschijnsel is te zien in deeltjesversnellers.
V: Welke deeltjes hebben een kleurlading?
A: Quarks, antiquarks en gluonen dragen allemaal een kleurlading die vergelijkbaar is met elektrische lading.
V: Hoe interageren deeltjes met kleurlading met elkaar?
A: Deeltjes met kleurlading wisselen onderling gluonen uit, net zoals deeltjes met elektrische lading onderling fotonen uitwisselen.
V: Wat gebeurt er als twee hadronen, bestaande uit quarks, met elkaar reageren?
A: Wanneer twee uit quarks bestaande hadronen met elkaar in wisselwerking staan, staat dit effect van de sterke kracht bekend als de kernkracht (die niet fundamenteel is).
Zoek in de encyclopedie