แรงนิวเคลียร์

แรงนิวเคลียร์
ในการศึกษาการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาโดยรัทเทอร์ฟอร์ด ทำให้ทราบว่านิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าบวก การทดลองนี้ยังแสดงให้เห็นอีกว่าอนุภาคแอลฟาสามารถผ่านเข้าใกล้นิวเคลียสได้ใกล้มากที่สุดเป็นระยะทางประมาณ 3 ด 10-14 เมตร และจะเข้าใกล้มากกว่านี้ไม่ได้
ทั้งนี้เนื่องจากมีแรงระหว่างอนุภาคแอลฟาและนิวเคลียสผลักไว้ด้วยเหตุนี้จึงไม่สามารถหาขนาดของนิวเคลียสจากการทดลองนี้ได้ ในการที่จะให้อนุภาคเคลื่อนที่เข้าถึงนิวเคลียสได้ อนุภาคที่ใช้ในการยิงต้องไม่มีประจุไฟฟ้าและผลการทดลองช่วยให้เราสามารถสรุปได้ว่า นิวเคลียสมีลักษณะกลม (บางนิวเคลียสเป็นรูปไข่) และขนาดของนิวเคลียสขึ้นอยู่กับจำนวนนิวเคลียส ดังนี้ ถ้าให้ R เป็นรัศมีของนิวเคลียสที่มีเลขมวลหรือจำนวนนิวคลีออนเป็น A
จะได้ และ R = r0A1/3
ค่า r0 คือรัศมีนิวเคลียสของไฮโดรเจน มีค่าประมาณ 1.2 x 10-15 เมตร
สูตรนี้ทำให้รู้ว่า นิวเคลียสของไฮโดรเจนซึ่งมีเลขมวลเป็น 1 นั้น มีรัศมีเท่ากับ 1.2 ด 10-15 เมตร ส่วนนิวเคลียสของทองคำซึ่งมีเลขมวล 197 จะมีรัศมีเท่ากับ 7.0 x10-15 เมตร จะเห็นได้ว่า รัศมีของนิวเคลียสทั้งหลายมีค่าประมาณ 10-15 เมตร ราว 100 000 เท่า
ด้วยเหตุที่นิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก จึงทำให้แรงผลักทางไฟฟ้าระหว่างโปรตอนและโปรตอนในนิวเคลียสมีค่าสูงมาก และแรงผลักนี้มีค่ามากกว่าแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วงระหว่างโปรตอนด้วยกันเป็นอันมากด้วย แต่การที่นิวคลีออนสามารถยึดกันอยู่ในนิวเคลียสได้ แสดงว่ามีแรงอีกประเภทหนึ่งกระทำระหว่างประจุไฟฟ้า เรียกแรงนี้ว่า แรงนิวเคลียร์ (nuclear force) ในปัจจุบันเรารู้ว่าสูตรการหาแรงนิวเคลียร์ไม่ได้มีรูปแบบเดียวกับแรงผลักทางไฟฟ้าตามกฎของคูลอมบ์หรือแรงดึงดูดระหว่างมวลตามกฎความโน้มถ่วงของนิวตัน ในการพิจารณาความหนาแน่นของนิวเคลียส เนื่องจากนิวเคลียสมีรัศมีประมาณ 10-15 เมตร หรือมีปริมาตรประมาณ 10-45 ลูกบาศก์เมตร และมีมวลประมาณ 1018 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ความหนาแน่นนี้เมื่อเทียบกับความหนาแน่นของออสเมียม ซึ่งเป็นธาตุที่มีความหนาแน่นมากที่สุดคือ 2.25 x 104 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร จะเห็นว่าความหนาแน่นของนิวเคลียสมีค่าสูงกว่ามาก แสดงให้เห็นว่านิวคลีออนในนิวเคลียสจะต้องอัดตัวกันอยู่อย่างแน่นมาก และนั่นก็แสดงว่าแรงนิวเคลียร์จะต้องมีค่ามหาศาล