Como os prótons se mantém unidos no núcleo dos átomos?

No Universo, há quatro interações fundamentais que governam todos os fenômenos que acontecem. As quatro interações são a gravidade, o eletromagnetismo, a nuclear forte e a nuclear fraca. A mais conhecida é a interação gravitacional que é responsável por manter estruturas astronômicas como o Sistema Solar e galáxias. Já as outras são mais importantes na escala do micro.

No mundo do micro, ou seja, no mundo atômico, três dessas interações são extremamente importantes. A eletromagnética mantém os elétrons carregados negativamente orbitando o núcleo carregado positivamente. A nuclear fraca é responsável por certos tipos de decaimento radioativo. Já a nuclear forte é responsável por manter o núcleo dos átomos estável e, dessa forma, manter a matéria como conhecemos.

Como o próprio nome já, diz, a interação nuclear forte é a mais intensa das quatro interações fundamentais. Porém, a escala de atuação seja extremamente limitado às dimensões do núcleo atômico. Ela atua, principalmente, pra manter a coesão entre prótons e nêutrons que estão compactados no núcleo. Para entender como ela atua, é necessário entender suas partículas responsáveis como os glúons.

História

No início do século XX, o físico Ernest Rutherford descobriu que átomo possui um núcleo positivo. Essa descoberta gerou uma pergunta sobre como o núcleo conseguia se manter estável de forma que a interação eletromagnética não repelia os prótons. Com isso, nascia a necessidade da descoberta de uma nova interação que fosse responsável pela coesão do núcleo atômico de forma a vencer a interação eletromagnética.

Em 1935, o físico japonês Hideki Yukawa propôs a primeira teoria para essa nova interação ao estudar as interações que atuavam no núcleo. Ele postulou que os prótons e nêutrons trocam partículas entre si e essa troca seria a responsável pela força atrativa. Yukawa previu a existência de uma nova partícula, o méson, como o mediador dessa força. Esse trabalho rendeu a Yukawa o Prêmio Nobel de Física em 1949.

O que é a interação nuclear forte?

Tanto os prótons quanto os nêutrons são formados por partículas elementares chamadas de quarks. Cada próton e nêutron são compostos por 3 quarks que variam com spin up e spin down - os prótons possuem dois quarks up e um down e os nêutrons possuem dois quarks down e um up. Hoje, sabe-se que a interação forte é responsável por manter os quarks unidos dentro de prótons e nêutrons, e, indiretamente, acaba mantendo os prótons e nêutrons unidos

A interação é mediada por partículas chamadas glúons que funcionam como cola. Elas “colam” os quarks. Nessa interação também há a troca de mésons, partículas compostas por um quark e um antiquark, que é uma espécie de resíduo da interação forte. Além disso, a intensidade da interação forte é tão grande em curtas distâncias que impede a existência de quarks isolados.

Como ela atua?

A interação forte atua em distâncias extremamente curtas, dentro do tamanho do núcleo atômico. Dentro dessa distância, ela é a interação mais intensa da natureza, sendo cerca de 100 vezes mais forte que a eletromagnética. Um outro ponto é que a interação forte atua de forma oposta das outras interações: enquanto a gravitacional e eletromagnética são mais fracas com maior distância, a forte se intensifica quando a distância aumenta.

Uma analogia é que ela funciona como uma espécie de velcro que cola os quarks, quanto mais tenta desgruda, maior é a tensão. Essa propriedade é conhecida como confinamento de cor e é a razão pela qual quarks nunca conseguem ser separados uns dos outros e não ficam isolados. A energia necessária para separar quarks é tão grande que leva à criação de novos pares de quark-antiquark.

A importância da interação nuclear forte

A interação nuclear forte é extremamente importante porque é responsável por manter a matéria como a conhecemos. Sem a interação forte, os átomos seriam instáveis e dificilmente seria possível se juntar para criar átomos neutros ou moléculas. Além disso, a interação forte é a base da energia nuclear, utilizada em usinas para geração de eletricidade, por exemplo.

A energia liberada pela interação forte em reações nucleares é extremamente alta e com isso sendo um dos meios energéticos mais importantes. Um exemplo é que a energia de fusão nuclear é o combustível de estrelas, como o Sol, sendo importante para a estabilidade hidrostática das estrelas.