Força forte - Coesão e estabilidade do núcleo atômico

• Força gravitacional
• Força eletromagnética
• Força fraca

A força eletromagnética é repulsiva nos casos em que as partículas possuem o mesmo sinal. A partir desse fato, o que deveria acontecer com o núcleo atômico, sendo que ele é basicamente constituído de nêutrons (que não possuem cargas elétricas) e prótons (que possuem cargas elétricas positivas)?

A resposta é que os prótons deveriam se repelir e, dessa forma, o núcleo perderia sua coesão e estabilidade, de maneira que não teríamos nenhum tipo de matéria, já que tudo é constituído de átomos que, por sua vez, são formados também por prótons, além de outras partículas.

Mas observamos que isso não ocorre: o núcleo (ainda bem!) dos átomos permanece coeso e estável. O que ocorre então?

A força eletromagnética existe e realmente tende a provocar o afastamento dos prótons. Portanto, a justificativa para eles não se afastarem só pode ser a existência de uma força mais intensa, que aja em sentido contrário ao da força eletromagnética. Essa força, responsável pela coesão e estabilidade do núcleo atômico, é conhecida como força forte.

Iwanenko, Heisenberg, Majorana e Yukawa

A primeira proposta para explicar a estabilidade do núcleo por meio de uma força atrativa mais intensa que a força repulsiva eletromagnética foi feita de forma independente pelos físicos Dimitri Iwanenko, da Rússia, Wener Heisenberg, da Alemanha e Ettore Majorana, da Itália, quando, em 1932, propuseram que o núcleo apresentava seus componentes (prótons e nêutrons) como partículas únicas chamadas núcleons.

Em 1935, Hideki Yukawa, do Japão, apresentou a ideia de que essa força de coesão nuclear entre os núcleons tinha como origem a troca de partículas entre eles. Com esse modelo, além das partículas elementares conhecidas até então (prótons, elétrons e nêutrons), a matéria passaria a ser constituída também por outras partículas, responsáveis pela mediação da força forte.

Yukawa, utilizando o princípio da incerteza, previu que essa partícula teria uma massa cerca de 200 vezes maior que a massa do elétron. Por ser uma massa entre a do elétron e a do próton, ela ficou inicialmente conhecida como mesótron.

Pelas previsões de Yukawa, o raio de ação dessas partículas é da ordem de 10^-15 m, portanto, restringe-se a núcleos atômicos - e não é observada sua ação fora destes. Com essa distância conhecida e sabendo que as partículas tinham velocidades próximas a da luz, Yukawa conseguiu, durante as interações, determinar o tempo de interação, obtendo o valor de 10^-23 s.

Essa partícula proposta pelo modelo de Yukawa só foi detectada em 1947, em um trabalho que envolveu vários físicos, dentre os quais o brasileiro César Lattes. Desde então, a partícula passou a ser chamada de méson PI ou píon ($$\pi$$).

Podemos afirmar, portanto, que a partícula mediadora da força forte é o píon ou mesón pi.

Com as trocas de píons, podemos ter as seguintes situações: um próton emitindo um píon mais ($${\pi }^{+}$$) transforma-se em um nêutron, já que perde sua carga positiva; um nêutron emitindo um píon menos ($${\pi }^{-}$$ ) transforma-se em um próton, já que fica com uma carga negativa a menos. Os nêutrons também podem trocar píons entre si, o mesmo ocorrendo com os prótons, porém, nesses casos, a carga do píon será nula e teremos o píon zero ($${\pi }^0$$ ). Observe-se que, em todos esses casos, a conservação das cargas elétricas é respeitada.

Essa força atrativa de coesão do núcleo que existe em escalas de 10^-15 m até 10^-18 m, cuja partícula mediadora é o píon, hoje é conhecida como força forte residual.

Teoria da Cromodinâmica Quântica

A existência dos píons e outras partículas, descobertas nos anos seguintes, principalmente com pesquisas em aceleradores de partículas, colocou em xeque a ideia de que as partículas elementares seriam os prótons, elétrons e nêutrons. Além disso, até meados de 1970 não existia uma teoria capaz de explicar de forma eficaz os fenômenos nucleares até então conhecidos. Surgiu então a Teoria da Cromodinâmica Quântica, que apresenta o modelo dos quarks e glúons coloridos.

O surgimento de novas partículas, que apresentavam praticamente as mesmas propriedades, permitiu aos cientistas agrupá-las em uma mesma família, denominada hádrons (que significa "forte", "robusto", em grego), cujas interações ocorrem sempre pela força forte.

Murray Gell-Mann, norte-americano, e George Zweig, russo, propuseram de forma independente que as partículas dessa família (os hádrons) eram constituídas de partículas ainda menores, chamadas quarks. Seria uma forma mais simples de descrever a natureza, evitando uma quantidade gigantesca de novas partículas encontradas até então.

De acordo com esse modelo, os prótons e os nêutrons são constituídos por três quarks e recebem o nome de bárions (que significa "pesado" em grego). Já as partículas como os píons seriam constituídas por dois quarks (quark - antiquark), e recebem a denominação de mésons. Esses quarks podiam se apresentar em três versões, chamadas de sabores (aqui a palavra sabor foi escolhida sem associação ao seu significado corrente, servindo apenas para representar características e propriedades diferentes dos quarks): up ($$\mathit{\text{u}}$$ ), down
($$\mathit{\text{d}}$$) e strang ($$\mathit{\text{s}}$$). A esse modelo ainda foram acrescentados mais três sabores: charm ($$\mathit{\text{c}}$$), detectado em 1974, bottom ($$\mathit{\text{b}}$$ ), detectado no final da década de 70, e top ($$t$$), detectado em 1995, totalizando seis sabores.

Em 1964, Oscar W. Greenberg, físico norte-americano, para solucionar um problema no modelo dos quarks, propôs que eles apresentam uma propriedade quântica denominada carga de cor. A palavra carga de cor aqui não tem nenhuma correlação com as cargas elétricas e nem com as cores do espectro visível da luz. A ideia é apresentar uma propriedade quântica diferente dessas partículas. Assim, cada sabor dos quarks pode existir com cargas de cor vermelha, verde ou azul (red, green e blue, respectivamente em inglês).

A interação que ocorre entre os quarks pela carga de cor tem alcance muito curto (da ordem de 10^-18 m) e é atrativa. A partícula mediadora dessa força atrativa é o glúon (que em inglês remete à ideia de "cola"). Os glúons são responsáveis pela união dos quarks, que formam os prótons e os nêutrons. Existem várias evidências indiretas da existência dos glúons, mas tais partículas ainda não foram detectadas experimentalmente.

A força que une os quarks é tão intensa que um quark nunca foi observado isoladamente, fenômeno que recebe o nome de confinamento. Na prática, quando se tenta separar dois quarks, a energia utilizada é tão grande que acaba criando um par quark/antiquark, em vez de separá-los. No entanto, existem previsões de que, num estado de temperaturas extremas e altíssimas densidades, os quarks podem ser encontrados numa fase não-confinada.

Essa força atrativa responsável pela união dos quarks e pela estabilidade do próton, existindo em espaços de 10^-18 m, cuja partícula mediadora é o glúon, hoje é conhecida como força forte fundamental.

A força forte é cerca cem vezes (10²) maior que a força eletromagnética.