Por que os núcleos atômicos não explodem?

Nosso entendimento da estrutura dos átomos mudou bastante com o desenvolvimento da ciência. Mas com a descoberta do próton e a hipótese de que núcleos atômicos são formados por eles surge a pergunta: Por que os átomos são estáveis? Com tantas cargas elétricas positivas em um espaço tão pequeno elas não deveriam se repelir de maneira drástica?

Descontando efeitos quânticos, nós sabemos como calcular a força eletrostática entre duas cargas usando a lei de Coulomb.

Vamos considerar um átomo de hélio. Segundo um estudo do Paul Scherrer Institute, o tamanho de um núcleo de hélio é aproximadamente 1,7 femtômetros, vamos usar este valor como a distância entre prótons. Usando a lei de Coulomb chegamos que a força é de incríveis 80 N! Uma força macroscópica aplicada em um único próton!

Nós sabemos que átomos como o de hélio são estáveis, então como explicar o modelo atômico? A existência do próton é conhecida desde 1917, quando Rutherford percebeu que ao atingir átomos de alguns elementos como nitrogênio com um feixe de partículas alfa eram emitidos alguns núcleos de hidrogênio (isto é, prótons) que só poderiam ter vindo dos núcleos atômicos.

Deve existir uma força forte o suficiente para compensar a interação eletromagnética dos prótons, sendo mais forte que a própria interação eletromagnética pois caso contrário qualquer mínima interação poderia desintegrar o núcleo dos átomos.

E como os físicos são criativos, a interação é chamada de força forte. Em 1935, Hideki Yukawa (1907-1981) propôs que prótons e nêutrons interagem e que essa interação somente ocorre a curtas distâncias.

Em analogia à interação eletromagnética que ocorre quando partículas carregadas trocam fótons, Yukawa propôs que os nucleons (isto é, prótons e nêutrons) trocam uma partícula que ele chamou de méson. O motivo para a interação ter curto alcance era que diferente dos fótons, o méson de Yukawa tinha massa, sendo a massa estimada 200 vezes maior que a do elétron.

O nome méson vem do grego e significa intermediário. Isto porque a massa prevista era um meio termo entre a massa do elétron e a massa do próton.

Logo encontramos uma partícula que poderia ser o méson de Yukawa devido à sua massa, ele foi batizado de méson mu. Mas infelizmente suas outras características não concordavam com as previsões, hoje chamamos esta partícula de múon e o entendemos como uma espécie de elétron pesado.

Esta busca somente teve fim com a descoberta do méson Pi, devido ao trabalho do físico brasileiro César Lattes (1924-2005) analisando raios cósmicos usando chapas fotográficas. A descoberta do píon deu o prêmio Nobel de física de 1950 a Cecil Powell, que era chefe do laboratório onde Lattes trabalhava na universidade Bristol.

Hoje entendemos que a interação entre nucleon tem origem na interação forte, mas de forma indireta. Descobrimos que partículas como prótons e nêutrons são compostas de partículas mais elementares chamadas quarks, sendo o próton composto de dois quarks up e um quark down e o nêutron de um quark up e dois quarks down.

Quarks interagem através da interação forte pois possuem uma carga conhecida como cor. É esta interação que permite a eles formarem estruturas como os prótons e nêutrons. Diversas outras partículas podem ser formadas combinando três quarks e são coletivamente conhecidas como bárions.

Todas as estruturas formadas por quarks têm cor branca, isto é, são neutras para interação forte e por isto não vemos efeitos desta interação em longas distâncias. Mas em distâncias nucleares as interações fortes ainda são capazes de manter os núcleos atômicos estáveis e finalmente respondem a pergunta do motivo dos núcleos não explodirem devido a repulsão eletromagnética.

Referências e saiba mais:

[1] Size of helium nucleus measured more precisely than ever before, Barbara Vonarburg, ETH Zurich.

[2] The Strong Nuclear Force, Fermilab YouTube Channel.

[3] Strong Interaction: The Four Fundamental Forces of Physics, SciShow YouTube Channel.