Tuumajõud

Feynmani diagramm prootoni ja neutroni vahelisest tugeva vastasmõju teisesest avaldumisest, tuumajõust, mida vahendab neutraalne piion. Graafikul liigub aeg vasakult paremale

Sama protsessi, mis ülemisel joonisel väljendav diagramm, millel on kuvatud osakeste kvarkkoostis, et näidata kuidas fundamentaalne jõud – tugev vastasmõju tekitab tuumajõu Sirged jooned on kvargid, mitmevärvilised ringid gluuonid (tugeva vastasmõju kandjad). Virtuaalsed gluuonid, mis hoiavad koos prootonit, neutronit ja nende vahel "lendavat" piionit on selguse huvides jäetud joonistamata

Tuumajõud on kahe või enama nukleoni vahel mõjuv jõud, mis hoiab koos aatomituuma. Tuumajõud põhineb tugeval vastastikmõjul, olles selle teisene, oluliselt nõrgem väljendus (samamoodi nagu van der Waalsi jõud on elektromagnetilise vastasmõju teisene väljendus). Kuigi tuumajõud on tugevast vastastikmõjust palju nõrgem (kui palju?), on ta siiski elektromagnetilisest jõust umbes sada korda tugevam, mistõttu suudab tuumajõu tõmbejõud ületada tuuma kuuluvate positiivselt laetud prootonite omavahelise tõukejõu. Kuna aga tuumajõu ulatus on väga väike ja väheneb kiiresti kauguse suurenedes, siis mõjub tuumajõud vaid otseste nukleonidest naabrite vahel. Selle tõttu on stabiilsete aatomituumade suurus piiratud. Soodsaima, madalaima võimaliku seoseenergiaga (nukleoni kohta) aatomituumad on raua (Fe 56) ja nikli (Ni 62) aatomituumad. Sellepärast on need ka väga stabiilsed. Aga kui tuum on liiga suur, siis teatud piiril ei suuda tuumajõud enam ületada elektromagnetilist prootonitevahelist tõukumist, tuumajõud ei suuda hoida tuuma koos ja tuum laguneb radioaktiivselt. Eraldub energia, vabaneb see, millise energia abil on vastav aatomituum moodustunud. Tekivad kergemate keemiliste elementide aatomituumad kuni tekib stabiilne tuum, kus tuumajõud ületab küllaldaselt prootonitevahelise tõukejõu. Sellepärast ei esinegi (Planeedi Maa) looduses ilma inimesepoolse tuumafüüsikalise sekkumiseta uraanist suurema prootonite arvuga aatomituumi.

Tuumajõu füüsikaline kirjeldus

Kuna nukleonid on neutraalse värvilaenguga, siis ei saa nende vahel olla tugevat vastasmõju (kuigi prootonid ja neutronid koosnevad kvarkidest, ei saa nad vahetada omavahel gluuoneid). Nukleonidevahelist jõudu vahendav osake peab ise olema samuti neutraalse, nii öelda valge värvilaenguga, kuid koosnema siiski kvarkidest, millel on värvilaeng.

Selline osake on meson (täpsemalt pi meson ehk piion). Seega on just (virtuaalsed) mesonid, mis koosnevad kvargist ning antikvargist, tuumajõu kandjateks. (Virtuaalne on selline osake, mis võib vastavalt määramatuse printsiibi piirides lubatuga rikkuda energia jäävust. Selline osake saab eksisteerida üksnes üliväikse aja jooksul ja liikumine ühest nukleonist naabernukleonini on just sobiv sellise üliväikse elueaga osakesele nagu virtuaalne piion.) Näiteks võib prooton (uud) luua vaakumist d-kvargi/antikvargi paari. Loodud paarist jääb d-kvark paigale ning üks prootoni u-kvarkidest moodustab d-antikvargiga mesoni π⁺. Prooton ise muutus selle tegevuse tagajärjel neutroniks (udd).

Tekkinud virtuaalne meson neelatakse mõne kõrvalasuva neutroni (udd) poolt. Neutronis olev d-kvark annihileerub d-antikvargiga "tagastades" u-kvargi/antikvargi paari loomiseks "laenatud" energia. Piionis olnud u-kvark jääb neutroni sisse, mis selle tegevusena muutus prootoniks (uud). Sama tulemuse annab neutroni kiiratud virtuaalse π^– neelamine prootoni poolt ja neutroni prootoni omavaheline π⁰de vahetus (kumbki nukleon kiirgab ühe π⁰ ja neelab teise). Viimane variant on kujutatud ka paremal asuval diagrammil.

Mesoni kui osakese olemasolu pakkus esimesena välja jaapani tuumafüüsik Hideki Yukawa, esitades oma hüpoteesi või teoreetilise seletuse nukleonidevahelise tuumajõu vahendamise kohta aatomituumas.

Tuumajõu omadused

Tuumajõud mõjuvad ainult hadronite (kvarkidest koosnevate valgete osakeste) vahel.

Väga väikeste vahemaade juures on tuumajõud tõukuv. Seetõttu hoiavad nukleonid tuumas teineteisest pisut eemale.

Tuumajõud on väga väikese mõjuraadiusega (ca 1,5 fm). Tuumajõu mõjuraadiusele seab piirid virtuaalse mesoni eluiga, mis ei tohi ületada määramatuse printsiibiga lubatud ajavahemikku, mille jooksul on kvargi-antikvargi paari loomiseks vajaliku energia "laenamine" võimalik. Alates 1,7 fm kahaneb tuumajõud täiesti märkamatuks.

Tuumajõud on laengust sõltumatu. Ta mõjub ühtviisi nii neutronite kui prootonite vahel. Tuumajõud sõltub sellest kas nukleonide spinn on paralleelne või antiparalleelne. Üldiselt on tuumajõuga ühendunud nukleonidel väiksem energia kui samadele nukleonidel, mis on üksteisest eraldi, tuumajõu mõjuraadiusest väljaspool. See väiksem energiapotentsiaal on see, miks nukleonide tugeva vastasmõju teisene avaldus tuumajõud aatomituumi koos hoiab, tehes võimalikuks stabiilsed aatomituumad ja sobivas energiavahemikus - keskkonnas, kus ei teki kergesti aine plasmaolek teevad stabiilsed aatomituumad võimalikuks stabiilsete aatomite ja stabiilsed molekulide tekke. Iseeneslikult lagunevad ebastabiilsed nukleonid radioaktiivse lagunemise kaudu stabiilseteks. Ikka sellepärast, et stabiilses olekus on tuuma seoseenergia võimalikult väike, minimaalne.