Một khi các nhà vật lí nhận ra hạt nhân gồm có những proton tích điện dương và neutron không mang điện, họ lại có trong tay một vấn đề phải giải quyết. Lực điện giữa các proton đều là lực đẩy, nên hạt nhân phải dễ dàng bay tản ra từng mảnh! Lí do mà mọi hạt nhân trong cơ thể bạn không nổ tung tức thời tại thời điểm này là còn có một lực khác nữa tác dụng. Lực này, gọi là lực hạt nhân mạnh, luôn luôn là lực hút, và tác dụng giữa neutron với neutron, neutron với proton, và proton với proton với độ lớn xấp xỉ bằng nhau. Lực hạt nhân mạnh không có bất kì tác dụng nào lên electron, đó là lí do tại sao nó không ảnh hưởng tới các phản ứng hóa học.
q/ Lực hạt nhân mạnh đột ngột rất mạnh khi khoảng cách dưới 1 fm.
Không giống như lực điện, lực có độ lớn cho bởi định luật Coulomb có dạng đơn giản, không có công thức đơn giản nào cho mức độ mà lực hạt nhân phụ thuộc vào khoảng cách. Nói đại khái, nó phát huy tác dụng trong ngưỡng ~ 1 fm, nhưng giảm cực kì nhanh ở
những khoảng cách lớn hơn (nhanh hơn 1/r2 nhiều). Vì bán kính của một neutron hay proton là vào khoảng 1 fm, nghĩa là khi một bó neutron và proton gói chặt vào nhau để hình thành nên hạt nhân, nên lực hạt nhân mạnh chỉ hiệu quả giữa những hạt lân cận.
Hình r minh họa cách thức lực hạt nhân mạnh tác dụng để giữ hạt nhân bình thường lại với nhau, nhưng nó không thể giữ hạt nhân rất nặng khỏi bị phá vỡ thành từng phần. Trong hình r/1, một proton ở giữa một hạt nhân cacbon cảm nhận lực hạt nhân mạnh (các mũi tên) hút từ những lân cận gần nhất của nó. Các lực đó đều có hướng khác nhau, và có xu hướng triệt tiêu nhau. Điều tương tự cũng đúng cho các lực điện đẩy (không chỉ trong hình). Trong hình r/2, một proton ở rìa của hạt nhân chỉ có các lân cận ở một phía, và do đó tất cả lực hạt nhân mạnh tác dụng lên nó có xu hướng hút nó trở vào. Mặc dù tất cả lực điện từ năm proton kia (mũi tên đen) đều đẩy nó ra khỏi hạt nhân, nhưng chúng không đủ để thắng được lực hạt nhân mạnh.
r/1. Các lực triệt tiêu nhau. 2. Các lực không triệt tiêu nhau. 3. Trong một hạt nhân nặng, số lượng lớn lực đẩy điện có thể thêm một lực so sánh được với lực hạt nhân mạnh.
4. Phát xạ alpha. 5. Sự phân hạch.
Trong một hạt nhân rất nặng, r/3, một proton ở rìa chỉ có vài lân cận đủ gần để hút nó đáng kể thông qua lực hạt nhân mạnh, nhưng mỗi proton khác trong hạt nhân tác dụng một lực đẩy điện lên nó. Nếu hạt nhân đủ lớn, thì lực đẩy điện tổng hợp có thể đủ để thắng được sức hút của lực mạnh, và hạt nhân có thể nhả ra một proton. Tuy nhiên, sự phát xạ proton khá hiếm; loại phân rã phóng xạ phổ biến hơn ở hạt nhân nặng là phân rã alpha, minh họa trong hình r/4. [Phân rã alpha phổ biến hơn vì hạt alpha là sự sắp xếp rất bền của các neutron và proton]. Sự không cân bằng lực tương tự như trên, nhưng kẻ bị phóng ra là hạt alpha (hai proton và hai neutron) chứ không phải một proton.
Hạt nhân cũng có khả năng tách thành hai mảnh có kích thước xấp xỉ bằng nhau, r/5, một quá trình gọi là sự phân hạch. Lưu ý là ngoài hai mảnh vỡ lớn, còn có một chùm neutron riêng lẻ. Trong quả bom phân hạch hạt nhân hoặc lò phản ứng phân hạch hạt nhân, một số neutron này bay ra và va chạm với hạt nhân khác, làm cho chúng cũng chịu sự phân hạch. Kết quả là một phản ứng dây chuyền.
Khi một hạt nhân có thể chịu một trong những quá trình này, người ta nói nó có tính phóng xạ và chịu sự phân rã phóng xạ. Một số hạt nhân xuất hiện tự nhiên trên Trái Đất có tính phóng xạ. Thuật ngữ “phóng xạ” có nguồn gốc từ hình ảnh của Becquerel về những tia phát ra từ một thứ gì đó, chứ không phải từ sóng vô tuyến, chúng là một hiện tượng hoàn toàn khác. Thuật ngữ “phân rã” cũng có thể hơi dễ nhầm lẫn, vì nó ám chỉ hạt nhân chuyển hóa thành bụi hay dễ dàng biến mất – thật ra thì nó tách thành hai hạt nhân
mới với cùng tổng số proton và neutron, nên thuật ngữ “biến đổi phóng xạ” sẽ thích hợp hơn. Mặc dù các electron của nguyên tử gốc chỉ là khán giả trong quá trình phân rã phóng xạ yếu, nhưng chúng ta thường nói kém chặt chẽ là “nguyên tử phóng xạ” chứ không nói “hạt nhân phóng xạ”.
Sự ngẫu nhiên trong vật lí học
Làm sao một nguyên tử quyết định khi nào thì phân rã ? Chúng ta có thể tưởng tượng điều đó giống như một ngôi nhà bị mối mọt phá hoại càng ngày càng suy yếu đi, cho đến cuối cùng thì đến cái ngày trù định nó sẽ đổ sập xuống. Tuy nhiên, các thí nghiệm đã không thành công trong việc phát hiện “chiếc đồng hồ tíc tắc” như thế nằm dưới nền nhà; bằng chứng là mọi nguyên tử của một đồng vị cho trước là hoàn toàn đồng nhất. Tại sao một nguyên tử uranium lại phân rã vào lúc này, trong ngày hôm nay, còn nguyên tử kia thì sống thêm hàng triệu năm nữa ? Câu trả lời có vẻ nó là hoàn toàn ngẫu nhiên. Chúng ta có thể phát biểu chung chung về thời gian trung bình cần thiết cho một đồng vị nhất định phân rã, hay cần bao lâu cho phân nửa số nguyên tử trong một vật phân rã (chu kì bán rã của nó), nhưng chúng ta chưa bao giờ có thể tiên đoán được hành vi của một nguyên tử nhất định.
Đây là ví dụ đầu tiên mà chúng ta gặp phải của sự ngẫu nhiên không thể tránh được trong các định luật vật lí. Nếu sự ngẫu nhiên này khiến cho bạn bực bội, hẳn bạn là một kẻ nghiêm túc. Câu nói nổi tiếng của Einstein là “… tôi bị thuyết phục rằng Ông ta (Chúa) không chơi trò xúc xắc”. Sự không ưa tính ngẫu nhiên của Einstein, và sự liên tưởng của ông về tính quyết định luận với thần thánh, quay lại với quan niệm thời kì Khai sáng xem vũ trụ là một bộ máy khổng lồ chỉ được đưa vào chuyển động ban đầu bởi Đấng sáng tạo. Vật lí học phải được xây dựng lại toàn bộ trong thế kỉ thứ 20 để hợp nhất với tính ngẫu nhiên cơ bản của vật lí, và cuộc cách mạng hiện đại này là chủ đề của quyển thứ sáu trong loạt bài giảng này. Đặc biệt, chúng ta sẽ gác lại sự phát triển của khái niệm chu kì bán ra cho đến lúc ấy.