Ο ατομικός πυρήνας
Ο πυρήνας είναι ένα εξαιρετικά συμπαγές σύστημα πρωτονίων και νετρονίων που περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα του ατόμου. Η κλίμακα του είναι φεμτόμετρα, περίπου 10⁻¹⁵ m, σε σύγκριση με ατομική κλίμακα περίπου 10⁻¹⁰ m. Η σταθερότητα προκύπτει από ανταγωνισμό της μικρής εμβέλειας ισχυρή αλληλεπίδραση με την ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ πρωτονίων.
Z, N και A
Ο ατομικός αριθμός Z είναι ο αριθμός των πρωτονίων και καθορίζει το στοιχείο. Ο αριθμός νετρονίων είναι N και ο μαζικός αριθμός Α=Z+N.
Ισότοπα έχουν ίδιο Z αλλά διαφορετικό N. Η αλλαγή του πυρήνα μπορεί να αλλάξει ισότοπο ή στοιχείο, σε αντίθεση με την απλή ιονισμός που αλλάζει μόνο ηλεκτρόνια.
Κλίμακα μεγέθους
Εμπειρικά R≈r₀A^(1/3), με r₀≈1,2 fm. Επειδή ο ακτίνα αυξάνει με κυβική ρίζα του A, πολύ βαρύτερο πυρήνα δεν είναι αναλογικά πολύ μεγαλύτερο σε ακτίνα.
Για ²⁰⁸Pb, A^(1/3)≈5,9 και R≈7,1 fm. Για ¹⁶O, R≈3,0 fm.
Αποτέλεσμα
Αποτέλεσμα: fm
Σχεδόν σταθερή πυρηνική πυκνότητα
Αν R∝A^(1/3), τότε όγκος∝R³∝A. Εφόσον μάζα επίσης ζυγαριές περίπου με A, η μέση πυρηνική πυκνότητα είναι περίπου ίδια για πολλά πυρήνες.
Αυτό αντανακλά τον μικρής εμβέλειας και κορεσμός χαρακτήρα της πυρηνική αλληλεπίδραση: κάθε νουκλεόν αλληλεπιδρά ισχυρά κυρίως με κοντινούς γείτονες.
Ισχυρή δύναμη και Απόκρουση Κουλόμπ
Η ισχυρή αλληλεπίδραση μπορεί να δεσμεύσει πρωτόνιο-πρωτόνιο, νετρόνιο-νετρόνιο και πρωτόνιο-νετρόνιο σε πολύ μικρές αποστάσεις. Η Απόκρουση Κουλόμπ δρα μόνο μεταξύ των θετικά πρωτόνια και είναι μεγάλης εμβέλειας.
Σε βαριά σταθερούς πυρήνες χρειάζονται αναλογικά περισσότερα νετρόνια ώστε να προσφέρουν δεσμευτικό χωρίς πρόσθετη ηλεκτρική απώθηση.
Δεσμική ενέργεια και μαζικό ελάττωμα
Η μάζα ενός δεσμευμένος πυρήνας είναι μικρότερη από το άθροισμα των μάζες των ελεύθερων νουκλεόνια. Η διαφορά αντιστοιχεί στη δεσμευτική ενέργεια: E_b=Δmc².
Ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο είναι χρήσιμη για σύγκριση σταθερότητας και εξηγεί γιατί σύντηξη ελαφρών και σχάση πολύ βαριών πυρήνες μπορούν να απελευθερώνουν ενέργεια.
Πυρηνική κβαντική δομή
Οι πυρήνες έχουν διακριτά επίπεδα ενέργειας, περιστροφή και ισοτιμία. Εφέ κελύφους και ζευγάρωμα βοηθούν να εξηγηθούν ιδιαίτερα σταθερές διαμορφώσεις και αποκλίσεις από απλά τάσεις υγρών σταγόνων.
Ο εμπειρική ακτίνα δεν σημαίνει αιχμηρή συμπαγή επιφάνεια. Η πυρηνική πυκνότητα πέφτει σε πεπερασμένη περιοχή επιφάνειας και η πλήρης περιγραφή είναι πρόβλημα κβαντικού πολλών σωμάτων.
Πώς μετριέται το πυρηνικό μέγεθος
Το πυρηνική ακτίνα δεν μετριέται με οπτικό μικροσκόπιο. Σκέδαση ηλεκτρονίων, μιονικά άτομα και δεδομένα πυρηνικής αντίδρασης δίνουν πληροφορία για χρέωση ή κατανομές ύλης.
Το r₀A^(1/3) είναι εμπειρική παγκόσμια τάση. Πυρήνες φωτοστέφανου και πολύ εξωτικά ισότοπα μπορούν να αποκλίνουν αισθητά από μια απλή εικόνα με συμπαγή σφαίρα.
Λυμένο παράδειγμα
μόλυβδος-208
R≈1,2×208^(1/3) fm.
Λύση
R≈7,1 fm.
Οξυγόνο-16
R≈1,2×16^(1/3) fm.
Λύση
R≈3,0 fm.
Κλίμακα
Atom 10⁻¹⁰ m, πυρήνα 10⁻¹⁵ m.
Λύση
Η κλίμακα ακτίνας διαφέρει κατά περίπου 10⁵.