Atomiydin

Koko, massa ja varaus

Atomiydin on atomin hyvin pieni ja tiheä keskiosa, jossa ovat protonit ja neutronit ja siten lähes koko atomin massa. Ytimen ominaisuudet syntyvät vahvan vuorovaikutuksen, protonien sähköisen hylkimisen ja nukleoneja koskevien kvanttisääntöjen yhteisvaikutuksesta.

Atomin tyypillinen mittakaava on noin 10⁻¹⁰ m, ytimen säde taas noin 10⁻¹⁵ m. Ydin vie siis vain äärimmäisen pienen osan tilavuudesta mutta sisältää lähes kaiken massan. Protoniluku Z määrää alkuaineen, neutroniluku N voi vaihdella isotoopeissa ja massaluku on A=Z+N. Ytimen kokonaisvaraus on +Ze.

Protonit hylkivät toisiaan Coulombin vuorovaikutuksella. Erittäin lyhyillä etäisyyksillä nukleonien välinen vahva vuorovaikutus on kuitenkin vetävä ja riittävän voimakas sitomaan ytimen. Sen kantama on lyhyt, joten hyvin suurissa ytimissä protonien pitkäkantamainen sähköinen hylkiminen alkaa vaikeuttaa vakautta.

Protonit ja neutronit ovat fermioneja ja täyttävät ytimen kvanttitiloja Paulin kieltosäännön mukaisesti. Kuorimalli ennustaa erityisen vakaita rakenteita niin sanotuilla maagisilla luvuilla. Ydinkuoret eivät ole samoja kuin elektronikuoret, mutta diskreettiset energiatasot ja kvanttiluvut ovat molemmissa olennaisia.

Sidotun ytimen massa on pienempi kuin samojen vapaiden protonien ja neutronien massojen summa. Erotus vastaa sidosenergiaa relation E=mc² kautta. Sidosenergia nukleonia kohti auttaa vertaamaan eri ytimiä ja selittää, miksi sekä kevyiden ytimien fuusio että hyvin raskaiden fissio voivat vapauttaa energiaa.