Atomiydin
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.
Koko, massa ja varaus
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.
Miksi ydin pysyy koossa
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.
Ytimen kvanttirakenne
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.
Massavaje ja sidosenergia
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.
Neutroni-protoni-tasapaino
Kevyissä vakaissa ytimissä N ja Z ovat usein lähellä toisiaan. Z:n kasvaessa tarvitaan suhteellisesti enemmän neutroneja, jotka osallistuvat vahvaan sidokseen lisäämättä sähköistä hylkimistä. Vakausalueesta kaukana olevat ytimet voivat muuttaa N/Z-suhdettaan radioaktiivisilla hajoamisilla.
Ydinsäde ja lähes vakio tiheys
Sirontakokeet antavat likimääräisen lain R≈r₀A^(1/3). Tällöin ytimen tilavuus on verrannollinen A:han ja ydinainetta kuvaava keskimääräinen tiheys pysyy monilla ytimillä lähes vakiona. Tämä liittyy vahvan vuorovaikutuksen lyhyeen kantamaan ja kyllästymiseen.
Miten ytimiä tutkitaan
Ydintä ei kuvata tavallisella valolla pienenä pallona. Sen kokoa ja rakennetta päätellään elektronien ja hiukkasten sironnasta, massaspektrometriasta, gammaspektroskopiasta ja ydinreaktioista. Energiatasot, spinit, pariteetit ja eliniät toimivat havaintoina, joilla malleja testataan.
Mitä ydinkuva selittää
Ydinrakenne yhdistää isotooppien massat, radioaktiivisuuden, reaktioenergiat ja tähtien nukleosynteesin. Yhtä yksinkertaista mallia ei silti pidä käyttää kaikkeen: kuorirakenne, ytimen muodonmuutos ja kollektiiviset värähtelyt voivat kaikki näkyä saman ytimen havaituissa tiloissa.
Harjoitus
Kahdella isotoopilla on sama protoniluku mutta eri neutroniluku. Ovatko ne samaa alkuainetta ja mikä niissä muuttuu?
Ratkaisu
Kyllä. Alkuaine määräytyy protoniluvusta Z. Isotoopeilla on eri neutroniluku ja siksi eri massaluku, ydinmassa ja usein myös erilainen stabiilisuus.