Atomiydin
Lähes koko atomin massa on keskittynyt vain muutaman femtometrin kokoiseen ytimeen. Ydin koostuu protoneista ja neutroneista eli nukleoneista, ja sen rakenne syntyy lyhyen kantaman ydinvoiman, sähköisen hylkimisen ja kvantti-ilmiöiden kilpailusta.
Nuklidimerkintä tekee määrät näkyviksi
Merkinnässä ⁽ᴬ⁾₍Z₎X Z on protonien määrä, A nukleonien kokonaismäärä ja N=A−Z neutronien määrä. Z:n muuttuminen vaihtaa alkuainetta, N:n muuttuminen samalla Z:lla vaihtaa isotooppia.
A ja Z ovat lukumääriä, eivät kilogrammoina mitattuja massoja. Ytimen sähkövaraus on +Ze.
Ytimen kokoluokka
Empiirinen suhde R≈r₀A¹ᐟ³, r₀≈1,2 fm, kuvaa monia ytimiä. Koska tilavuus kasvaa R³:n mukaan, ydinaineen tiheys pysyy likimain samana laajalla A-alueella.
Jos A kasvaa kahdeksankertaiseksi, R kaksinkertaistuu. Ydin on silti äärimmäisen pieni verrattuna elektronipilven määräämään atomin kokoon.
Sidos ja massavaje
Sidotun ytimen massa on pienempi kuin samojen vapaiden protonien ja neutronien massojen summa. Erotus Δm vastaa sidosenergiaa B=Δmc².
Sidosenergia on energia, joka tarvitaan ytimen hajottamiseen vapaiksi nukleoneiksi. Massavaje on osa energia- ja massatasetta, ei aineen katoamista.
Stabiilisuus ei määräydy yhdestä luvusta
Neutroni–protoni-suhde, kuorirakenne, parittuminen ja protonien Coulomb-hylkiminen vaikuttavat stabiilisuuteen. Suuri B/A ei yksin takaa radioaktiivista stabiilisuutta.
Raskaissa ytimissä tarvitaan suhteellisesti enemmän neutroneja, ja tietyt kvanttimekaaniset kuoritäyttymät voivat tuoda lisästabiilisuutta.
Ratkaistuja esimerkkejä
1. Uraani-238
Z=92. Laske neutronit.
Ratkaisu
N=238−92=146.
2. Säde
A kasvaa kahdeksankertaiseksi.
Ratkaisu
R kasvaa 8¹ᐟ³=2-kertaiseksi.
3. Massavaje
Δm=0,010 u.
Ratkaisu
B≈0,010×931,5=9,32 MeV.
Tarkassa massalaskussa on erotettava massaluku A, mitattu atomimassa ja ytimen massa. Jos käytetään atomimassoja, elektronien massat ja elektronien sidosenergiat on käsiteltävä johdonmukaisesti. Massaluku kertoo koostumuksen, kun taas massavaje kertoo sidoksen energiasisällöstä.
Ydinfysiikan laskuissa määritelmät ja alku- sekä lopputilaan kuuluvat hiukkaset on pidettävä tarkasti erillään. Massaluku A on kokonaisluku, joka laskee nukleonit, kun taas taulukoitu atomimassa on mitattu massa, johon sisältyvät myös elektronit. Atomimassoja ja paljaiden ytimien massoja ei siksi saa sekoittaa ilman korjausta. Turvallinen menetelmä on kirjoittaa koko reaktio tai siirtymä, tarkistaa A, Z ja sähkövaraus ja vasta sen jälkeen tehdä massa- ja energiatase. Positiivinen Q-arvo kertoo, että lopputila on energisesti mahdollinen, mutta ei yksin prosessin nopeutta. Tunnelointi, heikko vuorovaikutus, sähkömagneettiset valintasäännöt ja käytettävissä olevat viritystilat määräävät todennäköisyyksiä. Mitattua säteilyä ja puoliintumisaikaa tulkitaan siis säilymislakien rinnalla, ei niiden korvikkeena.