עבריתHE⌄
גרעין האטום
כמעט כל מסת האטום מרוכזת בגרעין שקוטרו כמה פמטומטרים בלבד. הגרעין מכיל פרוטונים ונייטרונים, הנקראים יחד נוקלאונים, ומבנהו נקבע מתחרות בין הכוח הגרעיני קצר הטווח, הדחייה החשמלית בין פרוטונים והשפעות קוונטיות. לכן המספר האטומי לבדו אינו מספיק כדי לתאר גרעין מסוים.
סימון נוקלידים מציג במפורש את מספרי החלקיקים
נוקליד נכתב בצורה ᴬZX. המספר האטומי Z הוא מספר הפרוטונים והוא קובע את היסוד; מספר המסה A הוא מספר הנוקלאונים הכולל, ולכן מספר הנייטרונים הוא N=A−Z. שינוי Z משנה את היסוד, ואילו שינוי N כאשר Z קבוע יוצר איזוטופ אחר של אותו יסוד. מטען הגרעין הוא +Ze ורוב מסת האטום מגיעה מן הנוקלאונים.
גודל הגרעין והצפיפות הגרעינית
רדיוס גרעיני מתואר בקירוב על ידי R = r₀A^(1/3), כאשר r₀≈1.2 fm. מכיוון שהנפח פרופורציוני ל־R³, הוא גדל בקירוב כמו A, וגם המסה גדלה בקירוב כמו A; מכאן שהצפיפות של חומר גרעיני כמעט קבועה עבור גרעינים רבים. קנה המידה הזה קטן מאוד מקנה המידה של כל האטום, שהענן האלקטרוני שלו גדול בעשרות אלפי פעמים בממד ליניארי. כדאי להשוות קני מידה: רדיוס אטומי טיפוסי הוא בערך 10⁻¹⁰ m, בעוד רדיוס גרעיני הוא בערך 10⁻¹⁵ m. אילו הגדלנו את הגרעין לגודל של כדור קטן, ענן האלקטרונים עדיין היה רחוק מאוד; רוב נפח האטום אינו המקום שבו מרוכזת המסה.
מחשבון נוקליד
הזינו A ו־Z כדי לחשב את N ואת הרדיוס המקורב.
הכוח הגרעיני ואנרגיית הקשר
הכוח הגרעיני החזק בין נוקלאונים הוא קצר טווח אך חזק מספיק כדי לקשור את הגרעין למרות הדחייה החשמלית בין הפרוטונים. מסת גרעין קשור קטנה מסכום מסות הנוקלאונים החופשיים המתאימים; הפרש המסה Δm קשור לאנרגיית הקשר B=Δmc². אנרגיית קשר לנוקלאון שימושית להשוואת מידת הקישור בין גרעינים שונים. עקומת אנרגיית הקשר לנוקלאון מגיעה לערכים גבוהים באזור הברזל והניקל. לכן היתוך של גרעינים קלים וביקוע של גרעינים כבדים יכולים לשחרר אנרגיה כאשר התוצרים נמצאים במצב קשור יותר לנוקלאון. אנרגיית קשר גבוהה יותר לנוקלאון אינה אומרת שכל תגובה אפשרית תתרחש מעצמה; יש לבדוק גם שימורי מטען, מספר נוקלאונים, אנרגיה ותנע, ולעיתים קיימים מחסומים קוונטיים שמאטים מאוד תהליך מותר אנרגטית.
יציבות, איזוטופים ורדיואקטיביות
לא כל שילוב של Z ו־N יציב. בגרעינים קלים היחס N≈Z נפוץ בקרב גרעינים יציבים, ואילו גרעינים כבדים זקוקים לעודף נייטרונים כדי למתן את השפעת הדחייה בין פרוטונים. איזוטופים לא יציבים יכולים לעבור דעיכת אלפא, בטא או גמא ותהליכים נוספים. דעיכה של גרעין יחיד אקראית, אך אוסף גדול מתואר סטטיסטית באמצעות זמן מחצית חיים וקבוע דעיכה. מפת הנוקלידים מראה שאין כלל יחיד של N/Z שמכריע יציבות. מבנה קליפות גרעיניות, זיווג נוקלאונים ואנרגיות הפרדה משנים את התמונה, ולכן עבור נוקליד ממשי משתמשים גם במסות מדודות ובערוצי דעיכה אפשריים.
דוגמאות פתורות
1. ספירת נייטרונים
פתרון
בפחמן-14, A=14 ו־Z=6, ולכן N=A−Z=8 נייטרונים. העובדה ש־Z=6 היא שמגדירה את הנוקליד כאיזוטופ של פחמן.
2. רדיוס מקורב
פתרון
עבור A=64, מתקבל R≈1.2×64^(1/3) fm=1.2×4≈4.8 fm. זהו קנה מידה אופייני ולא גבול קשיח וחד של הגרעין.
3. פגם מסה ואנרגיית קשר
פתרון
אם פגם המסה הוא Δm=0.010 u, אז B≈0.010×931.5 MeV≈9.32 MeV. ירידת המסה מתאימה לאנרגיה המשתחררת כאשר נוצר המצב הקשור.