Atomska jezgra
Gotovo sva masa atoma koncentrirana je u jezgri promjera tek nekoliko femtometara. Jezgra sadrži protone i neutrone, koje zajedno nazivamo nukleonima, a njezina struktura odražava ravnotežu kratkodosežne nuklearne interakcije, električnog odbijanja protona i kvantnih učinaka.
Zapis nuklida jasno pokazuje brojeve
Zapis AZX sadrži broj protona Z i ukupan broj nukleona A. Broj neutrona je N = A − Z. Promjena Z mijenja element; promjena N pri istom Z daje drugi izotop istog elementa. Naboj jezgre je +Ze.
A i Z broje čestice; nisu mase izražene u kilogramima. Njima se opisuje sastav jezgre.
Provjeri sastav i veličinu jezgre
Ljestvica veličine jezgre
Korisna empirijska relacija jest R ≈ r₀A1/3, gdje je r₀ ≈ 1,2 fm. Budući da volumen raste kao R³, gustoća nuklearne tvari približno je slična za mnoge jezgre. Udvostručenje A ne udvostručuje polumjer.
Tipičan atom velik je oko 10⁵ fm, dok je polumjer jezgre tek nekoliko femtometara. Jezgra zato zauzima iznimno malen dio volumena atoma, ali sadrži gotovo svu njegovu masu.
Korisna usporedba mjerila: za A = 125 pravilo A^(1/3) daje polumjer jezgre oko 6 fm, dok je cijeli atom tipično velik nekoliko desetaka tisuća femtometara. Jezgra zato zauzima iznimno malen dio volumena atoma. Pokusi raspršenja mogu otkriti kompaktno pozitivno središte iako kemijsko ponašanje ponajprije određuje mnogo veći elektronski oblak.
Vezanje i defekt mase
Vezana jezgra ima manju masu mirovanja od istih protona i neutrona razdvojenih do beskonačnosti. Razlika Δm odgovara energiji vezanja B = Δmc². To je svojstvo cijelog sustava i ne znači da pojedini nukleoni gube svoj identitet.
Stabilnost ne određuje samo jedan broj
Važni su omjer neutrona i protona, ljuskasta struktura jezgre, sparivanje nukleona i dostupni kanali raspada. Jezgra može imati veliku energiju vezanja po nukleonu, a ipak biti radioaktivna ako je dostupno stanje niže energije.
„Snažno vezana“ nije isto što i „apsolutno stabilna“. Energija vezanja po nukleonu dobro pokazuje opće trendove, ali konkretan raspad ovisi o razlici energija stanja i kvantnoj vjerojatnosti prijelaza.
Stabilnost je rezultat nadmetanja interakcija. Kratkodosežna jaka interakcija veže bliske nukleone, dok Coulombovo odbijanje djeluje među protonima i s porastom Z postaje važnije. Sam broj nukleona ili sama energija vezanja zato nisu dovoljni za predviđanje stabilnosti određenog nuklida.
Riješeni primjeri
1. Neutroni u uranu-238
Za uran-238 je Z = 92 i A = 238. Koliko neutrona sadrži jezgra?
Rješenje
N = A − Z = 238 − 92 = 146.
2. Skaliranje polumjera
Kako se mijenja polumjer ako se A poveća osam puta?
Rješenje
Budući da R ∝ A1/3, vrijedi 81/3 = 2. Polumjer je zato približno dvostruko veći.
3. Energija defekta mase
Kolika energija vezanja odgovara defektu mase 0,010 u?
Rješenje
0,010 × 931,5 MeV ≈ 9,32 MeV.