Atomo branduolys
Beveik visa atomo masė sutelkta vos kelių femtometrų branduolyje. Branduolį sudaro protonai ir neutronai — nukleonai — o jo struktūrą lemia trumpojo nuotolio branduolinės sąveikos, elektrinio stūmos ir kvantinių efektų pusiausvyra.
Nuclido žymėjimas aiškiai parodo dalelių skaičių
ᴬZX · N = A − Z
Žymėjime ᴬZX Z yra protonų skaičius, A — visų nukleonų skaičius, o N=A−Z — neutronų skaičius. Keičiant Z gaunamas kitas elementas; keičiant N ir paliekant tą patį Z gaunamas to paties elemento izotopas.
Branduolio dydis apytikriai paklūsta ryšiui R≈r0A1/3, kur r0 yra apie 1,2 fm. Kadangi tūris tada didėja maždaug proporcingai A, vidutinis branduolinės medžiagos tankis labai skirtingiems branduoliams išlieka panašus. Tai siejama su trumpo nuotolio ir prisotinamąja stipriąja branduoline sąveika. Sunkiuose branduoliuose vis svarbesnė tampa elektrostatinė daugelio protonų stūma, todėl stabilumo nenulemia vien nukleonų skaičius: svarbus neutronų ir protonų santykis, ryšio energija ir branduolinių sluoksnių efektai.
Branduolio dydžio skalė
R ≈ r₀A¹ᐟ³ · r₀ ≈ 1,2 fm
Empirinis ryšys R≈r₀A^(1/3), kur r₀≈1,2 fm. Kadangi tūris proporcingas R³, daugelio branduolių vidutinis tankis yra panašus. A padidinus 8 kartus, spindulys padidėja tik maždaug 2 kartus.
Ryšys ir masės defektas
B = Δmc²
Surišto branduolio rimties masė mažesnė už tų pačių protonų ir neutronų masę, kai jie atskirti iki begalybės. Masės defektui Δm atitinka ryšio energija B=Δmc² — visos surištos sistemos savybė.
Stabilumo nenulemia vienas skaičius
Stabilumą kartu lemia neutronų ir protonų santykis, sluoksninė struktūra, poravimasis ir galimi skilimo kanalai. Didelė ryšio energija vienam nukleonui nėra absoliutaus stabilumo sinonimas. Branduolys užima itin mažą atomo tūrio dalį.
A ir Z yra sveikieji dalelių skaičiai, o ne masės kilogramais. Tai ypač svarbu kalbant apie masės defektą: tikroji surišto branduolio masė nėra tiesiog A padauginta iš vieno atominio masės vieneto. Be to, stiprus surišimas nėra absoliutaus stabilumo sinonimas; radioaktyvus skilimas galimas, jei egzistuoja pasiekiama mažesnės bendros energijos būsena.
Išspręsti pavyzdžiai
1. Neutronai urane-238
Sprendimas. Z=92, A=238, todėl N=146.
2. Spindulio mastelis
Sprendimas. A padidinus 8 kartus, A^(1/3) padvigubėja, todėl R maždaug padvigubėja.
3. Masės defekto energija
Sprendimas. 0,010 u masės defektas atitinka apie 9,32 MeV ryšio energijos.
Mastelių skirtumas ypač ryškus: kai A=125, pagal A¹ᐟ³ taisyklę branduolio spindulys yra tik apie 6 fm, o visas atomas paprastai siekia dešimtis tūkstančių femtometrų. Taigi branduolys užima labai mažą atomo tūrio dalį, nors jame sutelkta beveik visa masė ir visas teigiamas krūvis.