Atoma kodols
Gandrīz visa atoma masa ir koncentrēta kodolā, kura izmērs ir tikai daži femtometri. Kodolu veido protoni un neitroni — nukloni — un tā struktūru nosaka īsa darbības rādiusa kodolspēku, elektriskās atgrūšanās un kvantu efektu līdzsvars.
Nuklīda pieraksts skaidri parāda daļiņu skaitu
ᴬZX · N = A − Z
Pierakstā ᴬZX Z ir protonu skaits, A — kopējais nuklonu skaits, N=A−Z — neitronu skaits. Z maiņa dod citu elementu, bet N maiņa pie nemainīga Z — tā paša elementa izotopu.
Kodola izmērs aptuveni seko sakarībai R≈r0A1/3, kur r0 ir apmēram 1,2 fm. Tā kā tilpums tad pieaug aptuveni proporcionāli A, kodolvielas vidējais blīvums ļoti dažādiem kodoliem paliek līdzīgs. Tas saistīts ar stiprās kodolmijiedarbības īso darbības rādiusu un piesātinājumu. Smagos kodolos arvien nozīmīgāka kļūst elektrostatiskā atgrūšanās starp daudziem protoniem, tāpēc stabilitāti nenosaka tikai nukleonu skaits: svarīga ir neitronu un protonu attiecība, saites enerģija un kodola čaulu efekti.
Kodola izmēru mērogs
R ≈ r₀A¹ᐟ³ · r₀ ≈ 1,2 fm
Empīriski R≈r₀A^(1/3), kur r₀≈1,2 fm. Tā kā tilpums ir proporcionāls R³, daudzu kodolu vidējais blīvums ir līdzīgs. Palielinot A astoņas reizes, rādiuss palielinās tikai apmēram divas reizes.
Saistība un masas defekts
B = Δmc²
Saistītam kodolam miera masa ir mazāka nekā tiem pašiem protoniem un neitroniem, kas atdalīti bezgalīgi tālu. Masas defektam Δm atbilst saistības enerģija B=Δmc² — visas saistītās sistēmas īpašība.
Stabilitāti nenosaka viens skaitlis
Stabilitāti kopā nosaka neitronu/protonu attiecība, čaulu struktūra, pārošanās un pieejamie sabrukšanas kanāli. Liela saistības enerģija uz nuklonu nav tas pats, kas absolūta stabilitāte. Kodols aizņem ārkārtīgi mazu atoma tilpuma daļu.
A un Z ir veseli daļiņu skaiti, nevis masas kilogramos. Tas ir īpaši svarīgi masas defekta jēdzienā: saistīta kodola faktiskā masa nav vienkārši A reizināts ar vienu atommasas vienību. Arī stipra saistība nav absolūtas stabilitātes sinonīms; radioaktīvs sabrukums iespējams, ja ir pieejams gala stāvoklis ar mazāku kopējo enerģiju.
Atrisināti piemēri
1. Neitroni urānā-238
Risinājums. Z=92, A=238, tātad N=146.
2. Rādiusa mērogošana
Risinājums. Ja A palielinās 8 reizes, A^(1/3) dubultojas un R aptuveni dubultojas.
3. Masas defekta enerģija
Risinājums. 0,010 u masas defekts atbilst apmēram 9,32 MeV saistības enerģijas.
Mērogu atšķirība ir ļoti liela: pie A=125 kodola rādiuss no A¹ᐟ³ likuma ir tikai apmēram 6 fm, bet visa atoma izmērs parasti ir desmitiem tūkstošu femtometru. Tādēļ kodols aizņem ārkārtīgi mazu atoma tilpuma daļu, lai gan tajā koncentrēta gandrīz visa masa un viss pozitīvais lādiņš.