Atoomkern
Bijna alle massa van een atoom zit in een kern van slechts enkele femtometer. Protonen en neutronen — de nucleonen — worden gebonden door een kortbereik-kerninteractie, terwijl elektrische proton-protonafstoting en kwantumstructuur de stabiliteit mede bepalen.
Nuclidennotatie houdt de aantallen expliciet
In de notatie ᴬZX is Z het aantal protonen en bepaalt het element; A is het totale aantal nucleonen; N = A − Z is het aantal neutronen. Kernen met hetzelfde Z maar verschillend N zijn isotopen van hetzelfde element. Zo blijft chemische identiteit onderscheiden van isotopische massa.
De schaal van de kernstraal
R ≈ r₀A1/3, r₀ ≈ 1,2 fm
Een nuttige benadering is R ≈ r₀A¹ᐟ³ met r₀ ≈ 1,2 fm. De straal groeit met de derdemachtswortel van het aantal nucleonen: A acht keer zo groot maakt R slechts twee keer zo groot. Dat wijst op een ongeveer constante kerndichtheid voor veel kernen. De kernkracht is kortbereik en ongeveer verzadigend, terwijl Coulombafstoting tussen protonen langer reikt en bij grotere Z belangrijker wordt.
Bindingsenergie en massadefect
Een gebonden kern heeft minder rustmassa dan dezelfde protonen en neutronen afzonderlijk op oneindige afstand. Het verschil Δm correspondeert met bindingsenergie B = Δmc². Het is een energie-eigenschap van het hele systeem; het betekent niet dat afzonderlijke nucleonen ophouden proton of neutron te zijn. Om de kern te scheiden moet die energie worden toegevoerd.
B = Δmc²
Stabiliteit wordt niet door één getal bepaald
Neutron-protonverhouding, kernschillen, paring en beschikbare vervalkanalen spelen allemaal mee. Een kern kan een grote bindingsenergie per nucleon hebben en toch radioactief zijn als een toestand met lagere energie bereikbaar is. “Sterk gebonden” en “absoluut stabiel” zijn niet hetzelfde. Zo heeft A = 125 een straal van ongeveer 6 fm, terwijl het hele atoom tienduizenden femtometer groot is: de kern beslaat maar een minuscuul deel van het atoomvolume.
Uitgewerkte voorbeelden
1. Neutronen in uranium-238
Oplossing
Z = 92 en A = 238, dus N = A − Z = 146.
2. Schaling van de kernstraal
Oplossing
Als A met een factor 8 toeneemt, verdubbelt A¹ᐟ³; de kernstraal wordt dus ongeveer twee keer zo groot.
3. Energie van een massadefect
Oplossing
Een massadefect van 0,010 u komt overeen met ongeveer 0,010×931,5 = 9,32 MeV bindingsenergie.