Atomkjernen
Nesten all massen i et atom er konsentrert i en kjerne som bare er noen få femtometer stor. Kjernen inneholder protoner og nøytroner, samlet kalt nukleoner, og strukturen bestemmes av samspillet mellom sterk kjernekraft, elektrisk frastøting og kvanteeffekter.
Nuklidenotasjon gjør tellingen eksplisitt
I ⁽ᴬ⁾₍Z₎X er Z antall protoner, A totalt antall nukleoner og N=A−Z antall nøytroner. Endres Z, endres grunnstoffet; endres N mens Z er fast, får vi en isotop av samme grunnstoff.
A og Z er heltall som teller partikler, ikke masser i kilogram. Kjerneladningen er +Ze, mens nesten hele atommassen kommer fra protoner og nøytroner.
Kjernens størrelsesskala
En nyttig empirisk sammenheng er R ≈ r₀A¹ᐟ³, der r₀≈1,2 fm. Siden volumet går som R³, betyr dette at kjernetettheten er omtrent konstant for mange kjerner.
Hvis A økes med en faktor 8, øker radius bare med faktor 2. Kjernen er derfor ekstremt kompakt sammenlignet med hele atomet, hvis størrelse bestemmes av elektronskyen.
Binding og masseunderskudd
Massen til en bundet kjerne er mindre enn summen av massene til de frie nukleonene. Forskjellen Δm tilsvarer bindingsenergi gjennom B=Δmc².
Bindingsenergien er energien som må tilføres for å dele kjernen i frie protoner og nøytroner. Masseunderskuddet betyr ikke at masse «forsvinner»; masse og energi inngår i én samlet energibalanse.
Stabilitet bestemmes ikke av ett tall
Stabilitet påvirkes av forholdet mellom nøytroner og protoner, skallstruktur, paring og konkurransen mellom kjernekraft og Coulomb-frastøting. Stor bindingsenergi per nukleon er nyttig, men garanterer ikke at en bestemt nuklide er radioaktivt stabil.
Tunge kjerner trenger relativt flere nøytroner fordi protonenes elektriske frastøting vokser. Kvanteeffekter kan gi ekstra stabilitet ved bestemte «magiske» nukleontall.
Løste eksempler
1. Nøytroner i uran-238
Uran-238 har Z=92. Finn N.
Løsning
N=A−Z=238−92=146.
2. Radius og massetall
Hva skjer med R dersom A blir åtte ganger større?
Løsning
R∝A¹ᐟ³, så R multipliseres med 8¹ᐟ³=2.
3. Masseunderskudd
Et masseunderskudd er 0,010 u. Finn omtrent bindingsenergien.
Løsning
Med 1 u c²≈931,5 MeV blir B≈0,010×931,5=9,32 MeV.
Det er nyttig å holde tre størrelser fra hverandre: massetallet A, den målte kjernemassen og bindingsenergien. A er bare et partikkeltall. Den faktiske massen inneholder effekten av binding, og bindingsenergien må beregnes fra masseforskjellen med konsistente massedefinisjoner. Ved svært presise beregninger må man også være tydelig på om atom- eller kjernemasser brukes.