O núcleo atómico
Quase toda a massa de um átomo está concentrada num núcleo com apenas alguns femtómetros de dimensão. O núcleo contém protões e neutrões, designados em conjunto por nucleões, e a sua estrutura resulta da competição entre a interação nuclear de curto alcance, a repulsão elétrica e efeitos quânticos.
A notação dos nuclídeos torna explícitas as contagens
ᴬZX, em que Z é o número de protões, A o número total de nucleões e N = A − Z o número de neutrões.
Alterar Z muda o elemento. Alterar N mantendo Z fixo produz um isótopo do mesmo elemento. A carga nuclear é +Ze, enquanto quase toda a massa atómica provém dos nucleões.
A escala de tamanho nuclear
Uma relação empírica útil é R ≈ r₀A¹ᐟ³, com r₀ ≈ 1,2 fm. Como o volume varia com R³, a densidade nuclear é aproximadamente constante para muitos núcleos. Duplicar A não duplica o raio.
Energia de ligação e defeito de massa
Um núcleo ligado tem uma massa de repouso inferior à dos mesmos protões e neutrões separados até ao infinito. A diferença Δm corresponde à energia de ligação B = Δmc². É uma propriedade energética de todo o sistema; não significa que os nucleões individuais percam a sua identidade.
A estabilidade não é determinada por um único número
Importam a razão neutrão-protão, a estrutura de camadas, o emparelhamento e os canais de decaimento disponíveis. Um núcleo pode ter grande energia de ligação por nucleão e continuar radioativo se houver um estado de energia inferior acessível. «Fortemente ligado» e «absolutamente estável» não são afirmações equivalentes.
Uma comparação de escalas ajuda: para A = 125, a regra A¹ᐟ³ dá um raio nuclear de apenas cerca de 6 fm, enquanto o átomo circundante costuma ter dezenas de milhares de femtómetros. O núcleo ocupa, portanto, uma fração extremamente pequena do volume atómico. É por isso que experiências de dispersão conseguem sondar um centro positivo compacto, embora a química seja governada sobretudo pela nuvem eletrónica, muito mais extensa.
Exemplos resolvidos
1. Neutrões no urânio-238
Com Z = 92 e A = 238, N = A − Z = 146.
2. Escala do raio
Se A aumentar por um fator 8, A¹ᐟ³ duplica; o raio nuclear fica aproximadamente duas vezes maior.
3. Energia de um defeito de massa
Um defeito de massa de 0,010 u corresponde a cerca de 0,010×931,5 = 9,32 MeV de energia de ligação.