Nucleul atomic
Aproape toată masa atomului este concentrată într-un nucleu de numai câțiva femtometri. Nucleul conține protoni și neutroni — nucleoni — iar structura sa rezultă din competiția dintre interacția nucleară de rază scurtă, repulsia electrică și efectele cuantice.
Notația nuclidului păstrează explicite numerele de particule
ᴬZX · N = A − Z
În notația ᴬZX, Z este numărul de protoni, A numărul total de nucleoni, iar N=A−Z numărul de neutroni. Schimbarea lui Z schimbă elementul; schimbarea lui N la Z constant produce un izotop al aceluiași element.
Dimensiunea nucleelor urmează aproximativ relația R≈r0A1/3, unde r0 este de circa 1,2 fm. Deoarece volumul crește astfel aproximativ proporțional cu A, densitatea medie a materiei nucleare rămâne asemănătoare pentru o gamă largă de nuclee. Acest fapt este legat de raza scurtă de acțiune și de saturarea interacțiunii nucleare tari. În nucleele grele, repulsia electrostatică dintre numeroșii protoni devine tot mai importantă, astfel că stabilitatea nu este determinată numai de numărul de nucleoni: contează raportul neutroni/protoni, energia de legătură și efectele de structură în straturi nucleare.
Scara dimensiunii nucleare
R ≈ r₀A¹ᐟ³ · r₀ ≈ 1,2 fm
O relație empirică utilă este R≈r₀A^(1/3), cu r₀≈1,2 fm. Deoarece volumul variază ca R³, densitatea nucleară medie este aproximativ constantă pentru multe nuclee. Creșterea lui A de opt ori dublează doar aproximativ raza.
Legarea și defectul de masă
B = Δmc²
Un nucleu legat are masă de repaus mai mică decât aceiași protoni și neutroni separați la infinit. Diferența Δm corespunde energiei de legătură B=Δmc², o proprietate a întregului sistem legat.
Stabilitatea nu este determinată de un singur număr
Stabilitatea depinde de raportul neutroni/protoni, structura de înveliș, împerechere și canalele de dezintegrare disponibile. O energie mare de legătură pe nucleon nu înseamnă stabilitate absolută. Nucleul ocupă o fracțiune extrem de mică din volumul atomului.
A și Z sunt numere întregi de particule, nu mase măsurate în kilograme. Distincția este importantă la defectul de masă: masa reală a unui nucleu legat nu este pur și simplu A înmulțit cu o unitate atomică de masă. De asemenea, o legare puternică nu înseamnă automat stabilitate absolută; dezintegrarea radioactivă este posibilă dacă există o stare finală accesibilă cu energie totală mai mică.
Exemple rezolvate
1. Neutroni în uraniu-238
Soluție. Z=92 și A=238, deci N=146.
2. Scalarea razei
Soluție. Dacă A crește de 8 ori, A^(1/3) se dublează și raza se dublează aproximativ.
3. Energia defectului de masă
Soluție. Un defect de 0,010 u corespunde la aproximativ 9,32 MeV energie de legătură.