Storlek, massa och laddning
Protoner och neutroner är fermioner och fyller kvanttillstånd i kärnan enligt Pauli-principen. Kärnans skalmodell ger därför särskilt stabila kombinationer vid vissa så kallade magiska tal. Modellen är inte identisk med elektronernas atoms skal, men samma allmänna kvantidé – diskreta tillstånd – återkommer.
Varför kärnan håller ihop
Massan hos en bunden kärna är mindre än summan av massorna hos fria protoner och neutroner. Skillnaden motsvarar bindningsenergin genom E = mc². Bindningsenergi per nukleon ger ett viktigt mått på hur starkt kärnan är bunden och hjälper till att förklara varför både fission av mycket tunga kärnor och fusion av mycket lätta kärnor kan frigöra energi.
Skal och kvantstruktur
Lätta stabila kärnor har ungefär lika många neutroner som protoner. När Z blir större behövs relativt fler neutroner för att bidra till den starka bindningen utan att öka den elektriska repulsionen. Kärnor långt från stabilitetsområdet kan omvandlas genom radioaktivt sönderfall.
Bindningsenergi och massdefekt
Experiment med spridning visar att kärnradien ungefär följer R = r₀A^(1/3). Volymen blir då proportionell mot A, vilket innebär att kärnmateriens genomsnittliga täthet är ungefär konstant från många medeltunga till tunga kärnor. Det är en viktig ledtråd till den starka växelverkans korta räckvidd och mättnad.
Storlek, massa och laddning
Kärnor kan inte avbildas som små kulor med vanligt ljus. I stället används spridning av elektroner, protoner eller andra partiklar, samt gammaspektroskopi och massmätningar. Genom energier, vinkelfördelningar och övergångar kan man rekonstruera radier, spinn, paritet och nivåstruktur.
Massan hos en bunden kärna är mindre än summan av massorna hos fria protoner och neutroner. Skillnaden motsvarar bindningsenergin genom E = mc². Bindningsenergi per nukleon ger ett viktigt mått på hur starkt kärnan är bunden och hjälper till att förklara varför både fission av mycket tunga kärnor och fusion av mycket lätta kärnor kan frigöra energi.