Ядро атома
Ядро — надзвичайно мала й щільна центральна частина атома, у якій містяться протони та нейтрони і майже вся маса атома. Його стабільність визначає конкуренція сильної ядерної взаємодії, електростатичного відштовхування протонів і квантових правил для нуклонів.
Розмір, маса і заряд
Типовий атом має розмір порядку 10⁻¹⁰ м, тоді як радіус ядра — порядку 10⁻¹⁵ м. Отже, ядро займає мізерну частину об’єму, але містить майже всю масу. Число протонів Z визначає хімічний елемент, число нейтронів N може змінюватися, утворюючи ізотопи, а масове число A=Z+N рахує нуклони. Заряд ядра дорівнює +Ze.
Чому ядро не розлітається
Протони відштовхуються за законом Кулона, але на дуже малих відстанях між нуклонами діє сильна взаємодія. Вона короткодійна і в характерному ядерному діапазоні достатньо сильна, щоб зв’язувати протони й нейтрони. У дуже важких ядрах кулонівське відштовхування накопичується швидше, ніж вигода від короткодійного зв’язування, тому зростає схильність до нестабільності.
Квантова структура
Протони й нейтрони є ферміонами, тому займають ядерні квантові стани з урахуванням принципу Паулі. Оболонкова модель ядра передбачає особливо стійкі конфігурації при так званих магічних числах. Це не ті самі оболонки, що в електронній будові атома, але в обох випадках дискретність станів має квантове походження.
Дефект маси і енергія зв’язку
Маса зв’язаного ядра менша за суму мас вільних протонів і нейтронів. Різниця мас відповідає енергії зв’язку через E=mc². Енергія зв’язку на нуклон зручна для порівняння різних ядер і пояснює, чому як поділ дуже важких ядер, так і синтез дуже легких можуть вивільняти енергію.
Баланс протонів і нейтронів
Для легких стабільних ядер N і Z часто близькі. Коли Z зростає, для компенсації кулонівського відштовхування потрібна відносно більша кількість нейтронів, які беруть участь у сильній взаємодії без додаткового електричного відштовхування. Ядра далеко від смуги стабільності можуть переходити до вигіднішого співвідношення через радіоактивні перетворення.
Радіус і майже стала густина
Експерименти розсіяння дають наближене співвідношення R≈r₀A^(1/3). Тоді об’єм пропорційний A, а середня густина ядерної речовини для багатьох ядер залишається приблизно сталою. Це важлива ознака короткого радіуса дії та насичення сильної ядерної взаємодії.
Як досліджують ядра
Ядро не фотографують як маленьку кульку звичайним світлом. Його властивості відновлюють за розсіянням електронів і частинок, мас-спектрометрією, гамма-спектроскопією та продуктами ядерних реакцій. Енергії переходів, кути розсіяння і часи життя дозволяють визначати радіус, спін, парність і структуру рівнів.
Що дає ця модель
Розуміння ядра пояснює не лише радіоактивність. Воно пов’язує маси ізотопів, енергії ядерних реакцій, походження елементів у зорях і роботу реакторів. Водночас жодна проста картинка ядра як щільної кульки не є повною: колективні коливання, деформації та оболонкові ефекти можуть бути важливими одночасно.
Вправа
Два атоми мають однакове Z, але різне N. Чи належать вони до одного елемента і що в них відрізняється?
Розв’язання
Так. Елемент визначається числом протонів Z. Це різні ізотопи одного елемента; вони мають різне число нейтронів, масове число, ядерну масу і часто різну стабільність.