Ядро атома — Розмір, маса і заряд

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.

Розмір, маса і заряд

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.