Hạt nhân nguyên tử

Ký hiệu nuclide làm rõ số hạt

Nuclide được viết ^A_ZX, trong đó Z là số proton, A là tổng số nucleon và số neutron N=A−Z. Đổi Z nghĩa là đổi nguyên tố; giữ Z và đổi N tạo đồng vị khác của cùng nguyên tố.

Điện tích hạt nhân là +Ze và phần lớn khối lượng nguyên tử đến từ các nucleon. A và Z là số đếm, không phải khối lượng đo bằng kilogram.

Thang kích thước hạt nhân

Quan hệ thực nghiệm hữu ích là R≈r₀A^1/3 với r₀≈1,2 fm. Vì thể tích tỉ lệ R³, mật độ hạt nhân trung bình gần như không đổi đối với nhiều hạt nhân. Tăng A gấp đôi không làm bán kính gấp đôi.

Độ bền hạt nhân là sự cân bằng: tương tác mạnh liên kết các nucleon gần nhau, còn lực đẩy Coulomb proton–proton ngày càng quan trọng khi Z lớn.

Liên kết và độ hụt khối

Khối lượng nghỉ của một hạt nhân liên kết nhỏ hơn tổng khối lượng nghỉ của cùng các proton và neutron khi tách xa vô hạn. Hiệu Δm là độ hụt khối và tương ứng với năng lượng liên kết B=Δmc².

Đây là năng lượng của toàn hệ, không phải bằng chứng rằng từng nucleon mất đi bản sắc. Năng lượng liên kết trên mỗi nucleon hữu ích để so sánh nhưng không tự nó quyết định hạt nhân có bền tuyệt đối hay không.

Độ bền không do một con số duy nhất quyết định

Tỉ số neutron/proton, cấu trúc lớp vỏ, ghép cặp và các kênh phân rã khả dĩ đều quan trọng. Hạt nhân có thể liên kết mạnh trên mỗi nucleon nhưng vẫn phóng xạ nếu có trạng thái năng lượng thấp hơn mà nó có thể chuyển tới. “Liên kết mạnh” không đồng nghĩa “bền tuyệt đối”.

Với A=125, quy luật A^(1/3) cho bán kính chỉ khoảng 6 fm, trong khi nguyên tử thường rộng hàng chục nghìn fm. Hạt nhân chiếm một phần cực nhỏ thể tích nguyên tử; vì thế thí nghiệm tán xạ có thể dò tâm dương nhỏ gọn, còn hóa học chủ yếu do đám mây electron lớn hơn nhiều quyết định.

Ví dụ có lời giải

1. Neutron trong uranium-238

Uranium-238 có Z=92 và A=238.

2. Tỉ lệ bán kính

Nếu A tăng 8 lần, bán kính thay đổi ra sao?

3. Năng lượng từ độ hụt khối

Độ hụt khối là 0,010 u.