Structura nucleului

În centrul atomului se află nucleul, o regiune foarte mică ce conține protoni și neutroni. Protonii au sarcină electrică pozitivă, iar neutronii nu au sarcină. Împreună se numesc nucleoni. Electronii se află în regiunea din jurul nucleului; ei nu fac parte din acesta. Aproape toată masa atomului este concentrată în nucleu, deși nucleul ocupă doar o mică parte din volumul atomului.

Numărul de protoni, notat $Z$, stabilește elementul chimic. Un nucleu cu șase protoni aparține carbonului, indiferent câți neutroni are. Numărul total de protoni și neutroni este numărul de masă $A$. Dacă numărul neutronilor este $N$, relația simplă de numărare este $A=Z+N$. Nucleele aceluiași element care au numere diferite de neutroni se numesc izotopi.

Protonii se resping electric, dar nucleul poate rămâne legat deoarece între nucleoni acționează interacțiunea nucleară tare, la distanțe foarte mici. Aceasta nu înseamnă că orice combinație de protoni și neutroni este stabilă. Unele nuclee se transformă spontan și emit radiații; fenomenul este studiat la lecția despre radioactivitate.

Exemplu: nucleul de carbon-14 se notează ${}_6^{14}\mathrm{C}$: are $6$ protoni și $14-6=8$ neutroni. Izotopul carbon-12 are tot $6$ protoni, dar numai $6$ neutroni. Simbolul nuclear arată compoziția, însă nu descrie aranjarea nucleonilor în interior.

Compoziție și notație. Simbolul unui nuclid este ${}_Z^{A}X$. Sarcina nucleului este $+Ze$, unde $e=1,602\cdot 10^{-19}\mathrm{C}$ este sarcina elementară. Atomul neutru are tot $Z$ electroni, iar numărul de neutroni este $N=A-Z$. Masa protonului este $m_p\approx 1,00728\mathrm{u}$, iar a neutronului $m_n\approx 1,00866\mathrm{u}$, cu unitatea atomică de masă $1\mathrm{u}=1,6605\cdot 10^{-27}\mathrm{kg}$; neutronul este puțin mai greu decât protonul. Nuclee cu același $Z$, dar $A$ diferit, sunt izotopi (hidrogenul are trei: protiu, deuteriu ${}_1^2\mathrm{H}$ și tritiu ${}_1^3\mathrm{H}$); cu același $A$ și $Z$ diferit sunt izobari; cu același $N$ sunt izotoni. În reacțiile nucleare se conservă numărul total de nucleoni și sarcina electrică, dacă sunt incluse toate produsele relevante.

Dimensiuni și forțe nucleare. Raza nucleară aproximativă este $R=r_0{A}^{1/3}$, cu $r_0\simeq 1,2\cdot 10^{-15}\mathrm{m}=1,2\mathrm{fm}$. Volumul nucleului este proporțional cu $A$, deci densitatea nucleară este aproximativ aceeași pentru toate nucleele. Scara nucleului este de ordinul $10^{-15}\mathrm{m}$, mult sub scara atomului, de ordinul $10^{-10}\mathrm{m}$. Forțele nucleare au rază scurtă de acțiune, de câțiva femtometri, prezintă saturație (un nucleon interacționează numai cu vecinii apropiați) și sunt aproximativ independente de sarcina electrică a nucleonului. Ele sunt mult mai intense decât respingerea electrică dintre protoni la distanțe de ordinul $1\mathrm{fm}$. La nucleele ușoare stabile numărul neutronilor este aproximativ egal cu cel al protonilor, $N\approx Z$; la nucleele grele raportul $N/Z$ crește până spre $1,5$, deoarece respingerea electrică dintre protoni, care are rază lungă de acțiune, trebuie compensată de mai mulți neutroni.

Exemplu rezolvat 1 — compoziția unui nucleu. Nucleul de ${}_{13}^{27}\mathrm{Al}$ are numărul atomic $Z=13$ și numărul de masă $A=27$.

1. Numărul protonilor este $Z=13$.
2. Numărul neutronilor este $N=A-Z=27-13=14$.
3. Sarcina nucleară este $+Ze=+13\cdot 1,602\cdot 10^{-19}\approx +2,08\cdot 10^{-18}\mathrm{C}$.
4. Cu $r_0=1,2\mathrm{fm}$, raza aproximativă este $R=r_0{A}^{1/3}=1,2\cdot 3=3,6\mathrm{fm}$.

Atomul neutru are și $13$ electroni, dar electronii nu sunt în nucleu. Numărul de masă numără nucleonii, nu este masa exactă în unități atomice.

Exemplu rezolvat 2 — densitatea nucleară. Se estimează densitatea unui nucleu cu masa aproximativ $A{m}_u$ și raza $R=r_0{A}^{1/3}$.

1. Volumul nucleului este $V=\frac{4}{3}\pi R^3=\frac{4}{3}\pi r_0^{3}A$.
2. Densitatea este $\rho =A{m}_u/V=m_u/(\frac{4}{3}\pi r_0^3)$, deci $A$ se simplifică: densitatea nu depinde de nucleu.
3. Numeric, $\rho \approx 1,66\cdot 10^{-27}/(7,24\cdot 10^{-45})\approx 2,3\cdot 10^{17}kg/{\mathrm{m}}^3$.

Valoarea este de aproximativ $2\cdot 10^{14}$ ori mai mare decât densitatea apei: un pahar de substanță nucleară, de $250\mathrm{c}{\mathrm{m}}^3$, ar avea masa de aproximativ $6\cdot 10^{13}\mathrm{kg}$, adică zeci de miliarde de tone.

Exemplu rezolvat 3 — masa atomică relativă medie a clorului. Clorul natural conține $75,8\%$ izotopul ${}^{35}\mathrm{Cl}$ și $24,2\%$ izotopul ${}^{37}\mathrm{Cl}$. Se estimează masa atomică relativă medie, folosind numerele de masă.

1. ${}^{35}\mathrm{Cl}$ are $17$ protoni și $18$ neutroni, iar ${}^{37}\mathrm{Cl}$ are $17$ protoni și $20$ neutroni; sunt același element.
2. Media ponderată este $A_r=0,758\cdot 35+0,242\cdot 37\approx 35,5$.
3. Valoarea este fracționară tocmai pentru că elementul natural este un amestec de izotopi.

Greșeli frecvente

• Greșit: a confunda numărul de masă $A$ cu masa exprimată în kilograme.
  Corect: $A$ este numărul de nucleoni, nu o masă.
• Greșit: a pune electronii în nucleu.
  Corect: electronii sunt în afara nucleului.
• Greșit: a considera izotopii elemente diferite doar fiindcă au alt număr de neutroni.
  Corect: izotopii sunt același element (același $Z$).

Înainte și după