Перегляд вихідного коду сторінки Ядро атома

[[Файл:Nucleus drawing.svg|thumb|230px|Модель атомного ядра, що зображує його у вигляді компактної зв'язки [[нуклон]]ів: [[протон]]ів (червоні) та [[нейтрон]]ів (сині). На малюнку протони й нейтрони зображені у вигляді маленьких кульок, приклеєних одна до одної, насправді ж стан ядра точно описується лише [[Квантова механіка|квантовою механікою]]. Наприклад, у дійсності кожен нуклон перебуває в кількох місцях одночасно, розповсюджуючись на все ядро]]
{{ядерна фізика}}
'''Ядро́'''&nbsp;— центральна частина [[атом]]а, в якій зосереджена основна частина маси атома (понад 99,9&nbsp;%). Ядро має позитивний [[Електричний заряд|заряд]], що дорівнює кількості протонів, що входять в його склад, і саме від величини заряду ядра залежить, який [[хімічний елемент]] представлений атомом.

У порівнянні з розмірами атома, який визначається радіусом [[Електронна оболонка|електронних орбіт]], розміри ядра надзвичайно малі&nbsp;— 10<sup>−15</sup>-10<sup>−14</sup> м, тобто приблизно у 10-100 тисяч разів менші від розміру самого атома.

Атомне ядро складається з [[нуклон]]ів&nbsp;— позитивно заряджених [[протон]]ів та нейтральних [[нейтрон]]ів, близьких за масою та іншими властивостями [[Частинка|частинок]], які взаємодіють між собою через [[сильна взаємодія|сильну взаємодію]].
       
Ядро найпростішого атома&nbsp;— атома [[Водень|водню]] (ізотоп [[протій]])&nbsp;— є одним протоном.

== Історія досліджень ==
Поняття про ядро атома запровадив 1911 року [[Ернест Резерфорд]]. Він здійснив експерименти з розсіювання [[альфа-частинка|альфа-частинок]] на металевих фольгах і запропонував [[Планетарна модель атома|планетарну модель атома]]<ref name="Кудрявцев " > ''Кудрявцев П. С.'': Курс истории физики, 1982 [http://historik.ru/books/item/f00/s00/z0000027/st051.shtml]</ref>. Після виявлення стабільних ізотопів елементів ядру найлегшого атома було відведено роль структурної частки всіх ядер. З 1920 року ядро [[Атом водню|атома водню]] має офіційний термін&nbsp;— протон. Після проміжної протон-електронної теорії будови ядра, що мала чимало явних недоліків (у першу чергу вона суперечила експериментальним результатам вимірювань [[спін]]ів та [[Магнітний момент|магнітних моментів]] ядер)<ref name="Мухин">{{книга
|автор =Мухин К. Н.
|частигп=
|заголовок=Экспериментальная ядерная физика
|оригинал =
|ссылка =
|місце =Москва
|видавництво=Энергоатомиздат
|год =1983
|страницы =
|isbn =}}</ref>, 1932 року англійський фізик [[Джеймс Чедвік]] відкрив нову електрично нейтральну частинку, яку назвали нейтроном. Того ж року радянський фізик-теоретик [[Іваненко Дмитро Дмитрович|Дмитро Іваненко]] висунув гіпотезу про протон-нейтронну структуру ядра<ref name="Iwanenko">Iwanenko, D.D., The neutron hypothesis, Nature '''129''' (1932) 798.</ref>. Цю гіпотезу було повністю підтверджено подальшим розвитком ядерної фізики та її застосувань.

== Терміни та система позначень ==
Атомне ядро, що розглядається як клас частинок із певним числом протонів та нейтронів, називають '''[[нуклід]]ом'''.
Число протонів у ядрі називають його [[атомний номер|зарядовим числом]] <math>~Z</math>&nbsp;— це число дорівнює порядковому номеру [[Хімічний елемент|елемента]] у [[Періодична система елементів|періодичній системі елементів]] і збігається з кількістю [[електрон]]ів нейтрального атома, визначаючи, таким чином, [[хімічні властивості]] відповідного елемента. Кількість нейтронів у ядрі називають його ''ізотопічним числом'' <math>~N</math>. Ядра з однаковою кількістю протонів та різною кількістю нейтронів називають [[ізотопи|ізотопами]]. Ядра з однаковою кількістю нейтронів, але різною кількістю протонів&nbsp;— називають [[ізотони|ізотонами]]. Повна кількість [[нуклон]]ів у ядрі називається його [[Масове число|масовим числом]] <math>A</math> (зрозуміло, що <math>A = N + Z</math> та приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеній у [[Таблиця Менделєєва|таблиці Менделєєва]]). Нукліди з однаковим масовим числом, але різним протон-нейтронним складом називають [[ізобари (ядерна фізика)|ізобарами]].

Як і будь-яка квантова система, ядра можуть перебувати в метастабільному збудженому стані, в окремих випадках [[час життя]] такого стану може бути доволі тривалим (наприклад, обчислюватися роками). Такі збуджені стани ядер називаються [[ізомерія атомних ядер|ядерними ізомерами]]<ref name="Бартоломей">{{книга 
|автор = Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. 
|частина = 
|заголовок = Основи теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов 
|оригінал = 
|посилання = 
|місце = Москва 
|видавництво = Энергоатомиздат 
|рік =1982
|сторінки =512
|isbn =}}</ref>.

Для позначення атомних ядер (нуклідів) застосовується така система:
* в середині ставиться [[Хімічний знак|символ хімічного елемента]], що однозначно визначає зарядове число <math>~Z</math> ядра;
* ліворуч зверху від символу елемента ставиться масове число <math>A</math>.

Таким чином, склад ядра виявляється повністю визначений, оскільки <math>N = A - Z</math>.

Приклад такого позначення: <sup>238</sup>U &nbsp;— ядро [[Уран-238|урану-238]], в якому 238 нуклонів, з яких 92&nbsp;— протони, оскільки елемент [[уран (хімічний елемент)|Уран]] має 92-й номер у [[Періодична система елементів|таблиці Менделєєва]].

Іноді для повноти навколо позначення елемента вказують усі характеристики ядра:
* ліворуч знизу&nbsp;— зарядове число <math>Z</math>, тобто те ж саме, що зазначено символом елемента;
* ліворуч зверху&nbsp;— масове число <math>A</math>;
* Праворуч знизу&nbsp;— ізотопічне число <math>~N</math>;
* якщо мова йде про ядерні ізомери, до масового числа дописується літера з послідовності '''m, n, p, q,…''' (іноді застосовують послідовність '''m1, m2, m3,…'''). Іноді цю літеру вказують як самостійний індекс праворуч зверху.

Приклади таких позначень: <math>{}^{238}_{~92}\textrm{U}</math>, <math>{}^{238}_{~92}\textrm{U}_{146}</math>, <math>{}^{238m}_{~~92}\textrm{U}</math>, <math>{}^{238}_{~92}\textrm{U}^{m}</math>.

Позначення атомних ядер та нуклідів збігаються.

З історичних та інших причин, деякі ядра мають самостійні назви. Наприклад, ядро [[Гелій-4|<sup>4</sup>He]] називається [[Альфа-частинки|α-частинкою]], ядро [[Дейтерій|дейтерію]] <sup><nowiki>2</nowiki></sup>H (або D)&nbsp;— [[дейтрон]]ом, а ядро [[Тритій|тритію]] <sup><nowiki>3</nowiki></sup>H (або T)&nbsp;— {{Джерело?|[[Тритон (ядро)|тритоном]]}}. Останні два ядра є ізотопами [[водень|водню]] й можуть входити до складу [[молекула|молекул]] [[вода|води]], утворюючи так звану [[важка вода|важку воду]].

== Фізичні характеристики ядра ==

=== Маса ===
Через різницю в кількості нейтронів <math>~A - Z</math> ізотопи одного елемента можуть мати різну [[Маса|масу]] <math>~M (A, Z) </math>, яка є важливою характеристикою ядра. У ядерній фізиці масу ядер вимірюють в [[Атомна одиниця маси|атомних одиницях маси]] ('''а. о. м.'''), за яку беруть 1/12 частину маси нукліду [[Вуглець-12|<sup>12</sup>C]], тобто 1/12 маси [[ізотоп]]у [[вуглець|вуглецю]] з [[масове число|масовим числом]] 12. Стандартна маса, яка зазвичай наводиться для нукліда&nbsp;— це маса нейтрального [[атом]]а. Для визначення маси ядра потрібно від маси атома відняти суму мас всіх [[електрон]]ів (точніше значення вийде, якщо врахувати ще й [[енергія зв'язку|енергію зв'язку]] електронів з ядром).

Крім того, в ядерній фізиці часто застосовується [[Формула Ейнштейна|енергетичний еквівалент маси]]. За співвідношенням [[Альберт Ейнштейн|Ейнштейна]] кожному значенню маси <math>~M</math> відповідає повна енергія:

: <math>~E = Mc^2</math>, де <math>c</math>&nbsp;— [[швидкість світла]].
Енергетичний еквівалент а. о. м. дорівнює&nbsp;— приблизно <math>931</math> [[електрон-вольт|МеВ]]<ref name="Бартоломей" />.

Ядерні сили, що тримають нуклони в ядрі разом, в кілька раз сильніші за електромагнітні. Від'ємна потенціальна енергія нуклонів досягає значень, які роблять відчутним ефект внаслідок принципу еквівалентності маси та енергії&nbsp;— маса ядра менша від суми мас вільних нуклонів, які утворюють ядро (див. розділ '''дефект маси)'''.

=== Заряд ===
Число протонів у ядрі <math>~Z</math> безпосередньо визначає його [[електричний заряд]]. В ізотопів однакова кількість протонів, але різна кількість нейтронів. Ядерні властивості ізотопів (на відміну від хімічних властивостей) можуть значно відрізнятися<ref name="Бартоломей" />.

Вперше заряди атомних ядер визначив [[Генрі Мозлі]] [[1913|1913 року]]. Свої експериментальні спостереження вчений інтерпретував залежністю довжини хвилі [[Характеристичне рентгенівське випромінювання|характеристичного рентгенівського випромінювання]] від деякої константи <math>~Z</math>, що змінюється на одиницю від елементу до елементу та дорівнює одиниці для водню:

: <math>~ \ \sqrt{1/\ \lambda} = aZ-b</math>,

де <math>~a</math> та <math>~b</math>&nbsp;— сталі.

Мозлі зробив висновок, що знайдена в його дослідах константа атома, яка визначає довжину хвилі [[характеристичне рентгенівське випромінювання|характеристичного рентгенівського випромінювання]], збігається з порядковим номером елемента і може бути лише зарядом атомного ядра. Цей висновок відомий як '''[[закон Мозлі]]'''<ref name="Климов">{{книга 
|автор = Климов А. Н. 
|частина = 
|заголовок = Ядерная физика та ядерные реакторы
|оригінал = 
|посилання = 
|місце = Москва 
|видавництво = Энергоатомиздат 
|рік =1985
|сторінки =352
|isbn =}}</ref>.

[[Файл:Nuclear dens.png|350px|right|thumb|Залежність густини заряду від відстані до центру ядра.]]
Досліди з [[Розсіювання частинок і хвиль|розсіювання]] високоенергетичних (>500 МеВ) електронів на ядрах дозволили встановити, що електричний заряд розподіляється в ядрі нерівномірно. Результати узгоджуються з передбаченнями [[статистична модель ядра|статистичної моделі ядра]] (модель ядра як [[Фермі-газ]]у). Густина електричного заряду є приблизно сталою до деякої відстані від центру ядра, далі вона повільно спадає до нуля<ref>{{книга
 |автор          = Krane K.S
 |частина        = 
 |заголовок      = Introductory nuclear physics
 |оригінал       = 
 |посилання      = 
 |видання        =
 |відповідальний = 
 |місце          = New York
 |видавництво    = Wiley
 |рік            = 1987
 |том            = 
 |сторінки       = 70
 |сторінок       = 439
 |isbn           = 0-471-85914-1
}}</ref>. Приблизна залежність для сферичних ядер виглядає так<ref>{{cite web|url=http://www.physics.uoguelph.ca/~pgarrett/teaching/PHY-7160/Lecture1KyleFoster.pdf|title=Kyle Foster lecture|work=University of Guelph|archiveurl=https://www.webcitation.org/6HWtD8Cut?url=http://www.physics.uoguelph.ca/~pgarrett/teaching/PHY-7160/Lecture1KyleFoster.pdf|archivedate=2013-06-21|accessdate=2013-03-05|deadurl=yes}} {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20151013043629/http://www.physics.uoguelph.ca/~pgarrett/teaching/PHY-7160/Lecture1KyleFoster.pdf |date=2015-10-13 }}</ref><ref name="Булавін"> Булавін, Тартаковський, с. 60. </ref>:
: <math>\rho(r) = \frac{\rho_0}{1+\exp \left( \frac{r-R_0}{a} \right) } </math>
де r відстань від центру, <math>R_0</math>&nbsp;— параметр, що має зміст відстані від центру ядра, на якій густина заряду має значення 50&nbsp;% від значення в центрі (<math>\rho_0</math>) <math>a</math>&nbsp;— параметр, що однаковий для всіх ядер. Досліди показали, що <math>R_0\approx 1.07 A^{1/3}</math> [[фемтометр|фм]], <math>a\approx 0.55</math> фм. Також можна запровадити інший параметр&nbsp;— ''товщина шкіри'' ({{lang-en|skin thikness}}), який має зміст величини проміжку, на якому густина заряду спадає від 90&nbsp;% до 10&nbsp;% значення в центрі. Для всіх ядер товщина шкіри приблизно однакова й дорівнює 2,3 фм.

=== Радіус ===
Аналіз розпаду важких ядер дозволив пов'язати радіус ядра з його масовим числом простим співвідношенням:

: <math>~R = r_0 A^{1/3}</math>,

де <math>~r_0 </math>&nbsp;— константа.

Оскільки радіус ядра не є суто геометричною характеристикою та пов'язаний насамперед з радіусом дії [[Сильна взаємодія|ядерних сил]], то значення <math>~r_0 </math> залежить від процесу, при аналізі якого отримано значення <math>~R</math>. Усереднене значення <math>~r_0 = 1,23 \ \cdot 10^{-15}</math> м. Таким чином, радіус ядра в метрах<ref name="Бартоломей" /><ref name="Климов" />:

<math>~R = 1,23 \ \cdot 10^{-15} A^{1/3}</math>.

=== Моменти ядра ===
Як і нуклони, що входять до його складу, ядро має власний [[повний момент|момент]] <math>\mathbf{J} </math>, що є сумою [[спін]]у <math>\mathbf{S} </math> й [[Оператор кутового моменту|орбітального моменту]] <math>\mathbf{L} </math>. У ядерній фізиці повний момент <math>\mathbf{J} </math> теж називають спіном.

==== Спін ====
Оскільки нуклони належать до [[ферміон]]ів, тобто мають [[спін]] <math>\ \hbar/2</math>, то і ядра повинні мати спіни. Крім того, нуклони беруть участь в ядрі в орбітальному русі, який також характеризується певним [[момент імпульсу|моментом кількості руху]] кожного нуклона. Орбітальні моменти набувають значення лише цілих чисел <math>\ \hbar</math>. Спіни нуклонів та їх орбітальні моменти, підсумовуються за квантовомеханічними правилами додавання моментів і складають спін ядра.

Незважаючи на те, що кількість нуклонів у ядрі може бути дуже великою, спіни ядер зазвичай невеликі й становлять не більше декількох <math>\ \hbar</math>, що пояснюється особливістю взаємодії нуклонів з однаковим спіном. Всі парні протони та нейтрони взаємодіють лише так, що їхні спіни взаємно компенсуються, тобто спіни нуклонів у парі завжди антипаралельні і сумарний орбітальний момент пари дорівнює нулю. В результаті ядра, що складаються з парного числа протонів та парного числа нейтронів, мають нульовий спін. Відмінні від нуля спіни мають лише ядра, до складу яких входить непарна кількість нуклонів, спін таких нуклонів складається з його ж орбітальним моментом і має деяке напівціле значення: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра непарно-непарного складу мають цілочисельні спіни: 0, 1, 2, 3 тощо.<ref name="Климов" />

==== Магнітний момент ====
Вимірювання спінів стало можливим завдяки наявності безпосередньо пов'язаних з ними [[Магнітний момент|магнітних моментів]]. Ядра мають магнітні моменти, пов'язані зі спінами ядерним [[гіромагнітне співвідношення|гіромагнітним співвідношенням]], у якому [[магнетон Бора]] замінюється на [[ядерний магнетон]]. У цих магнетонах вони й вимірюються. Спіни різних ядер дорівнюють від −2 до +5 ядерних магнетонів. Через порівняно великі маси нуклонів магнітні моменти ядер дуже малі порівняно з магнітними моментами [[електрон]]ів, тому їх вимірювання набагато складніше. Як і спіни, магнітні моменти вимірюються [[Спектроскопія|спектроскопічними методами]], найточнішим серед яких є метод [[Ядерний магнітний резонанс|ядерного магнітного резонансу]].

Магнітний момент парно-парних нуклідів, як і спін, дорівнює нулю. Магнітні моменти ядер із непарною кількістю нуклонів утворюються власними моментами цих нуклонів та моментом, пов'язаним з орбітальним рухом непарного протона<ref name="Мухин" />.

==== Електричний квадрупольний момент ====
Атомні ядра, спін яких перевищує одиницю або дорівнює їй, мають відмінні від нуля [[квадрупольний момент|квадрупольні моменти]], що свідчить про їх не зовсім [[Сфера|сферичну]] форму. Квадрупольний момент вважають додатним, якщо проєкція спіну ядра вздовж осі симетрії (обертання) ненульова (веретеноподібне тіло), і від'ємним, якщо ядро розтягнуте в площині, перпендикулярній проєкції спіну (дископодібне тіло). Відомі ядра з позитивними та негативними квадрупольними моментами. Відсутність сферичної симетрії в [[електричне поле|електричного поля]], створюваного ядром із ненульовим квадрупольним моментом, призводить до утворення додаткових [[Енергетичний рівень|енергетичних рівнів]] атомних електронів та появи в спектрах атомів ліній [[Надтонка структура|надтонкої структури]], відстані між якими залежать від квадрупольного моменту<ref name="Климов" />.

== Енергія зв'язку та ядерні сили ==
[[Файл:Binding energy curve - common isotopes-uk.svg|thumb|400px|Залежність середньої [[Енергія зв'язку|енергії зв'язку]] (по осі y) від [[Масове число|масового числа]] (по осі x) ядер.]]
{{Основна стаття|Дефект маси|Сильна взаємодія}}

Експериментально виявлено, що для всіх стабільних ядер маса ядра менша від суми мас його нуклонів, узятих окремо. Ця різниця називається '''дефектом маси''' або '''надлишком маси''' та визначається співвідношенням:

: <math>\Delta M(Z, A) = Zm_p + (A-Z)m_n - M(Z, A)</math>,

де <math>m_p </math> та <math>m_n </math>&nbsp;— маси вільного протона та нейтрона, <math>M(Z, A) </math>&nbsp;— маса ядра.

Згідно з принципом [[Формула Ейнштейна|еквівалентності маси і енергії]] дефект маси еквівалентний [[Робота (фізика)|роботі]], що виконали ядерні сили, щоб зібрати всі нуклони разом при утворенні ядра. Ця величина дорівнює зміні [[Потенціальна енергія|потенційної енергії]] нуклонів у результаті об'єднання в ядро.

Енергія, еквівалентна дефекту маси, називається '''енергією зв'язку ядра ''' і дорівнює:

: <math>~E_c = ( Zm_p + (A-Z)m_n - M(Z, A))c^2</math>,

де <math>~c</math>&nbsp;— [[швидкість світла]].

Важливим параметром ядра є енергія зв'язку, що припадає на один нуклон ядра, яку можна обчислити, розділивши енергію зв'язку ядра на кількість нуклонів, що містяться в ньому:

: <math>~ \ \varepsilon = \ \frac{E_c}{A}</math>

Це середня енергія, яку потрібно витратити, щоб забрати з ядра один нуклон, або середня зміна енергії зв'язку ядра, коли вільний протон або нейтрон поглинається ним.

Як видно з малюнка, для малих значень масових чисел питома енергія зв'язку ядер стрімко зростає зі збільшенням маси ядра й сягає максимуму для <math>A \approx 50\ \div 60</math> (приблизно 8,8 МеВ). Нукліди з такими масовими числами найстійкіші. Із подальшим зростанням <math>~A</math> середня енергія зв'язку зменшується, проте в широкому інтервалі масових чисел значення енергії майже стале (<math>~ \ \epsilon \ \approx 8</math> МеВ), з чого випливає, що можна записати <math>~ E_c \ \approx \ \epsilon  A</math>.

Такий характер поведінки середньої енергії зв'язку вказує на властивість ядерних сил досягати насичення, тобто можливість нуклона взаємодіяти лише з обмеженою кількістю «партнерів». Якби ядерні сили не мали властивості насичення, то в межах радіуса дії ядерних сил кожний нуклон взаємодіяв б з усіма іншими, й енергія взаємодії була б пропорційна <math>~A (A-1) </math>, а середня енергія зв'язку на один нуклон неухильно зростала б зі зростанням <math>~A</math>.

Загалом залежність енергії зв'язку від масового числа описується '''''формулою Вайцзеккера''''' в [[Краплинна модель ядра|краплинній моделі ядра]]<ref name="Камерон">{{книга 
|автор = Камерон І. 
|частина = 
|заголовок = Ядерные реакторы
|оригінал = 
|посилання = 
|місце = Москва 
|видавництво = Энергоатомиздат 
|рік =1987
|сторінки =320
|isbn =}}</ref>
<ref name="Rohlf">{{книга
|автор =Rohlf, James William.
|заголовок=Modern Physics from α to Z°
|сторінок=664
|видавництво=John Wiley & Sons
|рік=1994
|isbn =0471572705}}</ref>.

Велика [[енергія зв'язку]] нуклонів, що входять до ядра, свідчить про існування [[Сильна взаємодія|ядерних сил]], оскільки [[Гравітація|гравітаційні сили]] занадто малі, щоб подолати взаємне [[електростатика|електростатичне відштовхування]] протонів у ядрі. Зв'язок нуклонів здійснюється силами з надзвичайно малим радіусом дії. Вони виникають внаслідок того, що між нуклонами ядра відбувається безперервний обмін [[віртуальна частинка|віртуальними]] частинками&nbsp;— [[піони|пі-мезонами]]. Оскільки взаємодія здійснюється через обмін '''масивними''' частинками, це пояснює властивість насичення ядерних сил&nbsp;— нуклон може взаємодіяти лише з тими сусідами, до яких може дістатися віртуальна частинка за короткий час свого існування. Ядерні сили залежать від спіну, не залежать від електричного заряду і не є центральними силами<ref name="Климов" />.

== Стабільність та радіоактивність ядер ==
{{main|Радіоактивність}}
Серед ізотопів розрізняють стабільні й нестабільні. Нестабільні ізотопи перетворюються в ядра інших елементів у результаті одного з типів [[радіоактивний розпад|радіоактивного розпаду]]. Деякі важкі хімічні елементи взагалі не мають стабільних ізотопів. Всього відомо понад 3000 ізотопів{{Джерело?}}, абсолютно стабільними є трохи більше 200 із них.

[[Файл:Isotopes and half-life.svg|thumb|250px|Залежність числа нейтронів N від числа протонів Z в атомних ядрах (N=A-Z).]]
З факту зменшення середньої енергії зв'язку для нуклідів з масовими числами більшими або меншими від 50-60 випливає, що для ядер з малими <math>~A</math> енергетично вигідний процес злиття&nbsp;— [[ядерний синтез|термоядерний синтез]], який призводить до збільшення масового числа, а для ядер з великими <math>~A</math>&nbsp;— [[Поділ ядра|процес поділу]]. Останнім часом обидва ці процеси, що призводять до виділення енергії, здійснені людиною, причому останній лежить в основі сучасної [[ядерна енергетика|ядерної енергетики]], а перший перебуває у стадії розробки.

Детальні дослідження довели, що стійкість ядер також істотно залежить від параметра <math>N/Z</math>&nbsp;— відношення чисел нейтронів та протонів. В середньому для найстабільніших ядер<ref name="Rohlf" /> <math>N/Z \ \approx 1 + 0.015 A^{2/3}</math>, тому ядра легких нуклідів найбільш стійкі при <math>N \ \approx Z</math>, а зі зростанням масового числа дедалі помітнішим стає електростатичне відштовхування між протонами й область стійкості зсувається в бік <math>N > Z</math> (''див. пояснювальний малюнок'').

Якщо розглянути таблицю стабільних нуклідів, які трапляються в природі, можна звернути увагу на їхній розподіл між парними та непарними числами нуклонів <math>~Z</math> та <math>~N</math>. Всі ядра з парними значеннями цих величин є ядрами легких нуклідів <math>{}^{2}_{1}\textrm{H}</math>, <math>{}^{6}_{3}\textrm{Li}</math>, <math>{}^{10}_{5}\textrm{B}</math>, <math>{}^{14}_{7}\textrm{N}</math>. Серед ізобар із непарними A зазвичай стабільний лише один. У разі ж парних <math>~A</math> часто трапляються по два, три й більше стабільних ізобар, отже, парно-парні ядра найстабільніші, а найменш стабільні&nbsp;— непарно-непарні. Ці явища свідчать про те, що як нейтрони, так і протони виявляють тенденцію поєднуватися парами з антипаралельними [[спін]]ами, що призводить до порушення плавності наведеної вище залежності енергії зв'язку від <math>~A</math><ref name="Бартоломей" />.

{|class="standard"
! Z
!N=A-Z
! A
! Число нуклідів
|-
|Парне
|Парне
|Парне
! 167
|-
|Парне
|Непарне
|непарне
! 55
|-
|непарне
|парне
|непарне
! 53
|-
|непарне
|непарне
|парне
! 4
|}

Таким чином, парність числа протонів або нейтронів додає ядру певного запасу стійкості, що призводить до можливості існування декількох стабільних нуклідів, які відрізняються кількістю нейтронів (для ізотопів) або кількістю протонів (для ізотонів). Крім того, парність числа нейтронів у складі важких ядер визначає їхню здатність ділитися під впливом нейтронів<ref name="Климов" />.

== Ядерні реакції ==
Ядро одного хімічного елемента можна перетворити на ядро іншого за допомогою [[ядерна реакція|ядерної реакції]]. Ядерні реакції синтезу відбуваються при зіткненні дуже швидких ядер. Енергії зіткнення має вистачити на подолання кулонівського бар'єра, тобто сил електростатичного відштовхування між позитивно зарядженими ядрами. Виняток становлять реакції, в яких одним із реагентів є незаряджена частинка&nbsp;— нейтрон.

== Теоретичні моделі ядра ==
Хоча [[Стандартна модель]] успішно пояснює взаємодію [[кварк]]ів, з яких складаються нуклони, отримати якісь передбачення щодо поведінки самого ядра досить складно, адже типові відстані між нуклонами значно перевищують масштаби, на яких можна застосовувати [[теорія збурень|теорію збурень]] для [[квантова хромодинаміка|квантової хромодинаміки]]. Тому історично склалося так, що результати експериментів пояснювались доволі грубими, неідеальними моделями. На сьогодні існує багато різних історичних моделей атомного ядра, жодна з яких до кінця не пояснює експериментальні дані щодо структури ядра<ref name=Cook>
{{cite book
 |author=N.D. Cook
 |year=2010
 |title=Models of the Atomic Nucleus
 |url=https://archive.org/details/modelsatomicnucl00cook_881
 |edition=2nd
 |page=[https://archive.org/details/modelsatomicnucl00cook_881/page/n74 57] ff.
 |publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer]]
 |isbn=978-3-642-14736-4
}}</ref>.

=== Краплинна модель ===
{{Main|Краплинна модель ядра}}
Запропонована [[Нільс Бор|Нільсом Бором]] 1936 року. Ядро розглядається як крапля рідини, що обертається. У цій моделі компроміс між далекодіючими електромагнітними силами й відносно близькодіючими ядерними силами викликає поведінку, що нагадує сили [[поверхневий натяг|поверхневого натягу]] в краплях рідини. Основним передбаченням є формула Вайцзеккера&nbsp;— залежність енергії зв'язку ядра від його атомного й масового числа:
: <math>E_{B} = a_{V} A - a_{S} A^{2/3} - a_{C} \frac{Z^2}{A^{1/3}} - a_{A} \frac{(A - 2Z)^{2}}{A} \pm \delta(A,Z)</math>
Попри успіх в описі зміни енергії ядер при реакціях, їх об'єму і&nbsp;т.&nbsp;д., ця формула не в змозі пояснити існування магічних ядер, які успішно описує оболонкова модель.

=== Оболонкова модель ===
{{Main|Оболонкова модель ядра}}
Запропонована в 30-ті роки ХХ сторіччя{{Джерело?}}. Оболонкова модель атомного ядра будується аналогічно оболонковій моделі [[атом]]а. Тільки оболонки (в самоузгодженому полі ядра) заповнюють не електрони, а протони та нейтрони. Теорія чудово пояснює особливості дискретного спектра рівнів ядра. Інший визначний успіх теорії&nbsp;— передбачення існування '''магічних ядер'''.

==== Спектри ядер ====
Згідно з [[квантова механіка|квантовою механікою]] зв'язані частинки (тобто частинки, кінетична енергія яких менша за абсолютне значення потенціальної) можуть перебувати лише в станах із певними [[Дискретність|дискретними]] значеннями енергій, тобто мають дискретний спектр. Оскільки ядро&nbsp;— система зв'язаних нуклонів, воно має дискретний спектр енергій.

Розташування енергетичних рівнів ядра в першому наближенні:

: <math>~D = a e^ {-b \ \sqrt{E^*}}</math>, де
* <math>~D</math>&nbsp;— середня відстань між рівнями,
* <math>~ E^*</math>&nbsp;— енергія збудження ядра,
* <math>~a</math> та <math>~b</math>&nbsp;— коефіцієнти, сталі для даного ядра,
* <math>~a</math>&nbsp;— середня відстань між першими збудженими рівнями (для легких ядер приблизно 1 МеВ, для важких&nbsp;— 0,1 МеВ)
* <math>~b</math>&nbsp;— константа, що визначає швидкість ущільнення рівнів при збільшенні енергії збудження (для легких ядер приблизно 2 МеВ<sup>−1/2</sup>, для важких&nbsp;— 4 МеВ<sup>−1/2</sup>).

Зі зростанням енергії збуджені рівні швидше зближуються у важких ядер. Щільність рівнів також залежить від парності числа нейтронів у ядрі. Для ядер із парними (особливо [[Магічні ядра|магічними]]) числами нейтронів щільність рівнів менша, ніж для ядер із непарними.

У всіх збуджених станах ядро може перебувати лише скінчений час. Стани, енергія збудження яких менша від енергії зв'язку частинки (нейтрона або протона) чи групи частинок (наприклад, альфа-частинки), називають '''зв'язаними'''. Перехід із такого збудженого стану в основний може відбуватися лише шляхом випромінювання електромагнітного кванта відповідної енергії (зазвичай [[Гамма-промені|гамма-кванта]]). Стани з енергією збудження, що перевищує енергію зв'язку окремих частинок або груп частинок, називаються '''квазістаціонарними'''. У цьому випадку перехід збудженого ядра в основний стан може супроводжуватися не лише випромінюванням гамма-кванта, а й випромінюванням частинки або групи частинок (з утворенням іншого ядра).

==== Магічні ядра ====
{{main|Магічні ядра}}
Ядра, в яких нуклони повністю заповнюють зовнішній енергетичний рівень (тобто '''оболонку''', звідки й пішла назва теорії), мають більшу енергію зв'язку, а отже, стабільніші порівняно з іншими. Кількість станів для основного [[квантові числа|квантового числа]] утворює ряд: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Це так звані «магічні числа». Особливою стабільністю відрізняються двічі магічні ядра, в яких і нейтрони, і протони (окремо) містяться саме в такій кількості, щоб заповнити певну кількість оболонок.

=== Інші моделі ===
Інші моделі ядра з успішними передбаченнями:
* [[Узагальнена модель Бора — Моттельсона]].
* [[Кластерна модель ядра]]
* [[Модель нуклонних асоціацій]]
* [[Оптична модель ядра]]
* [[Надтекуча модель ядра]]
* [[Статистична модель ядра]]

== Утворення ==
{{main|Нуклеосинтез}}
Першими внаслідок [[великий вибух|Великого вибуху]] виникли протони й електрони, з яких у подальшому утворився [[Гідроген]]. Під час [[первинний нуклеосинтез|первинного нуклеосинтезу]] приблизно 25&nbsp;% Гідрогену (за масою) перетворилося на [[гелій]]-4. Також утворилася незначна кількість [[літій|літію]], [[дейтерій|дейтерію]] та інших, нестабільних ізотопів. Ядра більшості хімічних елементів, що є в природі, утворилися як продукт [[нуклеосинтез]]у, що відбувався (і відбувається) у надрах зір. Утворені ядра потрапляють у міжзоряний простір шляхом скидання оболонок та під час спалахів [[наднова|наднових]]. Із часом розсіяна речовина знов утворює зорі (та планети навколо них).

== Наука ==
Ядра атомів та їхні перетворення вивчає [[ядерна фізика]]. В Україні над фундаментальними проблемами ядерної фізики працюють [[Інститут ядерних досліджень НАН України]] та [[Харківський фізико-технічний інститут]]. Світовими лідерами є такі центри, як [[CERN]] (Асосійованим членом якого Україна стала в 2013 році), [[Fermilab]], [[Об'єднаний інститут ядерних досліджень|ОІЯД]] (теж за участі України).

== Див. також ==
* [[Атомний номер]]
* [[Магічні ядра]]
* [[Масове число]]
* [[Оболонкова модель ядра]]

== Джерела ==
{{reflist|2}}

== Література ==
* {{книга
 |автор          = [[Булавін Леонід Анатолійович|Булавін Л. А.]], [[Тартаковський Віктор Костянтинович|Тартаковський В. К.]]
 |частина        = 
 |заголовок      = Ядерна фізика
 |оригінал       = 
 |посилання      = 
 |видання        = Знання
 |відповідальний = 
 |місце          = Київ
 |видавництво    = ВТД «Університетська книга»
 |рік            = 2005
 |том            = 
 |сторінки       = 
 |сторінок       = 439
 |isbn           = 966-346-020-2
}}
* {{книга
|автор        = [[Каденко Ігор Миколайович|Каденко І. М.]], [[Плюйко Володимир Андрійович|Плюйко В. А.]]
|заголовок    = Фізика атомного ядра та частинок
|рік          = 2008
|видавництво  = ВПЦ «Київський університет»
|місто        = {{Comment|К.|Київ}}
|сторінок     = 414
}}
* {{книга
 |автор          = Вальтер А. К, [[Залюбовський Ілля Іванович|Залюбовський И. И.]]
 |частина        = 
 |заголовок      = Ядерная физика
 |оригінал       = 
 |посилання      = 
 |видання        =
 |відповідальний = 
 |місце          = Харьков
 |видавництво    = Основа
 |рік            = 1991
 |том            = 
 |сторінки       = 
 |сторінок       = 480
 |isbn           = 
}} {{ref-ru}}
* ''М. Айзенберг, В. Грайнер.'' Микроскопическая теория ядра.&nbsp;— {{М.}}: Атомиздат, 1976.&nbsp;— 488 с. {{ref-ru}}
* {{книга
|автор       = [[Давидов Олександр Сергійович|Давыдов А. С.]]
|назва       = Теория атомного ядра
|рік         = 1958
|видавництво = ГИФМЛ
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 612
}} {{ref-ru}}
* {{книга
|автор       = Давыдов А. С.
|назва       = Возбуждённые состояния атомных ядер
|рік         = 1967
|видавництво = Атомиздат
|місто       = {{Comment|М.|Москва}}
|сторінок    = 264
}} {{ref-ru}}
* [[Ситенко Олексій Григорович|''А.&nbsp;Г.&nbsp;Ситенко.'']] Теория ядерных реакций.&nbsp;— {{М.}}: Энергоатомиздат, 1983.&nbsp;— 352 с. {{ref-ru}}
* ''В.&nbsp;Г.&nbsp;Соловьев.'' Теория атомного ядра. Ядерные модели.&nbsp;— {{М.}}: Энергоиздат, 1981.&nbsp;— 296с. {{ref-ru}}
* {{книга
 |автор          = Сивухин Д.В.
 |заголовок      = Общий курс физики, Ядерная физика
 |посилання      = 
 |відповідальний = 
 |місце          = Москва
 |видавництво    = Физматлит
 |рік            = 1989
 |том            = 5, ч.2
 |сторінок       = 424
 |сторінки       = 29
 |isbn           = 
}} {{ref-ru}}
* {{cite book
|автор=Фрауэнфельдер Г., Хенли Э.
|назва=Субатомная физика 
|дата=
|рік=1979
|видавництво=Мир
|знаходження=Москва}}

{{^}}{{Термоядерна енергетика}}
{{частинки}}
{{ВП-портали|Фізика|Хімія}}
{{добра стаття}}

{{Бібліоінформація}}
[[Категорія:Ядерна фізика]]
[[Категорія:Базові поняття фізики]]
[[Категорія:Протон]]