تمثيل لشكل ذرةالهيليوم-4. النواة تحتوي علىبروتونين باللون الأحمرونيوترونين بالأزرق. ويحيطها غلاف مكون من 2إلكترونات يشغلان الغلاف 2s (سحابة رمادية اللون).
النَّوَاةُ (الجمع: نَوَيات ونَوَىً)[3] جزءالذرة الجوهري (أي: الأساسي المركزي)، تدورُ حولَهالإلِكِترونات[4]، تتكاثف فيه كتلة الذرة[5]، تَشغَل جزءً غايةً في الصِّغَر من حجم الذرة، ومعظم كتلتها منالبُروتونات موجبةالشِحنةوالنُّترونات المتعادلة الشِحنة؛ فتكون النواةُ موجبةَ الشِحنة، وشِحنة البروتونات الموجبة تساوي شِحنة الألِكِترونات السالبة عددًا؛ فتتعادل الذرة كهربياً.[6][7][8] وهي أطروحة تفسير بِنية الذرة على أنها نواة موجبة الشِحنة تدور حولَها إلِكِترونات سالبة الشحنة لنتائجتجرِبة رَذَرفورد سنةَ 1911، وهو تفسيرٌ هَدَمَ التصورَ السابق لبِنية الذرة على أنها توزيع متوازن نسبيًا للكلتة. تجمع مكونات النواة طاقة كبيرة جدًا وهيقوى الترابط النووي؛ أكبرُ قوة نعرفها بينالجسيمات الأولية إلَّا أنَّ تأثيرَها على مسافة صغيرة جدًا في حدود قُطر النواة.
يتراوح نصف قطر النواة بين 1.75 fm (فيمتومتر) (1.75×10−15 م) للهِدروجين (أي نصف قطر بروتون وحيد) إلى حوالَيْ 15 فيمتومترًا للذرات الأكبر كتلة كاليورانيوم. وهذه الأبعاد أصغر جدًا من قطر الذرة نفسها (النواة والإلكترونات) فهي أصغر بحوالَيْ 23 ألف مرة لليورانيوم و145 ألف مرة للهيدروجين.
ويسمى فرعُ الفيزياء الذي يدرس ويفهم نَواة الذرة وتركيبَها والقوى العاملة فيهابالفيزياء الذرية.
عند حساب مجموعكتل البروتونات وكتل النيوترونات المنفردة الحرة، ومجموعكتلتها مترابطة داخل النواة نجد أنها تكون أكبر من كتلة النواة ذاتها؛ وهذا يعزى إلى أن جزء من الكتلة تحول إلىطاقة تساعد في ربط مكونات النواة وهي طاقة الترابط النووى. ويسمى الفرق بين مجموع كتل البروتونات والنيوترونات منفردة وكتلتها في النواة بنقص الكتلة. ونقص الكتلة هذا يعادل طاقة الارتباط طبقا لمعادلةأينشتاينلتكافؤ الكتلة والطاقة.
النواة هي مركزالذرة. تتكون النويات منبروتونات،ونيوترونات. عدد البورتونات في نواة الذرة يطلق عليهالعدد الذري، ويحدد أيعنصر له هذه الذرة. فمثلاً النواة التي بها بروتون واحد (أي النواة الوحيدة التي يمكن أن لا يكون بها نيوترونات) من مكونات ذرةالهيدروجين، والتي بها 6 بروتونات، ترجع للعنصركربون، أو التي بها 8 بروتوناتأكسجين. يحدد عدد النيورتوناتنظائر العنصر. عدد النيوترونات والبروتونات متناسب، وفي النويات الصغيرة يكونا تقريبا متساويين، بينما يكون في النويات الثقيلة عدد كبير من النيوترونات. والرقمان معا يحددا النيوكليد (أحد أنواع النويات). البروتونات والنيوترونات لهما تقريبا نفس الكتلة، ويكونعدد الكتلة مساويا لمجموعهما معا، والذي يساوي تقريباالكتلة الذرية. وكتلة الإلكترونات صغيرة بالمقارنة بكتلة النواة.
نصف قطرالنوكليون (نيترون أو بروتون) يساوي 1 fm (فيمتو متر = 10−15 m). بينما نصف قطر النواة، والذي يمكن أن يكون تقريبا الجذر التربيعي لعدد الكتلة مضروبا في 1.2 fm، أقل من 0.01% من قطر الذرة. وعلى هذا تكون كثافة النواة أكثر منتريليون (1012) مرة من الذرة ككل. ويكون لواحدمللي متر مكعب من مادة النواة، لو ضُغط، كتلة تبلغ 200,000 طن.النجم النيتروني يتكون من مثل هذا التصور.
وبالرغم من أن البروتونات الموجبة الشحنة يحدث بينها وبين بعضها تضادكهرمغناطيسي، فإن المسافة بينالنيوكلونات تكون صغيرة بدرجة كافية لأن يكونالتجاذب القوي (والذي تكون أقوى من القوى الكهرمغناطيسية ولكن تقل بشدة مع بعد المسافة) غالب عليها. (وتكون قوىالجاذبية مهملة، لكونها أضعف 1036 من التضاد الكهرمغناطيسي).
كان اكتشاف الإلكترون أول إشارة على أن الذرة لها بناء داخلي. وهذا البناء كان تصوره المبدئي طبقا «لكعك الزبيب» أوسكل بودنج الخوخ، والذي فيه تكون الإلكترونات الصغيرة، السالبة الشحنة مغمورة في كرة كبيرة تحتوى على الشحنات الموجبة. وقد اكتشفإيرنست رذرفورد وماردسون، في عام1912 عند إجراء تجربتهم الشهيرةتجربة رقاقة الذهب، أنجسيمات ألفا منالراديوم كمصدر كانت تتشتت للخلف عند توجيهها على رقاقة الذهب، والذي أدى إلى تقبلنموذج بور، الشكل الكوكبي الذي تدور فيه الإلكترونات حول النواة بنفس الطريقة التي تدور فيها الكواكب حول الشمس.
يمكن للنويات الثقيلة أن تحتوى على مئات منالنيوكلونات (النيوترونات والبروتونات)، والذي يعنى أنه ببعض التقريب يمكن معاملتها على أنهاميكانيكا تقليدية، أكثر من كونهاميكانيكا كمية. وفينموذج القطرة الناتج، تكون النويات لها طاقة ناتجة جزئيا منالتوتر السطحي، وجزئيا من التضاد الكهربي للبروتونات. ويستطيع نموذج نقطة السائل إعادة إنتاج ظواهر عديدة للنواة، متضمنة الاتجاه العاملطاقة الترابط بالنسبة إلىعدد الكتلة، وأيضا ظاهرةالانشطار النووي.
وعموما، بالنظر لتركيب هذه الصورة التقليدية، فإن تأثيرات ميكانيكا الكم، والتي يمكن أن توصف باستخدامنموذج الغلاف النووي، تم تطويرها كثيرا بمعرفةماريا غوبرت-ماير. النواة التي لها عدد معين من النيوترونات والبروتونات (الرقم السحري 2، 8، 20، 50، 82، 126......) تكون بالتحديد ثابتة، لأن أغلفتها تكون ممتلئة.
وحيث أن بعض النويات تكون ثابتة أكثر من الأخرى، فإنه يتبع ذلك أن الطاقة يمكن أن تنطلق من التفاعلات النووية. مصدر طاقة الشمسالانصهار النووي، والذي فيه تصطدم نويتين ويتحدا لإنتاج نواة أكبر. العملية العكسية هيالانشطار النووي، والتي تمدالمفاعلات النووية بالطاقة. وحيث أنطاقة الترابط لكل نيوكلون هي كحد أقصى للنواة المتوسطة (تقريباالحديد)، فإن الطاقة تنطلق إما باندماج النويات الخفيفة، أو بانشطار النويات الثقيلة.
العناصر حتى الحديد تتكون في النجوم خلال تسلسل مراحل الانشطار، مثلسلسلة تفاعل بروتون-بروتون ،ودورة CNO،وتفاعل ألفا-الثلاثي. وارتقاء العناصر الأثقل يتكون خلالنشوء النجوم. وحيث أن ذروة طاقة الترابط لكل نيوكلون تكون تقريبا حول الحديد، فإن الطاقة تنتج فقط للعمليات الانشطار تحت هذه النقطة. وتكوين النويات الأثقل يتطلب طاقة، وعلى ذلك فإن غمكانية حدويها خلال انفجاراتالسوبرنوفا، والتي يتم إطلاق كميا هائلة من الطاقة فيها.
التفاعلات النووية تحدث بطريقة طبيعية على الأرض، وفي الواقع هي شائعة الحدوث. وتتضمنإضمحلال ألفا،وإضمحلال بيتا، كما أن النويات الثقيلة مثلاليورانيوم يمكن أن يحدث لها أيضاانشطار. كما أن هناك مثل معروف لانشطار نووي طبيعي، والذي حدث فيأوكلو، الجابون، أفريقيا منذ 1.5 مليار سنة.
وكثير من الأبحاث فيالفيزياء النووية تتضمن دراسة النواة تحت الظروف القصوى مثلالدوران وطاقة الإثارة. كما أن النواة يمكن أن يكون لها أشكال غريبة (تشبهكرة قدم أمريكية)، أو نسبة نيوترن إلى بروتون عجيبة. ويمكن للتجارب تصنيع مثل هذه النويات باستخدام الاندماج النووي أو تفعاعلات اصتدامالنوكليونات باستخدام شعاع أيوني منمعجل جسيمات.
تتشكل قوى الترابط بين مكونات النواة كجزء منالتآثر القوي. يربط التآثر القويالكواركات التي تكوّنالبروتوناتوالنيوترونات. فالقوى النووية التي تربط بين البروتونات والنيوترونات أضعف بكثير من قوة التآثر القوي.
وتعمل القوة النووية خلال مسافات صغيرة بين البروتونات والنيوترونات ولذلك نسمي ذلك الجسيمين في النواةنوكليون. وتتغلب القوة النووية على التنافر بين البروتونات الحادث داخل النواة بتأثيرالقوة الكهرومغناطيسية فتبقى النواة متماسكة. ونظرا للقصر الشديد لقوة الارتباط النووية فإنها تتخاذل سريعا مع زيادة المسافة (أنظرجهد يوكاوا)، ولذلك تكون النواة الذرية مستقرة إذا لم يتعد حجمها حجما معينا.
وقد بدأ العلماء عام 1934 في التفكير في طبيعة قوى الارتباط النووية بعد اكتشافهمللنيوترونات واتضاح أن نواة الذرة تتكون من بروتونات ونيوترونات. فقد اعتقد آنذاك أن قوة الارتباط النووية تنتقل عن طريقجسيم أولي يسمىميزون (مثلما تترابط الذرات بعضها البعض بواسطةالإلكترونات مكونةجزيئات). ثم تعمق العلماء في البحث وأصبح اعتقادنا منذ عام 1970 بأن تلك الميزونات عبارة عنكواركاتوجلوونات تنتقل بين النوكليونات التي هي أصلا مكونة منكواركات وجلوونات. وقد أدى هذا النموذج إلى تفسير قوة الارتباط النووية التي تربط النوكليونات بعضها البعض في النواة الذرية، وما هي إلا جزء منالتآثر القوي، أشد قوة نعرفها تعمل على الربط بين الكواركات في النوكليونات.
