Atomové jádro je vnitřníkladně nabitá částatomu a tvoří jehohmotnostní i prostorové centrum. Atomové jádro představuje 99,9 %hmotnosti atomu. Průměr jádra činí přibližně 10−15m, což je přibližně 100 000× méně než průměr celého atomu.
Věci kolem nás jsou složeny zlátek, látka zmolekul, molekuly zatomů. Samotný atom je složen zatomového obalu a atomového jádra. Jádro se skládá znukleonů, těmi jsouneutrony a kladně nabitéprotony. Ty se pak dále skládají zkvarků agluonů. Nukleony uvnitř jádra jsou navzájem k sobě poutány silami, které v zásadě vznikají mezi jejich podsložkami tedy mezikvarky agluony. Tato síla se nazývásilná interakce.
Počet protonů v jádře je pro lehképrvky zhruba roven počtu neutronů. S rostoucímprotonovým číslem roste počet neutronů rychleji než protonů.
Nukleony však nejsou v jádře nehybné. Čtvrtina z nich v jádře překračuje čtvrtinurychlosti světla[1]
Vlastnosti jádra se vystihují prostřednictvímatomového (protonového) čísla, které určuje počet protonů v jádře, anukleonového čísla (hmotnostního), které udává celkový počet nukleonů v jádře.[pozn. 1] Někdy se také používá tzv.neutronové číslo, udávající počet neutronů v jádře, zpravidla rovné.[pozn. 2] Vpřírodě se vyskytují atomy s jádry, jejichž nukleonové číslo se pohybuje od 1 do 238 a atomovými čísly od 1 do 92. Laboratorně se podařilo vytvořit i atomy s většími jádry, která však nejsoustabilní a rychle serozpadají.
Vzhledem k tomu, ženáboj protonu je kladný a neutron je elektricky neutrální, pak pokud má být atom neutrální, musí být početelektronů velektronovém obalu roven počtu protonů v atomovém jádře. Počet protonů však určuje polohu atomu vperiodické tabulce prvků. Lze tedy tvrdit, že vlastnosti atomů jsou velkou měrou určovány vlastnostmi jejich jader, proto jsoukvantová čísla charakterizující jádro používána ke schematickému označovaní vlastností atomů pomocí zápisu
Zapoloměr jádra lze označitvzdálenost, ve které ještě na nukleon působíjaderné síly.U velkých jader (např.uran,thorium apod.) se poloměry pohybují kolem 10−14 m.
Z této úměry však existují četné výjimky – některé izotopy mají jádra výrazně větší. Například jádra deuteria a tricia jsou větší, než jádro helia. Podobně jádra olova181Pb a183Pb jsou větší, než izotopy182Pb,184Pb186Pb-197Pb.
Zvláštním případem jsou pak halo-jádra, kde jsou některé nukleony vytlačeny výrazně dále od středu jádra. Například jádro lithia 11 je stejně velké jako mnohonásobně těžší jádro olova (poloměr přibližně 3,5 femtometru).[2]
Obvykle se jádro považuje za kouli. Ve skutečnosti se však tvar jádra od ideální koule často mírně odlišuje. Jádra tak mohou mít nejen tvar koule, ale i zploštěléhoelipsoidu (uhlík), protáhlého elipsoidu (mnoho dalších jader), trojosého elipsoidu[3] nebo i složitějších těles. Některá jádra mohou existovat ve více tvarových modifikacích. Jádro186Pb může mít kulový, protáhlý i zploštělý tvar.[2]
(hodnota z adjustace konstantCODATA 2022,směrodatná odchylka v závorce je v řádu posledních 2 platných číslic[4]).
Atomová hmotnostní jednotka je přibližně rovna hmotnosti jednoho nukleonu.
Hmotnost jádra dobře charakterizuje počet jeho nukleonů danýnukleonovým číslem. Protože vyjadřuje hmotnost atomu danéhonuklidu v jednotkách, která jezaokrouhlena nacelé číslo (např. atomová hmotnostolova208 Pb je 207,9767 u ≅ 208 u), říká se mu téžhmotnostní čihmotové číslo (hmotnost atomového obalu i hmotnostní schodek jádra jsou vzhledem k hmotnosti jednoho nukleonu zanedbatelné).
Orientační hodnoty vazebné energie na jeden nukleon.
Bylo by možné očekávat, že celkováhmotnost atomového jádra je rovna součtu hmotností všechprotonů aneutronů, z nichž se jádro skládá. Z měření však vyplývá, že celková hmotnost jádra je vždy menší. Rozdíl mezi očekávanou a skutečnou hmotností lze zapsat jako
,
kde jeatomové číslo, jenukleonové číslo, je hmotnost protonu, je hmotnost neutronu a je celková hmotnost jádra. Hodnotu, která představuje hmotnostní rozdíl, označujeme jakohmotnostní schodek (defekt). Hmotnostní schodek je vždy kladný, tzn..
Aby došlo ke vzniku jádra, musí jaderné síly (silná interakce), které způsobují vzájemné přitahování nukleonů, vykonat určitoupráci. K vykonání této práce se spotřebuje určitá část celkovéenergie soustavy nukleonů. Tím dojde ke snížení celkové energie soustavy nukleonů (neboli jádra). PodleEinsteinova vztahu je však celková energie soustavy nukleonů úměrná její celkové hmotnosti. Zmenšení energie tedy znamená zmenšení hmotnosti (a naopak). Pro hmotnostní schodek pak platí
Hmotnostní schodek tedy odpovídá určité energii, která se označuje jakovazebná (vazební) energie. Důvod takového označení plyne z toho, že představuje energii, která se uvolní při vzniku jádra z volných nukleonů. Je to také energie, kterou je nutno jádru dodat, aby došlo k jeho rozdělení na jednotlivé nukleony. Tato energie tedy určuje velikostvazby nukleonů v jádře.
Vazebné energie (a tedy i hmotnostní schodky) jsou u různých atomů různé. Vzhledem k rozdílnému počtu nukleonů v různých jádrech je výhodné uvádět vazebnou energii na jeden nukleon. Hodnoty vazebné energie jsou velmi vysoké. Např. vazebná energiedeuteronu je přibližně 2,23MeV ≈ 1014J·kg−1, což je ve srovnání např. steplem uvolněným při spalováníbenzínu, které činí asi 5×107J·kg−1, obrovská hodnota.
Vazebná energie úzce souvisí sestabilitou atomového jádra.
Stabilní jádra lze zachytit pomocí tzv.nuklidového diagramu (Segrého diagramu), který zachycuje závislostneutronového čísla naprotonovém čísle, tzn..Síly, které působí mezi nukleony v jádrech. Jaderné síly(a)(b), elektrostatická síla(c).
Atomová jádra se skládají z protonů a neutronů. Stabilní lehká jádra, tzn. jádra snukleonovým číslem, obsahují přibližně stejný počet protonů a neutronů. V těžších (stabilních) jádrech je počet neutronů větší než počet protonů.
Z diagramu je vidět, že pro nebo neexistují stabilní nuklidy. Podobně neexistují stabilní nuklidy pro. Také neexistují stabilní nuklidy pro nukleonová čísla.
Jádra, jejichž počet protonů nebo neutronů je roven 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, se vyznačují vysokou stabilitou. V souvislosti s touto stabilitou označujeme tato čísla jakomagická.[2]
Jaderné síly, které působí mezi nukleony v jádrech, mají velmi malý dosah. V těžších jádrech, která obsahují větší počet nukleonů, interaguje každý nukleon pouze s nukleony, které se nachází v jeho těsné blízkosti. Tato skutečnost se označuje jakonasycení jaderných sil. Uelektrostatické odpudivé síly, kterou na sebe působí protony to však neplatí. Elektrostatická síla nepůsobí pouze na krátkou vzdálenost, což znamená, že u protonů, které se v jádře nachází v dostatečné vzdálenosti, může elektrostatické odpuzování převažovat. Elektrostatické odpuzování je vyrovnáváno přebytkem neutronů, které působí pouze přitažlivými jadernými silami. Počet neutronů však nemůže být neomezený. Energie nukleonu v jádře je závislá na jeho umístění v dané jaderné energetické hladině. Pokud bychom přidali příliš mnoho neutronů, budou tyto neutrony nuceny obsadit vyšší energetické hladiny, což znamená, že budou slaběji vázány a celé jádro tedy bude náchylnější k rozpadu.
U velkých jader je tedy k zajištění stability jádra nutné nalézt určitý kompromis mezi počtem protonů a neutronů. Ukazuje se však, že existuje určitá hranice, za kterou již neutrony nejsou schopny zajistit existenci stabilního jádra. Touto hranicí jeizotop209 83Bi, který představuje nejtěžší stabilnínuklid. Všechna jádra, pro jejichž atomové číslo platí, nebo jejichž nukleonové číslo splňuje podmínku, podléhají samovolnému, tzv.radioaktivnímu, rozpadu na jádra lehčích prvků.
Jádra, která mají podstatně více neutronů nebo protonů, jsou nestabilní a rozpadají se. Při velkém počtu neutronů dochází krozpadu β−, při kterém se nadbytečný neutron změní na proton za vzniku elektronu (záření β) aantineutrina.Příkladem může být reakce:
Nejlehčí atomová jádra mají jakožto částice časté v přirozených rozpadech nebo jaderných reakcích speciální názvy a značky, umožňující zjednodušit zápis reakcí:
proton, značka p, je jádro atomu1 1H
deuteron, značka d, je jádro atomu2 1H
triton, značka t (někdy též τ), je jádro atomu3 1H
↑Uhyperjader se do nukleonového čísla započítává kromě protonů a neutronů i počethyperonů. Příklad:10 ΛΛBe má 4 protony, 4 neutrony a 2 hyperony Λ, protoA=10.
↑Uhyperjader uvedený vzorec pro neutronové číslo proto neplatí. Příklad:10 ΛΛBe má 4 neutrony, tedyN=4, i kdyžA=10,Z=4 aA−Z=6.
