Jądro atomowe, centralna część atomu o rozmiarach rzędu 10-14÷10-15 m i gęstości ok. 1014g/cm3, zbudowana z Z (Z - atomowa liczba) protonów i A-Z (A to liczba masowa) neutronów (Nukleon). Zawiera w sobie praktycznie całą masę atomu, posiada ładunek elektryczny Z⋅e. Istnienie jąder atomowych odkrył E. Rutherford (1911).
Jądro atomowe jest układem o skwantowanych, dozwolonych poziomach energetycznych. Jest układem związanym dzięki oddziaływaniom silnym jądrowym, które przezwyciężają odpychające oddziaływania elekrostatyczne protonów. W strukturze poziomów znaczący udział ma też niecentralna siła związana z oddziaływaniem spinw nukleonów.
Modele jądra atomowego
Dokładne obliczenie struktury poziomów energetycznych dowolnego jądra nie jest możliwe na obecnym etapie poznania. Dlatego do opisu szczegółowych zagadnień stosuje się przybliżenia modelowe.
Model powłokowyW modelu powłokowym (M. Goeppert-Mayer, H.J.D. Jensen) rozpatruje się ruch nukleonów w tzw. średnim polu, co umożliwia opisanie takich małych wzbudzeń, własności elektromagnetyczne itp własności jądra atomowego jak struktura poziomów dla
Model kroplowy W modelu kroplowym (N. Bohr, J.A. Wheeler) jądro atomowe traktowane jest jak kropla cieczy. Model ten pozwala w zarysie wyjaśnić energię wiązania i rozmiary jądra atomowego.
Model kolektywnyW modelu kolektywnym (A. Bohr) modyfikuje się średnie pole dodając fenomenologiczne oddziaływania: krótkozasięgowe, zwane siłami paringu, oraz długozasięgowe. Model ten wyjaśnia moment pędu i deformacje jądra, energia wiązania jednego nukleonu w jądrze wynosi od kilku do kilkunastu MeV (Mega, Elektronowolt), średnio rośnie wraz z Z dla coraz cięższych jąder aż do żelaza, następnie maleje.
Umożliwia to (Defekt masy) uzyskiwanie energii (Energetyka jądrowa) zarówno dzięki syntezie jąder lekkich pierwiastków (Synteza jądrowa), jak i rozszczepieniu jąder ciężkich pierwiastków. Na ten generalny trend nakłada się efekt działania sił paringu powodujący, że jądra o parzystej liczbie protonów i neutronów (w skrócie: parzysto-parzyste) są silniej związane niż jądra parzysto-nieparzyste, a te są silniej związane niż nieparzysto-nieparzyste. Ma to duże znacznie dla teorii rozpadu beta.
Jądra o liczbie protonów lub neutronów równej 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 wykazują największe siły wiązania. Liczby te nazywane są liczbami magicznymi, a same jądra - jądrami magicznymi. Gdy obie liczby są magiczne, jądro nazywane jest podwójnie magicznym. Jądra pierwiastków o tym samym Z, a różnych N=A-Z nazywane są jądrami izotopowymi (Izotop), przy tym samym A - jądrami izobarycznymi (Izobary), przy tym samym N - jądrami izotonowymi (Izotony).
Alfa rozpad, rozpad jądra atomowego z emisją cząstki alfa. Po rozpadzie alfa powstaje jądro atomowe o liczbie masowej A mniejszej o 4 i liczbie atomowej Z mniejszej od 2 względym tych liczb dla jądra pierwotnego. Rozpadowi alfa ulegają najczęściej ciężkie pierwiastki promieniotwórcze oraz niektóre izotopy promieniotwórcze pierwiastków ziem rzadkich.
Rozpad alfa polega na przeniknięciu przez barierę potencjału, istniejącą wokół jądra, cząstki alfa uformowanej uprzednio w jądrze. Przeniknięcie takie możliwe jest dzięki efektowi tunelowemu. Cząstki alfa emitowane przez dane jądro promieniotwórcze mają ściśle określone energie.
Alfa cząstka, α - jądro atomu helu 4He emitowane przez niektóre substancje promieniotwórcze w trakcie rozpadu alfa. Cząsteczki alfa produkowane są również w wielu reakcjach jądrowych. Cząsteczka alfa zbudowana jest z 2 protonów i 2 neutronów, ma więc ładunek elektryczny równy +2 ładunku elementarnego. Spin cząsteczki alfa wynosi 0, a masa 4,0027 j.m.a..
Beta rozpad, rozpad jądra promieniotwórczego, w wyniku którego z jądra emitowany jest (rozpad beta minus) elektron (negaton) i antyneutrino elektronowe lub (rozpad beta plus) pozyton i neutrino elektronowe.
W pierwszym przypadku liczba atomowa Z nowo powstałego jądra jest większa o jeden od Z jądra macierzystego, w drugim - zmniejsza się o jeden. Liczba masowa jądra A nie ulega zmianie w rozpadzie beta. Odkryto też odwrotny rozpad beta, tzn. reakcję zmiany Z jądra wywołaną oddziaływaniem neutrina (lub antyneutrina) z emisją cząstki beta jako produktu reakcji.
Rozpad β obserwuje się również dla cząstek elementarnych, np. rozpad neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe. Ze względu na emisję dwóch ciał (cząstka beta i neutrino) z jądra w rozpadzie beta obserwuje się ciągłe widmo energii emitowanych cząstek beta o, typowej dla danego rozpadu, energii maksymalnej. Rozpady beta zachodzą poprzez oddziaływanie słabe.
Beta cząstka, β, elektron (negaton) lub pozyton, nazwę tę stosuje się jedynie przy rozpadzie beta.
Gamma kwant, kwant γ, wysokoenergetyczny foton pochodzący z przemian zachodzących w jądrze atomowym lub z reakcji z udziałem cząstek elementarnych, w ogólności (przy nieznanym w szczegółach mechanizmie pochodzenia, np. w promieniowaniu kosmicznym) każdy foton o długości fali mniejszej niż 1 angstrem(fale elektromagnetyczne).
Energia E kwantu gamma wyraża się wzorem E = Ei - Ef = hν, gdzie: Ei - energia stanu początkowego, Ef - energia stanu końcowego, h - stała Plancka, ν - częstotliwość fali odpowiadającej kwantowi gamma w opisie falowym (dualistyczna natura promieniowania) równa ν=c/λ, c - prędkość światła, λ - długość fali.
Przemiany wewnątrzjądrowe wytwarzają kwanty gamma o energiach od kilkunastu keV do kilku MeV. W reakcjach jądrowych badanych z wykorzystaniem wielkich akceleratorów otrzymuje się kwanty gamma o energiach rzędu GeV (np. pochodzące z promieniowania hamowania).
W promieniowaniu kosmicznym obserwuje się kwanty gamma w szerokim zakresie energii, najwyższe energie przekraczają wielokrotnie TeV.
Kwanty gamma oddziałują z materią, przy czym charakter tego oddziaływania zależy od ich energii. Dla niskich energii (mniejszych od kilkuset keV) dominuje efekt fotoelektryczny, dla energii od kilkuset keV do niewiele ponad 1 MeV dominuje efekt Comptona (rozpraszanie), powyżej 1,022 MeV pojawia się zjawisko produkcji par e+e-, które zaczyna dominować dla energii kilku MeV i większych.Dokładne granice określające dominację poszczególnego rodzaju oddziaływania silnie zależą od składu pierwiastkowego materii. Sumaryczna absorpcja w materii wraz z przebytą drogą dla kwantów gamma o określonej energii jest wyrażona poprzez sumę trzech funkcji ekspotencjalnych opisujących oddzielnie powyższe trzy procesy.