Nuklearna fizika se bavi istraživanjem strukture atomskog jezgra i procesa koji se u njemu odigravaju.

Građa atomskog jezgra

Nukleus ili jezgro atoma je izgrađeno od dvije vrste elementarnih čestica: protona i neutrona, koji se nazivaju jednim imenom nukleoni. Proton i neutron su dva stanjaiste čestice – nukleona. Proton p je stabilna čestica sa pozitivnim nabojem koji je po iznosu jednak negativnom naboju elektrona. Naboju jezgra je određen brojem protona Z i iznosi Z puta naboj elektrona e. Broj protona u jezgru jednak je broju elektrona u elektronskom omotaču kod neutralnih atoma. To je atomski broj koji određuje identitet atoma i čini njegov redni broj u periodnom sistemu elemenata. Kad se broj elektrona promijeni govorimo o pozitivnom ili negativnom jonu istog elementa jer je ostao isti broj protona. Kada se promijeni broj protona u jezgru atoma onda dolazi do promjene identiteta atoma. U prirodi imamo atome od Z = 1 za vodik do Z = 92 za uran U. U laboratorijima su proiyvedeni i neki tzv. transuranski elementi: neptunij Np sa atomskim brojem Z = 93, plutonij Pu sa atomskim brojem Z = 94.

Broj nukleona u jezgru označavamo sa A i nazivamo ga maseni broj zato što određuje masu. Broj neutrona označavamo sa N, pa imamo A = Z + N .
Nasuprot slobodnom protonu, neutron n u slobodnom stanju je nestabilna radioaktivna čestica koja se spontano raspada na proton, elektron i elektronski antineutrino:
 

Vrijeme života slobodnog neutrona je oko 15 minuta.

Lakša jezgra imaju ujednačen broj protona i neutrona, a teža jezgra imaju više neutrona nego protona. Elementi do rednog broja 20 imaju ujednačen broj protona i neutrona, a oni poviš tog rednog broja imaju više neutrona što se vidi i na grafu:

Slika 1: Grafički prikaz odnosa broja neutrona (N) i odnosa broja protona (P) za stabilna jezgra

Za atom se kao oznaka koristi redni broj Z, maseni broj A i simbola elementa:

 

Identitet jezgra je određen rednim Z i masenim brojem A. Jezgra sa istim rednim brojem, odnosno sa istim brojem protona se nazivaju izotopi. Svi izotopi imaju iste hemijske osobine jer su one određene brojem protona u jezgri. Izotopi vodika su deuterij i tricij. Otkriveno je oko hiljadu izotopa raznih elemenata, a mnogi su dobijeni u laboratorijama.

Masa protona je 1.836 puta veća od mase elektrona, a masa neutrona je oko 1838.5 puta veća od mase elektrona, što znači da je masa neutrona veća od mase protona. Masa slobodnog nukleona je približno jednaka atomskoj jedinici mase (1 u) koja je 1/12 mase atoma karbona:

 i iznosi:

 

Atomska masa nekog elementa je dakle približno jednaka masenom broju A. 

U atomskoj fizici u upotrebi je jedinica 1 MeV/c**2 koja je izvedena iz relativističke relacije od Einsteina za masu i energiju: E = m*c**2 . 

Spin protona i neutrona je 1/2 i radi se o fermionima.  Nukleoni se kao i elektroni podvrgavaju Paulijevom principu isključenja koje kaže da ne mogu na istom mjestu postojati dva ista sa sve 4 kvantna broja jednaka. Veličine koje karakteriziraju stanje nukleaona kao što su energija, impuls, moment impulsa itd. su kvantizirane i opisane kvantnim brojevima kao i elektroni u omotaču.

Cjela masa atoma je skoncentrirana u jezgru atoma, ali je volumen jezgra puno manji od volumena cjelog atoma. Ako bi atom zamisli kao stadion, jezgro bi bilo kao lopta na centru stadiona. Ugrubo se uzima da je jezgro oblika sfere sa volumenom koji je proporcionalan ukupnom broju nukleona: 

 

  – konstanta koja se određuje eksperimentalno.

Radijus protona ili neutrona je oko:

Zbog malog volumena jezgro ima ogromnu gustoću od oko 1.3 * 10 na 17 kg po metru kubnom ili oko 130 miliona tona po centrimetru kubnom. S obzirom da je volumen jezgre puno manji od volumena jezgra ta ostrva velikih gustoća su jako udaljena jedna od drugih. U Svemiru postoje objekti kod kojih se pod utjecajem gravitacije jezgra približavaju i iako ogromni po volumenu ipak imaju i gustoću jednaku gustoći jezgra i nazivaju se neutronske zvijezde. Kod njih se u procesu sažimanja elektron i proton pretvaraju u neutralne supostance neutron i elektronski neutrino.

Međudjelovanje nukleona u jezgru

To da je jezgro i dalje na okupu uprkos djelovanju Kulonovih odbojnih sila među protonima ukazuje na to da u jezgru postoji neka sila koja jezgro drži na okupu. Ta sila ili to međudjelovanje se naziva jakim nuklearnim međudjelovanjem. To je složeno ispoljavanje međudjelovanja između kvarkova u protonima i neutronima. Osobine nukleranog međudjelovanja otkrivene su eksperimentalnim putem, a neka od njih su:

• Nuklearno međudjelovanje je kratkog dosega. Na rastojanjima većim od 2 puta 10 na -15 – u nukleoni međusobno ne djeluju i nuklerane sile su zanemarljive. Na rastojanjima od 0.4 do 2 puta 10 na -15 u nuklerano međudujelovanje je privlačno i po intenzitetu premašuje elektromagnetsko.

Slika 2: Prikaz rastojanja na kojem jaka nuklearna sila djeluje privlačno i onog na kojem djeluje odbojno.

• Sila nuklearnog međudjelovanja je oko 100 puta jača od elektrostatičke i oko 10 na 40 puta jača od gravitacione sile između nukleona.
• Nuklearno međudjelovanje ne zavisi od električnog naboja nukleona, pa jednako međudujeluju i dva protona kao i proton i neutron.  
• Nuklearno međudjloevanje pojedinog nukleona pokazuje svojstvo zasićenosti, svaki pojedini nukleon međudjeluje samo sa prvim susjedima.
• Nuklearno međudujelovanje zavisi od međusobne orjentacije spinova nukleona koji međudujeluju. Energija dva nukleona sa paralenim spinovima nije jednaka energiji antiparalelnih spinova. Deuterij može da se formira samo ako su spinovi protona i neutrona paraleni.

Izvor: Fizika sa zbirkom zadataka za IV razred srednje škole / Fahrudin Kulenović, Slavenka Vobornik, Josip Sliško, 1998. godina.