Атомні ядра складаються з протонів і нейтронів. Протони мають позитивний заряд, нейтрони не мають електричного заряду. Він тримає їх разом так звані сильна ядерна сила (яка може подолати відштовхування протонів).
Спосіб цього працює дещо аналогічно зв’язку електронів атомів або молекул. Тому може бути використаний подібний опис, про який ми поговоримо тут.
Різниця полягає у силі, яка відповідає за зв’язування, тоді як для електронів це електростатична сила, для ядер - це згадана сильна ядерна сила (для якої ми не знаємо простого закону сили або не існує).
Тим не менш, можна поступати аналогічно для ядер, як для атомів і молекул, і знаходити паралелі між ядерною фізикою та хімією. Це т. Зв багатошарова модель ядра, за яку Марія Гепперт Майєр (як друга жінка) та Ганс Йенсен (Нобелівська премія з фізики) отримали Нобелівську премію з фізики в 1963 році (двоє розділили половину Нобелівської премії, а Євген Вігнер отримав друга половина в тому році для чергового відкриття). Звичайно, за шаруватою моделлю стоять складні квантово-фізичні розрахунки, але результати можна проілюструвати так само, як і в хімії.
Ядерні частинки, протони та нейтрони, намагаються займати орбіти попарно (але вони виглядають інакше, ніж ми знаємо з хімії). Орбіти розташовані шарами відповідно до зростаючої енергії (отже, модель шару), заповнений шар стабільніший, ніж частково заповнений. Для протонів і нейтронів існують окремі "сходи" орбіт (тому не означає, що орбіталь може бути заповнений одним протоном і одним нейтроном).
З хімії ми пам’ятаємо, що стабільними атомами (в перерахунку на електрони) були ті, які мали повністю заповнений шар орбіталей, т.зв. дублет (гелій), відп. октет (інші рідкісні гази). Ці елементи дуже слабо реагують. Подібно до ядер, кількість протонів та електронів, що відповідають твердим шарам, відповідає стабільним ядрам. Однак їх називають не октетами, а магічними числами. Якщо ядро має магічну кількість протонів і нейтронів, воно називається вдвічі чарівнішим, і таке ядро особливо стійке.
Інші ядра менш стабільні, ніж дуже багато, це залежить від конкретного зайняття орбіт. Ті з найбільш несприятливою заселеністю є радіоактивними і стабілізуються випромінюванням деяких частинок. Подібним чином реактивні атоми стабілізуються втратою або поглинанням електронів.
Альфа-випромінювання насправді є випромінюванням двох протонів та нейтронів, ядер гелію. Бета-випромінювання викликається випроміненим (анти) електроном, що виникає при перетворенні нейтрона в протон (або навпаки).
А як щодо гамма-випромінювання? Це випромінювання надлишкової енергії у вигляді електромагнітного випромінювання. Так поводяться нестійкі ядра, а ядра, які перебувають у збудженому стані, а це означає, що частинка стрибнула на орбіту вищого шару. Він стабілізується, випромінюючи свою надлишкову енергію. І оскільки різниця в енергії між ядерними орбітами велика, це високоенергетичне гамма-випромінювання, а не УФ чи видиме світло, як у випадку з атомами та молекулами, в яких електрони стрибають між рівнями.
Як може утворитися такий атом? Наприклад, радіоактивним розпадом важчого ядра, де енергія, яка використовується для збудження, походить від енергії, що виділяється під час розпаду (а решта енергії традиційно перетворюється в кінетичну енергію літаючих частинок).
Шарувата модель є ілюстративною і багато що пояснює, але вона містить кілька наближень. Одним із них є заміна невідомих стосунків сильної ядерної сили на модельні (здогадані) відносини. Другий - сама суть шаруватої моделі, яка є лише приблизним, а не точним рішенням квантово-фізичних рівнянь для багатьох взаємодіючих частинок (те саме стосується шаруватої моделі в хімії, тому існує так багато винятків, що ми так обожнювали в школі). Тому фізики працюють над розробкою методів, які дозволять нам точніше прогнозувати стабільність ядер, що може допомогти, наприклад, у пошуку нових стабільних ізотопів або важких елементів у кінці періодичної системи.
То чому деякі елементи радіоактивні? Оскільки найбільш стабільне можливе ядро із заданою кількістю протонів та нейтронів все ще нестійке, оскільки сили, що утримують частинки в ядрі, не дозволяють зібрати щось більш стабільне. Подібно елементам з деякою кількістю електронів, вони дуже реактивні і, як будинки, складені з деякої кількості карток, більш схильні до розпаду.
PS: Малюнок показує протон з точки зору квантової хромодинаміки, це наше найбільш фізично точне уявлення про те, що насправді відбувається в атомних ядрах.