نيروی هسته ای

نيروی جاذبه بين نوكلئون های هسته كه باعث می شود نوكلئون ها به صورت پايدار در كنار هم باقی بمانند نيروی هسته ای ناميده می شود.

شرط پايداری هسته

براي پايداری هسته، بايد نيروی دافعه ی الكتروستاتيكی بين پروتون ها با نيروی جاذبه ی بين نوكلئون ها، كه ناشی از نيروی هسته ای است برابر باشد. ولی به دليل بلند برد بودن نيروی الكتروستاتيكی، يک پروتون تمام پروتون های ديگر درون هسته را دفع می كند، در حالی كه يک پروتون يا يک نوترون فقط نزديک ترين نوكلئون های مجاور خود را با نيروی هسته ای جذب می كند. به همين دليل وقتی تعداد پروتون های درون هسته افزايش يابد، اگر هسته بخواهد پايدار بماند، بايد تعداد نوترون های درون هسته نيز افزايش يابد. شكل زير نموداری از Z بر حسب N را برای عنصرهای مختلف نشان می دهد.

هسته ی پايدار با بيش ترين تعداد پروتون (\(Z = 83\) ) متعلق به بيسوت است. به جز توريم و اورانيوم كه در طبيعت يافت می شوند ساير هسته های سنگين با عدد اتمی بزرگتر از 83 ناپايدارند. اين دو عنصر تنها عنصرهايی اند كه واپاشی آن چنان كند است كه از هنگام تشكيل منظومه ی شمسی، فقط مقدار كمی از آن ها بر اثر واپاشی به عنصرهای سبک تر تبديل شده اند.

انرژی بستگی هسته ای

انرژی لازم برای جدا كردن نوكلئون های هسته انرژی بستگی هسته ای ناميده می شود.

كاستی جرم هسته

جرم هسته از مجموع جرم پروتون ها و نوترون های تشكيل دهنده كم تر است. اين اختلاف جرم كاستی جرم هسته ناميده می شود.

محاسبه ی انرژی بستگی هسته ای

برای به دست آوردن اين انرژی بايد از رابطه معروف اينيشتين در نظريه نسبيت استفاده نمود؛ (البته اين محاسبه خارج از برنامه ی كتاب درسی است)

\(E = m{c^2}\)

ترازهای انرژی هسته

انرژی نوكلئون های وابسته به هسته نيز مانند انرژی الكترون های وابسته به اتم كوانتيده اند و نوكلئون ها درون هسته نمی توانند هر انرژی دلخواهی را اختيار كنند. همچنين همان طور كه الكترون های اتم می توانند با جذب انرژی از تراز پايه به تراز برانگيخته بروند، نوكلئون ها نيز می توانند با جذب انرژی به ترازهای انرژی بالاتر بروند و درنتيجه هسته برانگيخته شود. هسته ی برانگيخته با گسيل فوتون به به تراز پايه بر می گردد. انرژی فوتون گسيل شده، با اختلاف انرژی بين دو تراز برانگيخته و تراز پايه برابر است.

(هسته های برانگيخته را با نماد \({X^ + }\)  نمايش می دهند)

تفاوت ترازهای انرژی نوكلئون ها با ترازهای انرژی الكترون

اختلاف بين ترازهای انرژی نوكلئون ها در هسته از مرتبه ی keV تا مرتبه ی MeV است، در حالی كه اختلاف بين ترازهای انرژی الكترون ها در اتم از مرتبه ی ev است. از اين رو، هسته ها در واكنش های شيميايی برانگيخته نمی شود.