Il nucleo atomico: protoni, neutroni e numero di massa, isotopi, dimensioni del nucleo e forza nucleare forte, stabilità nucleare

Nucleoni e numeri nucleari

Il nucleo è formato da nucleoni: protoni, con carica positiva, e neutroni, senza carica. Per descriverlo si usano il numero atomico $Z$ (numero di protoni), il numero di neutroni $N$ e il numero di massa $A$, legati da $A=Z+N$. La notazione $_{Z}^{A}\mathrm{X}$ indica un nucleo con $Z$ protoni e $A$ nucleoni. Gli isotopi hanno lo stesso $Z$ ma diverso $N$, quindi diverso $A$: per esempio $_{6}^{12}\mathrm{C}$ ha 6 protoni e 6 neutroni, mentre $_{6}^{14}\mathrm{C}$ ha 6 protoni e 8 neutroni ed è instabile.

Dimensioni e forza forte

Il nucleo è piccolissimo: si usano i femtometri, con $1\,\mathrm{fm}=10^{-15}\,\mathrm{m}$. Il raggio cresce con $A$ secondo $R=R_0 A^{1/3}$ con $R_0\approx 1{,}2\times10^{-15}\,\mathrm{m}$. La coesione è dovuta alla forza nucleare forte, attrattiva, a corto raggio (circa 2 fm) e indipendente dalla carica.

Stabilità

La stabilità dipende dal rapporto $N/Z$. La repulsione elettrica tra protoni cresce con il numero atomico, mentre la forza forte agisce solo a distanze nucleari.

• nei nuclei leggeri ($Z<20$) si ha circa $N\approx Z$;
• nei nuclei pesanti serve $N>Z$ per contrastare la repulsione coulombiana;
• oltre il bismuto ($Z>83$) nessun nucleo è stabile.