Atomiydin

Atomiydin on atomin keskellä sijaitseva protoneista ja yleensä myös neutroneista koostuva muodostuma. Ytimellä on positiivinen sähkövaraus, ja se muodostaa valtaosan atomin massasta, sillä elektronin massa on paljon pienempi kuin protonien ja neutronien.
Ytimen läpimitta riippuu vahvasti sen massasta, kun taas koko atomin läpimitta on likipitäen vakio. Vety-ydin, joka on pelkkä protoni, on läpimitaltaan noin 1,6 femtometriä eli , uraaniytimen noin 16 fm. Tämä on vain noin formula_1 – formula_2 atomin läpimitasta.
Ytimen rakennetta, sitä koossa pitäviä voimia ja ytimien muuttumista tutkii ydinfysiikka. Vuonna 1912 Ernest Rutherford päätteli koetuloksista, että valtaosa atomin massasta on keskittynyt pienelle alueelle, ytimeen. Kemiallisissa reaktioissa atomien elektronit järjestyvät uudestaan mutta ytimet pysyvät ennallaan. Sen sijaan ydinreaktioissa ytimet muuttuvat.
Saman alkuaineen kaikissa atomiytimissä on sama määrä protoneja. Sen sijaan neutronien lukumäärä voi samankin alkuaineen atomeissa poiketa toisistaan. Tällöin on kyseessä saman alkuaineen eri isotoopit. Protonien lukumäärää sanotaan ytimen tai atomin järjestysluvuksi eli atomiluvuksi, neutronien lukumäärää neutroniluvuksi ja näiden summaa massaluvuksi.
Ytimen rakenne.
Ydin koostuu protoneista ja neutroneista, joita yhteisellä nimellä kutsutaan nukleoneiksi. Molemmat koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, kvarkeista. Vahva vuorovaikutus sitoo kvarkit nukleoneiksi sekä nämä edelleen ytimiksi.
Protonilla on yhden alkeisvarauksen suuruinen positiivinen sähkövaraus. Neutronilla ei ole sähkövarausta. Ytimen sähkövaraus on yleensä jakautunut melko tasaisesti koko ytimen alueelle paitsi vety- ja heliumytimissä, joissa se on pitkälti keskittynyt ytimen keskipisteen läheisyyteen, sillä nukleonit ovat 1s-tilassa olevia fermioneja, joilla ei näissä ytimissä ole ratapyörimismäärää.
Protonit ja neutronit.
Protonit ja neutronit ovat fermioneja. Molemmat kuuluvat baryonien ryhmään. Baryoneja on muitakin, mutta muut ovat erittäin epästabiileja eikä niitä esiinny normaaleissa atomiytimissä. Hiukkasfysiikan laboratorioissa tosin on voitu valmistaa ytimiä, joissa on myös hyperoneja. Protonilla ja neutronilla on toisistaan poikkeava isospin-kvanttiluku, minkä vuoksi niillä voi olla sama kvanttimekaaninen aaltofunktio. Toisinaan niitä pidetään saman perushiukkasen, nukleonin, kahtena eri olotilana.
Ydinvoimat.
Nukleoneja sitoo toisiinsa vahvan vuorovaikutuksen "jäännösvoima". Tämä voima on paljon heikompi kuin se, joka sitoo saman nukleonin kvarkit toisiinsa, samaan tapaan kuin neutraalien molekyylien välinen sähköinen van der Waalsin voima on paljon heikompi kuin atomin sisällä vaikuttavat sähköiset voimat. Nimensä mukaisesti vahva vuorovaikutus on kuitenkin niin voimakas, että tämä jäännösvoimakin on paljon suurempi kuin sähkömagneettiset voimat. Niinpä se pystyy pitämään ytimen koossa ja useimmiten erittäin stabiilina protonien välillä vaikuttavasta sähköisestä poistovoimasta huolimatta. Kuitenkin se heikkenee ytimen koon kasvaessa, minkä vuoksi tiettyä kokoa suuremmat ytimet hajoavatkin itsestään eli ovat radioaktiivisia. Raskain täysin stabiili ydin on lyijy-208-ydin, jossa on 82 protonia ja 126 neutronia.
Ydinmallit.
Ytimen säde on tärkeimpiä suureita, joka ydinmalleissa on selitettävä. Se on likipitäen verrannollinen ytimen massaluvun kuutiojuureen, etenkin suurilla ytimillä, jotka ovat likipitäen pallomaisia. Ytimen tiheys on miltei vakio, ja sen vuoksi ytimen säteen (R) ja massaluvun (A) välillä pätee likimääräisesti seuraava yhtälö:
formula_3
missä suuretta r0 voidaan pitää käytännössä vakiona, ja se on noin . Tarkkaan ottaen se kuitenkin vaihtelee eri ytimillä noin 0,2 fm:n verran eli noin 20 % arvostaan. Täten protonien ja neutronien pakkautumista ytimeen voidaan verrata kovien kuulien pakkaamiseen laatikossa.
Nestepisaramalli.
Varhaisimmissa ydinmalleissa ydintä verrattiin pyörivään nestepisaraan. Tässä mallissa ytimen oletettiin pitkäkantamaisten sähkömagneettisten voimien ja lyhytkantamaisten ydinvoimien yhteisvaikutuksesta käyttäytyvän paljolti samaan tapaan kuin nestepisara, jolla on tietyn suuruinen, sen koosta riippuva pintajännitys. Tällä mallilla voidaan menestyksellisesti selittä monet ytimen ominaisuudet, erityisesti niiden sidosenergian riippuvuus koosta. On kuitenkin tapauksia, joissa sidosenergia selvästi poikkeaa mallin edellyttämästä ja ydin on poikkeuksellisen stabiili. Näin on laita silloin, kun protonien, neutronien tai molempien lukumäärä on jokin ydinfysiikan ns. maagisista luvuista.
Kuorimalli ja muut kvanttimallit.
Ytimestä on laadittu useitakin malleja, joiden mukaan nukleonit ovat järjestyneet useille sisäkkäisille kuorille samaan tapaan kuin elektronit ytimen ympärillä. Näissä malleissa nukleonit saatetaan käsittää pistemäisiksi hiukkasiksi potentiaalikuopassa, jossa niiden oletetaan liikkuvan kitkattomasti, tai niitä voidaan kuvata kvanttimekaanisilla todennäköisyysaalloilla.
Näissä malleissa nukleonit ovat järjestyneet orbitaaleille pareittain, sillä ne ovat fermioneja eikä niitä voi olla useampia samassa kvanttitilassa. Samalla orbitaalilla voi kuitenkin olla kaksi nukleonia edellyttäen, että niillä on vastakkaissuuntainen spin. Erityisesti kevyimmissä ytimissä orbitaalit ovat hyvin verrattavissa elektronien orbitaaleihin. Esimerkiksi helium-4-ytimessä kaksi protonia ja kaksi neutronia ovat järjestyneet 1s-orbitaaleille hyvin samaan tapaan kuin elektronitkin, ja tämä ydin on epätavallisen stabiili vastaavasta syystä kuin heliumin elektroniverhokin. Tämän ytimen poikkeuksellisesta stabiiliudesta johtuu sekin, että kaikki ytimet, joissa on viisi nukleonia (He-5 ja Li-5), ovat erittäin epävakaita ja lyhytikäisiä.
Raskaammilla ytimillä kuoret poikkeavat elektronikuorista selvästi enemmän. Kuitenkin ydinmallien avulla voidaan johtaa ydinfysiikan ns. maagiset luvut 2, 8, 20, 28, 50, 82 ja 126. Ytimet, joissa protonien, neutronien tai molempien lukumäärä on jokin näistä, ovat erityisen stabiileja, sillä niillä on uloinkin kuori täysi samaan tapaan kuin jalokaasuilla on uloimmalla elektronikuorella oktetti, minkä vuoksi ne ovat kemiallisesti jokseenkin passiivisia. Maagiset luvut ilmenevät esimerkiksi siitä, että tinalla, jolla on 50 protonia, on 10 stabiilia isotooppia eli enemmän kuin millään muulla alkuaineella. Ytimet, joissa protonien tai neutronien lukumäärä on kaukana näistä, ovat usein erityisen epävakaita, mikä ilmenee esimerkiksi siitä, ettei alkuaineilla numero 43 ja 61, teknetiumilla ja prometiumilla, ole yhtään stabiilia isotooppia.
Mallien yhteensopivuus.
Suprajuoksevan nestemäisen heliumin tavoin atomiytimet ovat esimerkki tilasta, jossa toisaalta tilavuuksia koskevat ”tavalliset” hiukkasfysiikan lait pätevät suurilla tilavuuksilla, mutta hiukkasten kvanttimekaanisella aaltoluonteella on vaikutuksensa. Niinpä suprajuoksevassa heliumissa samoin kuin Bose-Einstein-kondensaatissa atomeilla on tietty tilavuus ja ne ikään kuin ”koskettavat” toisiaan, mutta kokonaisuutena tällaisilla aineilla on erikoisia ominaisuuksia, jotka voidaan selittää vain kvanttimekaanisesti olettamalla, että atomeilla on myös aaltoluonne. Koska ytimen hiukkaset ovat fermioneja, niistä ei tällaista kondensaattia muodostu, mutta monet ytimen ominaisuudet voidaan selittää vain käsittelemällä hiukkasia sekä tietyn tilavuuden omaavina hiukkasina että aaltoina, joita voidaan kuvata Schrödingerin yhtälöllä.