تعداد نوترونها در ساختار اتمی چگونه محاسبه می شود؟
عدد نوترون
به تعداد نوترون های موجود در هسته هر اتم عدد نوترون گویند و با نماد N نشان می دهند. اختلاف عدد جرمی و عدد اتمی معادل عدد نوترون است.
واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای
فرض کنید که نوترونی در اطراف یک هسته اورانیوم ۲۳۵ آزادانه در حال حرکت است. این هسته تمایل زیادی دارد که نوترون کند را به درون خود بکشاند و آن را جذب کند. هسته اورانیوم پس از گیر اندازی این نوترون دیگر هسته‌ای پایدار نیست و ناگهان از هم شکافته می‌شود. این هسته در طی فرایند شکافت به دو یا چند هسته با جرم کوچک‌تر، یعنی به صورت هسته‌های عناصر نزدیک به مرکز جدول تناوبی تجزیه می‌شود. واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای
حال اگر بخواهیم واکنش زنجیره‌ای ادامه پیدا کند، حفظ یک اندازه حیاتی برای ماده اولیه اورانیوم ضرورت دارد. در صورتی که مقدار اورانیوم را خیلی کمتر از جرم حیاتی ( بحرانی ) بگیریم، بیشتر نوترون‌های تولیدی فرار خواهند کرد زیرا این فرار به عواملی چون شکل فیزیکی اورانیوم و جرم آن وابسته‌است و در نتیجه واکنش متوقف می‌شود. از سوی دیگر اگر مقدار اورانیوم را فوق‌العاده زیاد بگیریم مثلاً به اندازه یک ابر جرم حیاتی ( بحرانی )، تمام نوترون‌های تولیدی در واکنش‌های بعدی شرکت خواهند کرد و انرژی آزاد شده در یک فاصله زمانی کوتاه آنچنان زیاد خواهد شد که نتیجه‌ای جز انفجار نخواهد داشت!! بین این دو حالت یک خط فاصل وجود دارد:اگر بزرگی کره اورانیومی شکل را درست برابر اندازه بحرانی بگیریم آنگاه از هر شکافت فقط یک نوترون برای شرکت در شکافت بعدی باقی می‌ماند در این صورت واکنش با آهنگ ثابتی ادامه می‌یابد. از خاصیت حالت سوم برای عملکرد نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌کنند. جرم حیاتی اورانیم حدود بیست و سه کیلو گرم است . ستاره فشرده
در ستاره‌های دوتایی معینی شامل یک کوتولهٔ سفید، جرم از ستارهٔ همراه بر روی کوتولهٔ سفید انتقال می‌یابد و نهایتاً به سمت حد چاندراسخار می‌کشاند. الکترون‌ها به منظور ایجاد نوترون‌ها، با پروتون‌ها واکنش داده و در نتیجه دیگر فشار لازم را برای مقاومت در برابر جاذبه فراهم نمی‌آورند که این، فروریختن ستاره را به دنبال دارد. اگر مرکز ستاره غالبا از کربن و اکسیژن تشکیل یافته باشد آنگاه این فروریختگی گرانشی، همجوشی خارج از کنترل کربن و اکسیژن را جرقه خواهد زد و موجب پدید ابرنواختر نوع la می‌گردد که در آن ستاره تماما از هم منفجر می‌شود، قبل از این که فروریختگی غیرقابل بازگشت شود. اگر مرکز ستاره بیشتر از منیزیم یا عناصر سنگین تر تشکیل یافته باشد، فروریختگی ادامه می‌یابد. با افزایش بیشتر چگالی، الکترون‌های باقی‌مانده با پروتون‌ها واکنش داده تا نوترون‌های بیشتری تولید شوند. فروریختگی ادامه می‌یابد تا زمانی که (در چگالی بالاتر) نوترون‌ها منحط گردند. یک تعادل جدید پس از اینکه ستاره به میزان توان سه از پایهٔ ده، به شعاعی بین ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر فشرده شود ممکن است. این یک "ستارهٔ نوترونی" است. هرچند اولین ستارهٔ نوترونی تا سال ۱۹۶۷ - زمانی که اولین تپ اختر رادیویی کشف شد - مشاهده نگشت، اما ستارگان نوترونی توسط باده و زویکی در سال ۱۹۳۳ مطرح شدند، فقط یک سال پس از آنکه نوترون در سال ۱۹۳۲ کشف شد. آن‌ها به این پی بردند که چون ستارگان نوترونی بسیار چگال هستند، فروریختن یک ستاره معمولی به یک ستاره نوترونی مقدار عظیمی از انرژی پتانسیل گرانشی را آزاد خواهد کرد که توضیح احتمالی را برای ابرنواختر فراهم می‌آورد. این توضیح ابرنواخترهای نوع lc، lb و ll است. این گونه ابرنواختر زمانی که هسته آهنی یک ستاره سنگین از حد چاندراسخار بگذرد رخ می‌دهد و به ستاره‌ای نوترونی فرو می‌ریزد. همانند الکترون‌ها، نوترون‌ها از فرمیون‌ها به حساب می‌آیند. آن‌ها به همین خاطر فشار انحطاط نوترونی را فراهم می‌آورند تا از ستاره نوترونی در برابر فروریزش نگاهداری کنند. علاوه بر این، کنش‌های تدافعی نوترون – نوترون فشار اضافه فراهم می‌آورد. همانند حد چاندراسخار برای کوتوله‌های سفید، یک حد جرمی برای ستارگان نوترونی وجود دارد: حد تولمان–اپنهیمر–ولکف، که این نیروها دیگر برای پابرجا نگه داشتن ستاره کافی نیستند. به دلیل اینکه نیروهای موجود در جرم چگال هادرونی به خوبی شناخته نشده‌اند، این حد به‌طور دقیق نامعلوم است ولی حدس زده می‌شود که بین ۲ تا ۳ برابر جرم خورشید (M) باشد. اگر جرم بیشتری بر روی ستارهٔ نوترونی افزوده شود، نهایتاً به این حد جرمی خواهد رسانده خواهد شد. اینکه بعد از آن چه اتفاقی می‌افتد کاملاً واضح نیست. نیلز بور
وی پس از آن، به رابطهٔ عدد اتمی یک عنصر، که تعیین‌کنندهٔ رفتار شیمیایی آن است، و تعداد الکترون‌های اتم پی برد. بور در سال ۱۹۱۲ به دانمارک بازگشت و دانشیار فیزیک دانشگاه کپنهاک شد. او پس از شکل‌گیری حرفهٔ آینده‌اش در کپنهاک با مارگارت نورلند ازدواج کرد. نتیجه این ازدواج شش پسر بود که تنها چهارتن از آن‌ها به بلوغ و بالاتر از آن رسیدند. تابش نوترون
چون نوترون‌هایی که به هسته هیدروژن (پروتون یا دوترون) برخورد می کنند، به آن هسته انرژی می دهند، پیوند‌های خود را می‌شکنند و قبل از توقف، مسافت کوتاهی را طی می‌کنند. این هسته‌های هیدروژنی، دارای انتقال انرژی خطی زیادی هستند و با یونیزاسیون موادی که از آن‌ها عبور می کنند، متوقف می شوند. بنابراین در بافت زنده، نوترون‌ها دارای اثربخشی بیولوژیکی نسبی بالایی هستند و تقریباً ده برابر بیشتر در ایجاد آسیب‌های بیولوژیکی در مقایسه با تابش گاما یا بتا با قرار گرفتن در معرض انرژی معادل، مؤثر هستند. این نوترون‌ها می‌توانند باعث تغییر عملکرد سلول‌ها یا توقف کامل تکثیر شوند و در طول زمان باعث آسیب به بدن می‌شوند. نوترون ها به ویژه به بافت های نرم مانند قرنیه چشم آسیب می رسانند. نوترون‌های پرانرژی به مواد در طول زمان آسیب می‌رسانند و آن‌ها را تخریب می کنند. بمباران مواد با نوترون‌ها، آبشارهای برخوردی را ایجاد می‌کند که می‌تواند نقص‌ها و نابجایی‌های نقطه‌ای در مواد ایجاد کند که ایجاد آن‌ها محرک اصلی تغییرات ریزساختاری است که در طول زمان در موادی که در معرض تشعشعات هستند اتفاق می‌افتد. در جریانات نوترونی بالا، این می تواند منجر به شکنندگی فلزات و سایر مواد و تورم ناشی از نوترون در برخی از مواد شود. این مسئله مشکلی را برای کشتی‌های رآکتور هسته‌ای ایجاد می‌کند و به طور قابل توجهی طول عمر آنها را محدود می‌کند. بلوک های تعدیل کننده نوترون گرافیت در برابر این اثر که به عنوان اثر ویگنر شناخته می شود، حساس هستند و باید به طور دوره‌ای آنیل شوند. آتش سوزی به دلیل یک اتفاق ناگوار در طول چنین عملیات بازپختی رخ داد. ستاره فشرده
اگر ما می‌توانستیم از هستهٔ کوتولهٔ سفیدمان جرم برداریم و آهسته شروع به فشردن آن کنیم، ابتدا الکترون‌ها را می‌بینیم که مجبور به آمیزش با هسته‌ها می‌شوند و پروتون هایشان را توسط فرسودگی معکوس بتا به نوترون‌ها تبدیل می‌نمایند. تعادل به سمت سنگین تر، هسته‌های غنی تر از لحاظ نوترون انتقال می‌یابد که در چگالی‌های معمولی پایدار نیست. با افزایش چگالی، این هسته‌ها هنوز بزرگتر گشته و کمتر خوب پیوند یافته‌اند. در یک چگالی بحرانی حدود ۴·10 kg/m³، به نام خط سرریزی نوترون، هسته اتم تمایل می‌یابد تا به پروتون‌ها و نوترون‌ها تفکیک شود. در نهایت ما به نقطه‌ای می‌رسیم که جرم برپایهٔ (~۲·10 kg/m³) جرم یک هسته اتم است. در این نقطه جرم عمدتا نوترون‌های آزاد، با مقدار اندکی از پروتون‌ها و الکترون هاست. تابش نوترون
آسیب تشعشع به مواد در نتیجه برهم کنش یک ذره پرانرژی (نوترون یا غیره) با یک اتم شبکه در ماده رخ می دهد. این برخورد باعث انتقال عظیم انرژی جنبشی به اتم شبکه می شود و به اتم ضربه اولیه (PKA) را وارد می کند. از آنجایی که PKA توسط سایر اتم‌های شبکه احاطه شده است، جابجایی و عبور آن از شبکه منجر به بسیاری از برخوردهای بعدی و ایجاد ضربه های اضافی بر روی اتم‌ها می‌شود که به عنوان آبشار برخورد یا آبشار جابجایی شناخته می شود. ضربه به اتم‌ها با هر برخوردی باعث از بین رفتن انرژی می‌شود و در واقع یک سری نقص فرنکل را در شبکه ایجاد می کند. گرما نیز در نتیجه برخوردها (از اتلاف انرژی الکترونیکی) ایجاد می شود، همانطور که احتمالاً اتم‌ها نیز تغییر شکل می‌دهند. بزرگی آسیب به حدی است که یک نوترون منفرد یک مگاولتی که یک PKA را در یک شبکه آهنی ایجاد می کند، تقریباً 1100 جفت فرنکل تولید می‌کند. کل رویداد آبشاری در یک مقیاس زمانی 1* 10 ثانیه اتفاق می‌افتد، و بنابراین، فقط در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری رویداد قابل مشاهده است. نوکلید
نوکلیدهایی که تعداد نوترون‌ها و پروتون‌هایشان زوج است، بالاترین پایداری را دارند. بین نوکلیدهای شناخته شدهٔ پایدار، ۵۷٪/۸ تعداد پروتون و نوترون زوج دارند. در ۱۹٪/۸ تعداد نوترون‌ها زوج و تعداد پروتون‌ها فرد است. در ۲۰٪/۹ تعداد پروتون‌ها زوج و نوترون‌ها فرد است و فقط در ۱٪/۵ از نوکلیدهای پایدار تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها هر دو فرد است. ذرات زیراتمی
معروفترین ذرات زیراتمی الکترونها پروتونها و نوترونها هستند. الکترون ذره بنیادی و غیرقابل تقسیم است و پروتون و نوترون ذرات ترکیبی هستند که از سه کوارک تشکیل شده‌اند. ایزوتوپ‌های نوبلیم
عنصر نوبلیم عنصری مصنوعی است که در رآکتورهای هسته‌ای تولید می‌شود و در نتیجه هیچ ایزوتوپ پایداری نداشته و جرم اتمی استاندارد برای آن قابل تعریف نیست. نخستین ایزوتوپ شناسایی شده این عنصر No بود که در سال ۱۹۶۶ میلادی تولید و ردیابی شد. تاکنون ۱۲ ایزوتوپ (No تا No و No) و سه ایزومر هسته‌ای (No, No, و No) از نوبلیم شناسایی شده است که پایدارترین ایزوتوپ در این میان No با نیمه عمر ۵۸ دقیقه است. واکنش هسته‌ای
شکافت 235U در این واکنش هسته‌ای وقتی نوترون کند بر روی اورانیوم-۲۳۵ برخورد می‌کند به 236U تحریک شده تبدیل می‌شود. نهایتاً تبدیل به باریوم و کریپتون و ۳ تا نوترون تند و 177 Mev انرژی آزاد می‌شود. در واکنش بالا به ازای هر نوکلئون حدود 1 Mev انرژی آزاد می‌شود. برای درک بزرگی این عدد در نظر بگیرید که در واکنش‌های شیمیایی مثل انفجار به ازای هر مولکول TNT حدود 30 ev انرژی ایجاد می‌شود. لازم است ذکر شود در راکتورهای هسته‌ای که با نوترون کار می‌کند، طبق واکنش‌های به عمل آمده ۲ الی۳ نوترون سریع تولید می‌شود. حتماً این نوترون‌های سریع باید کند شوند. نوترینو
نوترینوها در ضمن واپاشی بتا، در واکنش‌های هسته‌ای مانند آنچه در خورشید یا راکتورهای اتمی رخ می‌دهند و هچنین در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتم‌ها ایجاد می‌گردند. جابه‌جایی نوترون
جابه‌جایی نوترون به مطالعه حرکت نوترون‌ها در ماده می‌پردازد. در علوم هسته‌ای و مهندسی، نیاز است که بدانند نوترون‌ها درون دستگاه به چه سمتی و با چه سرعتی حرکت می‌کنند. محاسبه جابه‌جایی نوترون، معمولاً در آزمون هسته‌ی رآکتورهای هسته‌ای یا اشعه‌های صنعتی نوترون استفاده می‌شود. الکترون
تقریباً یک میلیون سال پس از مه‌بانگ، نخستین نسل از ستارهها شروع به شکل‌گرفتن نمودند. در درون ستاره‌ها، هسته‌زایی ستاره‌ای منجر به تولید پوزیترون‌ها از همجوشی هسته‌های اتمی می‌شود. این ذرات پادماده بلافاصله توسط الکترون‌ها نابود می‌شوند و پرتو گاما آزاد می‌کنند. نتیجه نهایی این فرایند یک کاهش پایدار در شمار الکترون‌ها و به همان میزان افزایش تعداد نوترون‌هاست، اما فرایند تکامل ستارگان ممکن است منجر به سنتز ایزوتوپ‌های رادیواکتیو شود. ایزوتوپ‌های انتخاب شده ممکن است دچار واپاشی بتای منفی شوند و یک الکترون و یک پادنوترینو از هسته منتشر کنند. مثلاً ایزوتوپ کبالت-۶۰ (Co) واپاشی می‌شود و به نیکل-۶۰ () تبدیل می‌شود. ستاره‌ای که جرمی بیش از ۲۰ جرم خورشیدی داشته‌باشد، در پایان دوران عمرش ممکن است دچار رمبش گرانشی شود و سیاه‌چاله تشکیل دهد. طبق فیزیک کلاسیک این اجسام پرجرم ستاره‌ای نیروی جاذبه گرانشی اعمال می‌کنند که آنقدر قدرتمند است که هیچ چیز حتی تابش الکترومغناطیسی یارای گریختن ار شعاع شوارتزشیلد را ندارد. اما در فیزیک کوانتومی گمان می‌رود که آثار مکانیک کوانتومی این پتانسیل را دارند که اجازه بدهند تابش هاوکینگ از ان منتشر شود. چنین تصور می‌شود که در افق رویداد این بقایای ستاره‌ای الکترون (و پوزیترون) تولید می‌شود. عدد اتمی
عجیب بودن این ترتیب، بالاخره بعد از تحقیقات هنری موزلی در سال ۱۹۱۳ تشریح شد. موزلی کشف کرد که ارتباط دقیقی بین طیف بازتاب پرتو ایکس عناصر و محل صحیح آن‌ها در جدول تناوبی وجود دارد. بعداً نشان داده شد که عدد اتمی مساوی بار الکتریکی هسته است. به عبارت دیگر، این شماره شارژ الکتریکی هسته است که خواص شیمیایی عناصر را به وجود می‌آورد و نه جرم اتمی. واپاشی هسته‌ای
^{3}T -> ^{3}_{2}He + e- معمولا اگر تعداد نوترون‌های هسته یک اتم ۱/۵ برابر تعداد پروتون‌هایش باشد، آن اتم پرتوزا می‌شود، ولی در یک قاعده کلی تمام عناصر شناخته شده سنگین‌تر از سرب پرتوزا هستند. شکافت هسته‌ای
در سلاح‌های هسته‌ای واکنش زنجیره‌ای بدون کنترل ادامه می‌یابد تا بیش‌ترین انرژی ممکن در لحظه تولید شود. طی این واکنش زنجیره‌ای که در طی چند میلیونیم ثانیه رخ می‌دهد تعداد رویداد شکافت هسته‌ای به سرعت افزایش می‌یابد. در راکتورهای هسته‌ای سرعت نوترون‌ها را با استفاده از مواد کند کننده کاهش می‌دهند تا واکنش زنجیره‌ای کنترل شود. تابش نوترون
تابش نوترونی را اغلب پرتوهای یونیزه غیرمستقیم می نامند. نوترون‌ها به روش ذرات باردار مانند پروتون‌ها و الکترون‌ها (برانگیختن یک الکترون) یونیزه نمی‌شوند، زیرا نوترون‌ها بار ندارند. با این حال، در برهمکنش‌های نوترون تا حد زیادی یونیزه می‌شوند، برای مثال زمانی که جذب نوترون منجر به گسیل پرتو گاما می‌شود، پرتو گاما(فوتون) یک الکترون را از اتم حذف می‌کند یا هسته‌ای که از یک برهم‌کنش نوترونی عقب می‌نشیند یونیزه می‌شود و این شکل از یونیزاسیون سنتی‌تر و قدیمی تر است. از آنجایی که نوترون ها بدون بار هستند، نفوذپذیری بیشتری نسبت به تابش آلفا یا بتا دارند. در برخی موارد نفوذپذیری آنها بیشتر از تابش گاما است. در موادی با عدد اتمی کم مانند هیدروژن، یک پرتو گامای کم انرژی ممکن است نفوذپذیرتر از یک نوترون با انرژی بالا باشد. در فیزیک سلامت، تشعشعات نوترونی نوعی خطر برای سلامتی محسوب می‌شوند. یکی دیگر از خطرات جدی تشعشعات نوترونی، فعال شدن نوترون می‌باشد. تابش نوترونی توانایی این امر را دارد که در برخورد با اکثر موادی که در برابر آن قرار می گیرد، رادیواکتیوته را القا کند. این امر از طریق جذب نوترون‌ها توسط هسته‌های اتمی اتفاق می‌افتد که به هسته‌های دیگری تبدیل می‌شوند و اغلب یک رادیونوکلوئید را تشکیل می‌دهند. هسته آینه
هسته آینه به دو هسته اتم گفته می‌شود که در هر دو عدد اتمی یکی با عدد نوترون دیگر هسته برای است به عبارتی: گشتاور مغناطیسی نوترون
گشتاور مغناطیسی نوترون همانند سایر گشتاورهای مغناطیسی از اهمیت خاصی برخوردار است. بدلیل حرکت بارهای متحرک درون ذره مورد بررسی می‌توان شاهد ایجاد یک گشتاور مغناطیسی بود. از این رو جابجایی ذره‌های موجود درون نوترون (کوارک‌ها) موجب ایجاد نوعی گشتاور به نام گشتاور مغناطیسی نوترونی می‌شود. این گشتاور برابر −۹٫۶۶۲۳۶۴۰ × ۱۰ میکرونیوتن است. اتم
جهت بررسی اجزاء یک ماده، می‌توان به صورت پی در پی آن را تقسیم کرد. اکثر مواد موجود در طبیعت ترکیب شلوغی از مولکول‌های مختلف است. با تلاش نسبتاً کمی می‌توان این مولکول‌ها را از هم جدا کرد. مولکول‌ها خودشان متشکل از اتم‌ها هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به هم پیوند خورده‌اند. با مصرف انرژی بیشتری می‌توان اتم‌ها را از مولکول‌ها جدا کرد. اتم‌ها خود از اجزاء ریزتری به نام هسته و الکترون تشکیل شده که توسط نیروهای الکتریکی به هم پیوند خورده‌اند و شکستن آن‌ها انرژی بسی بیشتری طلب می‌کند. اگر سعی در شکستن این زیر اتمی با صرف انرژی زیاد بکنیم، کار ما باعث تولید شدن ذرات جدیدی می‌شویم که خیلی از آن‌ها بار الکتریکی دارند. همان‌طور که اشاره شد اتم از هسته و الکترون تشکیل شده‌است. جرم اصلی اتم در هسته قرار دارد؛ فضای اطراف هسته عموماً فضای خالی می‌باشد. هسته خود از پروتون (که بار مثبت دارد)، و نوترون (که بار خنثی دارد) تشکیل شده‌است. الکترون هم بار منفی دارد. این سه ذره عمری طولانی داشته و در تمامی اتم‌های معمولی که به صورت طبیعی تشکیل می‌شوند یافت می‌شوند. به جز این سه ذره، ذرات دیگری نیز در ارتباط با آن‌ها ممکن است موجود باشد؛ می‌توان این ذرات دیگر را با صرف انرژی زیاد نیز تولید کرد ولی عموماً این ذرات زندگی کوتاهی داشته و از بین می‌روند. عکس‌برداری نوترونی
عکس‌برداری نوترونی(به انگلیسی: Neutron imaging) فرآیند ساخت تصویر به وسیله نوترون‌ها می‌باشد. تصویر به دست آمده از شیء موردنظر در این روش بر اساس ویژگی‌های جذب نوترون می‌باشد. تصاویر به دست آمده اشتراکات بسیاری با تصویربرداری اشعه ایکس دارد؛ ولی از آنجایی که این تصاویر، بر اساس ویژگی‌های جذب نوترون می‌باشند، در برخی موارد که به سادگی با تصویربرداری نوترونی قابل مشاهده هستند، ممکن است با روش پرتو ایکس غیرقابل مشاهده باشند (و بالعکس). نوکلید
پس از کشف و مطالعهٔ عنصرهای شیمیایی، دانشمندان به تدریج متوجه تناقض‌هایی در ویژگی‌های آن‌ها شدند. طبق نظریه اتمی دالتون تمام اتم‌های یک عنصر باید وزن یکسانی داشته باشند، اما اندازه‌گیری‌های شیمیدانان در قرن نوزدهم نشان می‌داد که یک عنصر می‌تواند در شکل‌های مختلفی در طبیعت یافت شود که هر کدام از این شکل‌ها نیز جرم اتمی مخصوص به خود را دارند. برای حل این مشکل، شیمیدان انگلیسی فردریک سودی در سال ۱۹۱۳ پیشنهاد کرد که اتم‌هایی که تنها اختلافشان در وزنشان است، همگی در یک خانه جدول تناوبی قرار داده شوند و برای تمایزگذاری بین آن‌ها از واژه ایزوتوپ (به معنی هم‌خانه) استفاده شود. با ظهور دانش هسته ای و کشف ساختار هستهٔ اتم در قرن بیستم، معلوم شد که اختلاف وزن ایزوتوپ‌ها به دلیل تفاوت در تعداد نوترون‌ها است. با پیشرفت دانش هسته‌ای، تعداد زیادی «گونهٔ اتمی» مختلف کشف شد و روشن شد که برای توصیف آن‌ها به مفهومی جامع‌تر از ایزوتوپ نیاز است. در سال ۱۹۴۷ شیمیدان آمریکایی ترومن پی. کومان (Truman P. Kohman) با انتشار مقاله‌ای در نشریه «آمریکن ژورنال آو فیزیکس» واژه نوکلید را برای اشاره دقیق به یک گونهٔ اتمی خاص پیشنهاد کرد. ایزوتوپ
فرد یا زوج بودن تعداد پروتون‌ها، نوترون‌ها و مجموع آن‌ها تأثیر زیادی در پایداری هسته دارد. فرد بودن هم‌زمان تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها باعث کاهش انرژی بستگی هسته‌ای می‌شود؛ بنابراین، تعداد ایزوتوپ‌های پایدار در این حالت، بسیار کم است (تنها ۵ مورد شامل H و Li و B و N و Ta). در نقطه مقابل، زوج بودن هم‌زمان تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها یکی از عوامل اصلی پایداری هسته است. حدود ۵۸٪ ایزوتوپ‌های پایدار در این دسته قرار دارند و به علت جفت‌شدگی، اسپین همه آن‌ها صفر است. در نیمی از عناصر دارای عدد اتمی زوج، تعداد ایزوتوپ‌های پایدار، بیشتر یا مساوی شش است. پادذره
نوترون که بدون بار الکتریکی است از سه کوارک تشکیل شده است ولی پادنوترون هم متقابلا از سه پادکوارک ساخته شده است. با این وجود بعضی از پادذرات بدون بار خود همان ذرات هستند. برای نمونه پادذره فوتون (یا پادفوتون) خود همان فوتون است.اگر ذره ای با پادزره خودش برخورد کند هر دو نابود میشوند. نوترینو
formula_3 اتم رادیواکتیو پیش از واپاشی و formula_4 همان اتم بعد از واپاشی است. انرژی این الکترون می‌تواند از تقریباً صفر تا یک حداکثر معین باشد. انرژی کلی formula_3، منجمله انرژی جرم سکون آن، باید با کل انرژی formula_4 برابر باشد. چنان‌که دیده شد نسبت انرژی formula_4 به انرژی الکترون برخی اوقات بسیار بالا و گاهی پایین است و تقریباً هیچ بستگی ندارد. پس در معادله موازنه ایجاد نمی‌شود. آیا ذره غیرقابل دیدی منتشر می‌شود؟ این آزمایش‌ها به دلیل جنگ جهانی اول متوقف شد. پس از جنگ فردی به نام چارلز الیس به گروه رادرفورد پیوست. او و ویلیام وستر روشی برای بدست آوردن انرژی‌ای که در گذار از formula_3 به formula_4 حاصل می‌شد، اندیشیدند. شگردشان این بود که بگذارند انرژی منتشر شده، استوانه بزرگی از سرب را که کاملاً عایق شده بود، گرم کرده و درجه حرارت سرب را با دستگاه حساس ترموکوپل که قادر است تغییرات کوچک دما را نشان دهد، اندازه بگیرند. نتیجه قطعیت داشت. هیچ عامل گرم‌کننده دیگری بیرون نمی‌آمد. این انرژی گمشده اثری از خود باقی نمی‌گذاشت و توضیحی وجود نداشت. "مسئله انرژی گم شده در تابش پرتو بتا" چنان شدت گرفت که در سال ۱۹۲۹ نیلز بور پیشنهاد کرد که شاید اصل پایستگی انرژی در حوزه هسته بکار نیاید. توضیح انرژی گمشده باید در انتظار ولفگانگ پائولی باقی می‌ماند. او نمی‌توانست عقیده بور مبنی بر فروریختن اصل پایستگی را بپذیرد و برای "گذر از این تنگنا" در سال ۱۹۳۰ وجود ذره جدیدی را پیشگویی کرد که از این برهمکنش بیرون می‌آید و از خود در کالریمتر الیس نه مسیری و نه حرارتی باقی می‌گذارد. این ذره بایستی بدون بار و برخوردار از قدرت نفوذ بالا باشد. بدینسان پائولی ذره‌ای را که انریکو فرمی بعدها "نوترینو" نام گذاشت، پیشگویی کرد. به این ترتیب، واکنش واپاشی بتا چنان‌که در سال ۱۹۳۹ فرمی آن را به چاپ رسانید، چنین است: formula_10 ۲۵ سال باید می‌گذشت تا نوترینو مستقیماً ردیابی شود. اما خیلی پیش از آن ایده وجود نوترینو به طورکلی به سبب استفاده از اصل پایستگی انرژی، غیرمستقیم پذیرفته شده بود. باریون
همهٔ ما از اتم ساخته شده‌ایم. قسمت عمده جرم اتم را پروتون و نوترون موجود در هسته تشکیل می‌دهد. تصور بر این است که پروتون و نوترون از ذرات بنیادی‌تری به نام کوارک ساخته شده‌اند. دو کوارک بالا و یک کوارک پایین، پروتون را می‌سازند؛ و نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین به وجود آمده‌است. معمولاً ذراتی را که از سه کوارک ساخته شده‌اند باریون می‌نامند. از تمام حالات ممکن برای باریون، تنها پروتون و نوترون پایدارند، لذا این دو تنها ذرات باریونی مهم در جهان به‌شمار می‌آیند. واژهٔ دیگری به‌نام نوکلئون تنها به نوترون و پروتون اطلاق می‌شود؛ اما به صورت استاندارد، همچنان از عبارت باریون استفاده می‌شود. ایزوتوپ پرتوزای مصنوعی
وقتی که هستهٔ اورانیوم-۲۳۵ یک نوترون جذب کند، به صورت یک هسته ناپایدار در می‌آید، که بی‌درنگ به دو اتم کوچکتر شکسته می‌شود (پاره‌های شکافت). این فرایند همچنین با تولید دو یا سه نوترون و مقداری انرژی همراه است. نوترون‌های آزاد شده قادرند که هسته اورانیم -۲۳۵ دیگری را بمباران کرده و شکافت‌های متعددی را به وجود آورند. این شکافت منجر به واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای خودنگهدار می‌شود. خیلی از رادیو ایزوتوپ‌ها یا رادیو نوکلیدهای مفید نظیر ید-۱۳۱، مولیبدن-۹۹، زنون-۱۳۳ و سزیم-۱۳۷ در بیشتر واکنش‌های شکافت اورانیوم-۲۳۵ حاصل می‌گردند. معمولاً برای این منظور مقادیر کمی از اورانیوم-۲۳۵ را در رآکتور قرار می‌دهند و پس از مراحلی عملیات جداسازی ایزوتوپ‌ها را انجام می‌دهند. پراش نوترون
پراش نوترون یا پراکندگی الاستیک نوترونی، کاربرد پراکندگی نوترون در تعیین ساختار اتمی یا مغناطیسی یک ماده است. نمونه ای که مورد بررسی قرار می‌گیرد در پرتوی نوترون‌های حرارتی یا سرد قرار می‌گیرد تا الگوی پراش به دست آید. این الگو اطلاعاتی از ساختار ماده را به نمایش می‌گذارد. این تکنیک به پراش اشعه X شبیه است. اما به علت ویژگی‌های مختلف پراکندگی، نوترون‌ها و اشعه X اطلاعات مکملی را نشان می‌دهند: اشعه ایکس برای تجزیه و آنالیز سطحی مناسب‌تر است، زیرا اشعه ایکس قوی، از تابش سنکروترون برای عمق پایین یا نمونه‌های نازک مناسب است. اما، نوترونهایی که عمق نفوذ زیادی دارند، برای نمونه‌های سوا مناسب‌تر هستند. این تکنیک به یک منبع ذخیره نوترون نیاز دارد. نوترون‌ها را به‌طور معمول در یک رآکتورهسته‌ای یا یک پاشش تولید می‌کنند. در یک راکتور تحقیقاتی، مولفه‌های دیگری از جمله مونوکروماتور (تک رنگ) کریستال و همچنین فیلترهایی برای گزینش طول موج نوترون، ضروری است. برخی از قسمت‌های تنظیم نیز ممکن است متحرک باشند. در یک منبع پاشش، از روش زمان پرواز برای مرتب‌سازی انرژی نوترونهای مورد بررسی، استفاده می‌شود (نوترون‌هایی سریعتر هستند که انرژی بیشتری دارند)، بنابراین به هیچ تک رنگی نیازی نیست، بلکه به یک سری عناصر دیافراگم برای فیلتر کردن پالسهای نوترون با طول موج مورد نظر هماهنگ شده‌است. ایزوتوپ
در توضیح دیگر: ایزوتوپ به عنصر شیمیایی می‌گویند که در اتم خود، تعداد پروتون و الکترون یکسان و تعداد نوترون متفاوت داشته باشد. به عبارت دیگر، ایزوتوپ‌ها به عناصری می‌گویند که تنها در تعداد نوترون با یکدیگر متفاوت باشند. به طور مثال، کربن ۱۲ و ۱۳ و ۱۴، همگی ایزوتوپ‌های کربن به شمار می‌آیند. کربن-۱۴ در مجموع ۸ نوترون و کربن-۱۳ در مجموع ۷ نوترون دارند. برای کربن-۱۲ نیز تعداد ۶ نوترون در هسته اتم آن ذکر شده است. نوترینو
نوترینو یک ذره بنیادی است که از نظر الکتریکی خنثی بوده و به ندرت وارد برهمکنش می‌شود. نوترینو به معنی «کوچک خنثی»، معمولاً با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، از نظر الکتریکی خنثی بوده و قادر است از درون مواد تقریباً بدون هیچ برهمکنشی عبور نماید. نوترینوها دارای جرم بسیار کوچک، اما غیر صفر هستند. نوترینو با حرف یونانی formula_1 (نو) نمایش داده می‌شود. عدد جادویی (فیزیک)
عدد جادویی در فیزیک هسته‌ای بیانگر تعداد ذرات هسته اتم (نوترون یا پروتون) است که یک لایه هسته‌ای را به‌طور کامل پر کرده و موجب پایداری هسته اتم می‌شود. هفت عدد جادویی شناخته شده تا سال ۲۰۰۷ به ترتیب عبارت اند از: ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲، و ۱۲۶ . پروتون
پروتون ذره‌ای زیراتمی با نماد p  یا formula_1 است که جرمش ۱۸۳۷ برابر جرم الکترون و اندکی کمتر از جرم نوترون است. به پروتون و نوترون که هر کدام جرمی حدود یک یکای جرم اتمی (amu) دارند نوکلئون (ذرات درون هستهٔ اتم‌ها) هم می‌گویند. بار پروتون مثبت و اندازه‌اش با اندازهٔ بار الکترون (1e+) یعنی ۱۰× ۱٫۶۰۲۲ کولن دقیقاً برابر است. نوترینو
formula_20 در این آزمایش چشمه نوترینوها رآکتور هسته‌ای نیرومندی بود که در آن نوترینوها در ضمن واپاشی بتا از شکافت اورانیوم، به میزان ۱۰×۵ نوترینو در هر ثانیه و در هر سانتی‌متر مربع تولید می‌شدند. بعد از ماه‌ها آزمایش، آن‌ها در حدود سه نوترینو در هر ساعت را توسط آشکارسازهای خود که تعداد آن‌ها ۱۱۰ عدد بود، شناسایی کردند. ذره هسته‌ای
در شیمی و فیزیک، یک نوکلئون می‌تواند یک پروتون، یا یک نوترون باشد که در آن نقش به عنوان یک جزء هستهٔ اتم محسوب می‌شود. تعداد " نوکلئون"‌ها در هسته عدد تودهٔ ایزوتوپ (تعداد نوکلئون) را تعیین می‌کند. کربن
در واقع همگی اتم‌های کربن دارای شش پروتون هستند و تفاوت آنها در داشتن تعداد متفاوتی از نوترون‌ها است، نوترون‌هایی که تعدادشان می‌تواند از ۲ تا ۱۶ متغیر باشد. از میان تمامی ایزوتوپ‌های کربن، تنها دو مورد، ایزوتوپ طبیعی و پایدار محسوب می‌شوند که دارای بیش‌ترین میزان فراوانی نیز هستند. از این میان، این دو ایزوتوپ، ایزوتوپ کربن-۱۲ حدود ۹۸٫۹۳ درصد از کربن موجود بر روی زمین را تشکیل می‌دهد و ایزوتوپ کربن-۱۳، سهمی برابر ۱٫۰۷ درصد را دارا است. میزان کربن-۱۲ در ترکیبات زیستی حتی از مقدار ذکر شده نیز بیشتر می‌شود چرا که در واکنش‌های زیست‌شیمیایی، تمایل زیادی برای کربن-۱۲ نسبت به کربن-۱۳ وجود دارد. در سال ۱۹۶۱، اتحادیهٔ بین‌المللی شیمی محض و کاربردی، ایزوتوپ کربن-۱۲ را به‌عنوان مبنای تعیین جرم اتمی نسبی عناصر انتخاب کرد. در طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای از کربن-۱۳ برای شناسایی ساختمان شیمیایی ترکیبات کربنی استفاده می‌شود. فهرست عناصر بر پایه پایداری ایزوتوپ‌ها
هسته عنصرهای شیمیایی از نوترون‌ها و پروتون‌ها تشکیل شده‌اند که به وسیله نیروهای هسته‌ای به هم متصل هستند. پروتون داشتن بار مثبت موجب به هم پیوستگی در هسته می‌شود. ترکیب این دو نیرو، نسبت‌هایی از نوترون و پروتون را ایجاد می‌کند که گاه برخی پایدارتر و برخی ناپایدارتر هستند. نوترون‌ها عامل پایدارکننده در هسته اتم‌ها هستند چرا که موجب ایجاد تعادل در دافعه بین پرتون‌ها در هسته اتم می‌شوند. در نتیجه با بالا رفتن تعداد نوترون‌ها و افزایش نسبت نوترون به پروتون می‌بایست هسته پایدارتر شود البته باید توجه داشت که تعداد بسیار زیاد یا بسیار کم از نوترون‌ها نیز خود موجب ناپایداری هسته و ایجاد پدیده واپاشی هسته‌ای می‌شود. عکس‌برداری نوترونی
پرتوهای ایکس براساس چگالی یک ماده جذب می‌شوند. مواد متراکم‌تر، پرتوهای ایکس بیشتری را متوقف می‌کنند. این درحالی است که احتمال جذب نوترون‌ها در یک ماده به چگالی آن ارتباطی ندارد. بعضی از مواد سبک‌تر مثل بور، نوترون‌ها را جذب می‌کنند. درحالی که هیدروژن به‌طور کلی نوترون را پراکنده می‌کند و بسیاری از فلزهای رایج مورد استفاده، اکثر نوترون‌ها را از خود عبور می‌دهند. این عامل می‌تواند تصویربرداری نوترونی را در بسیاری از موارد بهتر از تصویربرداری با اشعه ایکس کند. مثل یافتن موقعیت اورینگ و یکپارچگی اجزای فلزی داخل آن در اتصالات بخش‌های تقویت کننده جامدی موشک.  نوترون توسط جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲ کشف شد. اولین نمایش رادیوگرافی نوترونی توسط و کوهن در اواخر دهه ۳۰ انجام شد. آنها دریافتند که هنگام بمباران به وسیله نوترون‌ها، برخی مواد تشعشعی را ساطع می‌کنند که می‌تواند فیلم را در معرض دید قرار دهد. این کشف تا سال ۱۹۴۶ یعنی زمانی که رادیوگرافی‌هایی با کیفیت پایین توسط پیترز کشف شد، در حد یک کنجکاوی باقی ماند. اولین رادیوگرافی نوترونی با کیفیت قابل قبول، توسط تولیس در سال ۱۹۵۵ انجام شد. واکنش هسته‌ای
می‌توان تصور کرد که جرم هسته، M، با جمع کردن Z (تعداد پروتونها) ضربدر جرم پروتون و N تعداد نوترون‌ها ضربدر جرم نوترون بدست می‌آید. عنصر شیمیایی
اتم‌های یک عنصر از دیدگاه الکتریکی خنثی هستند؛ زیرا تعداد الکترون‌های آن که دارای بار منفی هستند با تعداد پروتون‌های آن که دارای بار مثبت هستند برابر است. به همین دلیل، عدد اتمی اتم‌های یک عنصر هم نشان دهنده تعداد پروتون‌ها و هم الکترون‌های آن است. ویژگی‌های شیمیایی یک عنصر بیش از هر چیز با آرایش الکترونی آن تعیین می‌شود. می‌توان گفت که شناخت عدد اتمی یک عنصر به شناخت ماهیت آن عنصر کمک می‌کند. عدد اتمی یک عنصر را در گوشه سمت چپ و پایین نماد آن عنصر به صورت X می‌نویسند. شیمی
عنصر در دانش شیمی به ماده‌ای گفته می‌شود که اتم‌های آن تعداد پروتون‌های برابر در هسته‌ی خود داشته باشند. این عدد «تعداد پروتون‌ها» که با نماد Z نشان داده می‌شود، عدد اتمی آن عنصر نام دارد. همه اتم‌هایی که دارای تعداد پروتون‌های برابر «عدد اتمی برابر» باشند، ویژگی‌های شیمیایی یکسانی دارند. اما اتم‌های یک عنصر می‌توانند دارای تعداد متفاوتی نوترون باشند که ایزوتوپ‌های آن عنصر نامیده می‌شوند. گاهی نیز برای سادگی، به عنصر شیمیایی صرفاً عنصر گفته می‌شود. ویژگی‌های شیمیایی اتم‌های یک عنصر توسط ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود که آن نیز به تعداد پروتون‌های هسته آن اتم وابسته است. ایزوتوپ پرتوزا
راکتور هسته‌ای، چشمهٔ وسیعی از نوترون‌های حرارتی است. این نوترون‌ها به راحتی می‌توانند توسط ایزوتوپ‌های پایدار جذب شوند، که در این صورت ایزوتوپ حاصل دارای یک نوترون اضافی خواهد بود که عدد جرمی آن یک واحد افزایش می‌یابد. ایزوتوپ حاصل ممکن است که رادیواکتیو باشد، یعنی رادیوایزوتوپ داشته باشیم و ممکن است پایدار باشد. معادله می‌تواند به صورت زیر باشد. جدول تناوبی
اهمیت عدد اتمی در جای‌گذاری عنصرها در جدول تناوبی نادیده گرفته می‌شد تا این‌که وجود و ویژگی‌های پروتون و نوترون در هسته شناسایی شد. ذرات بنیادی
به تعداد پروتون‌های موجود در جهان قابل مشاهده عدد ادینگتون گفته می‌شود که در فیزیک و کیهان‌شناسی کاربرد دارد. عدد ادینگتون
در اخترفیزیک، عدد ادینگتون ، "N"، تعداد پروتون‌های موجود در جهان قابل مشاهده است. این اصطلاح به نام اخترفیزیکدان بریتانیایی آرتور ادینگتون نام‌گذاری شده‌است، که در سال ۱۹۳۸ نخستین کسی بود که مقدار "N" را پیشنهاد کرد و توضیح داد که چرا این عدد ممکن است برای کیهان‌شناسی فیزیکی و مبانی فیزیک مهم باشد. نوترون
جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲ این ذره را، که رادرفورد در سال ۱۹۲۰ وجود آن را پیش‌بینی کرده بود، کشف کرد. پروتون‌ها ذراتی با بار الکتریکی مثبت هستند و توسط نیروی کولنی به شدت همدیگر را دفع می‌کنند. علت این‌که پروتون‌ها همدیگر را دفع نمی‌کنند، برهم‌کنش آن‌ها با نوترون‌ها توسط نیروی هسته‌ای قوی است. نوترون در حال آزاد ذره‌ای ناپایدار است و عمر متوسط آن ۹۱۸ ثانیه است و به پروتون، الکترون و پادنوترینو واپاشیده می‌شود. به این واپاشی، واپاشی بتا منفی (\beta^{-}) می‌گویند. نوکلید
واژه ایزوتون را فیزیکدان آلمانی ک. گوگن هایمر (K. Guggenheimer) در سال ۱۹۳۴ ابداع کرد. وی در کلمه isotope حرف p (به عنوان نماینده پروتون) را با حرف n (به عنوان نماینده نوترون) جایگزین کرد تا به یکسان بودن تعداد نوترون‌ها اشاره کند. رزونانس مغناطیسی هسته‌ای
تمام پروتون‌های یک مولکول که در محیط شیمیایی یکسانی قرار دارند، اغلب دارای تغییر مکان شیمیایی یکسانی هستند، فقط یک جذب می‌دهند و از یک نوع هستند. این پروتون‌ها از لحاظ شیمیایی معادل خوانده می‌شوند. از طرفی، مجموعه‌ای از پروتون‌های موجود در مولکول‌ها که از لحاظ شیمیایی متفاوت هستند، جذب مختص به خود را می‌دهند. نه تنها انواع گوناگون پروتون‌ها تغییر مکان شیمیایی مختلفی دارند، بلکه مقدار تغییر مکان شیمیایی(δ)آن پروتون‌ها، صفت مشخصهٔ نوع آن‌ها خواهد بود. هر نوع پروتون فقط در محدوده‌ای از δ رزونانس می‌دهد. در طیف‌سنجی NMR تعداد قلل موجود در طیف، تعداد انواع پروتون‌ها را در مولکول مشخص می‌کند. نه تنها طیف NMR تعداد انواع گوناگون پروتون‌های یک مولکول را مشخص می‌کند، بلکه قادر به تشخیص تعداد پروتون‌های هر یک از انواع نیز می‌باشد. درطیف NMR مساحت هر قله متناسب با تعداد هیدروژن‌هایی است که آن قله را ایجاد می‌کنند. پراش نوترون
کاربرد دیگر آن، تعیین تعداد انحلال جفت یون در محلول‌های الکترولیت است. نوکلید
تا کنون (سال ۲۰۱۷) ۳۳۸۶ نوکلید شناخته شده که از این میان ۳۴۰ نوکلید در طبیعت یافت می‌شوند. مابقی نوکلیدها مصنوعی هستند و توسط واکنش‌های هسته‌ای ساخته می‌شوند. تمام نوکلیدهای مصنوعی پرتوزا و ناپایدار هستند و از آن جا که تحقیق و پژوهش در این زمینه ادامه دارد، تعدادشان در آینده افزایش خواهد یافت. طیف‌بینی فوتوالکترون پرتو ایکس
تعداد الکترون‌های ردیابی شده در هر ماکزیمم مشخصه یک عنصر، با میزان آن عنصر در سطح ماده مورد آزمایش در ارتباط مستقیم است. برای بدست آوردن مقادیر درصدی، هر سیگنال خام XPS باید با تقسیم تعداد الکترون‌های شدت سیگنال (تعداد الکترون‌های ردیابی شده) بر "فاکتور حساسیست نسبی RSF" و نرمال نمودن مقادیر با توجه به تمامی عناصر ردیابی شده صورت گیرد. نتایجی درصدی منتجه، مقادیر مربوط به عصنر هیدروژن را شامل نمی‌شود. محور عمودی نمودار طیف این روش شمار الکترونهای شناسایی شده (گاهی شمار الکترون بر یکای زمان) و محور افقی انرژی پیوند این الکترون‌ها است. هر عنصر باشنده روی سطح در نمودار قله‌های (پیک) ویژه‌ای در نمودار پدیدار می‌کند که نشانگر پیکربندی الکترونی آن عنصر است (1s, 2s, 2p, 3sو …). شمار الکترون شناسایی شده نیز بیانگر مقدار آن عنصر در سطح است. جزیره پایداری
در میان آن‌ها کلسیم نمونهٔ خوبی برای بررسی است. تعداد پروتون‌های آن ۲۰ است که یک عدد جادویی است، اما دو ایزوتوپ مختلف با دو عدد نوترونی جادویی ۲۰ و ۲۸ دارد که هر دو پایدارتر از سایر ایزوتوپ‌های کلسیم هستند و ایزوتوپ ۲۸ نوترونی از ایزوتوپ ۲۰ نوترونی نیز پایدارتر است. برای محاسبهٔ عددهای جادویی هسته‌های فوق سنگین، باید مسئلهٔ تغییر شکل هسته را نیز در نظر گرفت. شکل یک هستهٔ دوچندان جادویی، کروی است. هسته‌های دیگر تغییر شکل داده و به صورت بیضوی کشیده یا بیضوی پَخت درمی‌آیند. این امر منجر به بازآرایی پروتون‌ها و نوترون‌ها در پوسته‌ها می‌شود. این پوسته‌های تغییر شکل یافته برای پر شدن به مجموعه‌های جدیدی از نوترون‌ها و پروتون‌ها نیاز دارند که می‌تواند باعث تغییر عددهای جادویی برای رسیدن به هسته‌های فوق سنگین کروی بشود. لذا بر پایهٔ مدل پوسته‌ای هسته پیش‌بینی می‌شود بتوان هسته‌های فوق سنگینی ساخت که هر دو پوستهٔ نوترونی و پروتونی در آن‌ها پر شده باشند و در عین حال شکل هسته‌شان کروی باشد و بنابراین از پایداری بالایی برخوردار باشند. عنصر شیمیایی
عنصر یا اِلِمان شیمیایی، در دانش شیمی به ماده‌ای گفته می‌شود که اتم‌های آن از تعداد پروتون‌های برابری در هستهٔ خود برخوردار باشند. این عدد (تعداد پروتون‌ها) که با نماد Z نشان داده می‌شود، عدد اتمی آن عنصر نام دارد. همهٔ اتم‌هایی که دارای تعداد پروتون‌های برابر (عدد اتمی برابر) باشند، ویژگی‌های شیمیایی یکسانی دارند. اما اتم‌های یک عنصر می‌توانند دارای تعداد متفاوتی (نوترون) باشند که (ایزوتوپ)های آن عنصر نامیده می‌شوند. گاهی نیز برای سادگی، به عنصر شیمیایی صرفاً عنصر گفته می‌شود. ویژگی‌های شیمیایی اتم‌های یک عنصر که توسط ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود که آن نیز به تعداد پروتون‌های هسته آن اتم وابسته است. در بیان کلی مفهوم عنصر به ویژگی یک اتم گفته می‌شود که آن را از سایر ویژگی‌هایی که اتم‌های دیگر دارند متمایز می‌کند. منظور از ویژگی در حالت کلی به تعداد پروتون‌های یک اتم در هستهٔ خود گفته می‌شود که ویژگی آن را شکل می‌دهد این همان ویژگی است که به‌طور مثال اتم مس را از طلا متمایز می‌کند. تمام عناصر شیمیایی از باریون ساخته شده‌اند. با این وجود کیهان شناسان بر این باورند که باریون تنها ۱۵٪ مواد قابل مشاهده در کیهان را تشکیل می‌دهند؛ بنابراین باقی‌ماندهٔ مواد موجود در کیهان، مادهٔ تاریک است که ماهیت آن شناخته شده نیست ولی از عناصری که ما می‌شناسیم تشکیل نشده‌است. از بین تمام عناصر دو عنصر هیدروژن و هلیم که در بدو مه بانگ (بیگ بنگ) تشکیل شده‌اند، فراوان‌ترین عناصر موجود در کائنات هستند. ایزوتوپ پرتوزا
وقتی که هستهٔ اورانیم -۲۳۵ یک نوترون جذب کند، به صورت یک هسته ناپایدار در می‌آید، که بی‌درنگ به دو اتم کوچکتر شکسته می‌شود (پاره‌های شکافت). این فرایند همچنین با تولید دو یا سه نوترون و مقداری انرژی همراه است. نوترون‌های آزاد شده قادرند که هسته اورانیم -۲۳۵ دیگری را بمباران کرده و شکافت‌های متعددی را به وجود آورند. این شکافت منجر به واکنش هسته‌ای زنجیره‌ای خودنگهدار می‌شود. خیلی از رادیو ایزوتوپ‌ها یا رادیو نوکلوییدهای مفید نظیر ید-۱۳۱، مولیبدن-۹۹، زنون-۱۳۳ و سزیم-۱۳۷ در بیشتر واکنش‌های شکافت اورانیم-۲۳۵ حاصل می‌گردند. معمولاً برای این منظور مقادیر کمی از اورانیم-۲۳۵ را در رآکتور قرار می‌دهند و پس از مراحلی عملیات جداسازی ایزوتوپ‌ها را انجام می‌دهند. تابش نوترون
تابش نوترون گونه‌ای از پرتو یونی است که از نوترون‌های آزاد که می‌تواند حاصل یک شکافت هسته‌ای یا همجوشی هسته‌ای باشد، تشکیل شده است. این تابش با برخورد به هسته دیگر اتم‌ها جذب شده و منجر به پدید آمدن ایزوتوپ‌های جدید می‌شود. ذرات بنیادی
برخی تخمین‌های ارائه‌شده نشان می‌دهد که تقریباً ۱۰ باریون (تقریباً تمامی پروتون‌ها و نوترون‌ها) در جهان قابل مشاهده وجود دارد. دره پایداری
برای توصیف درهٔ پایداری بهتر است به جای «هسته» از لفظ دقیق «نوکلید» استفاده شود. نوکلید اتمی است که تعداد پروتون‌ها، تعداد نوترون‌ها و تراز انرژی (حالت برانگیختگی) آن مشخص و منحصر به فرد باشد. تا کنون حدود ۳۰۰۰ نوکلید شناخته شده‌است که از بین آن‌ها کمتر از ۳۰۰ نوکلید پایدار هستند. این نوکلیدهای پایدار، گونه‌های مختلف ۸۲ عنصر اول جدول تناوبی (به جز تکنسیم و پرومتیم) هستند. آن‌ها خودبه‌خود دچار واپاشی نمی‌شوند. اما نوکلیدهای ناپایدار، پرتوزا هستند و با گذشت زمان به‌طور خودبه‌خود دچار واپاشی شده و به نوکلیدهای پایدار تبدیل می‌شوند. اگر نمودار نوکلیدها برحسب تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها رسم شود، نموداری حاصل می‌شود که آن را به افتخار فیزیک‌دان ایتالیایی امیلیو سِگره، «نمودار سگره» می‌نامند. ملاحظه می‌شود که در نوکلیدهای نسبتاً سبک، یعنی نوکلیدهای عنصرهایی که عدد اتمی آن‌ها تا حدود Z=۲۰ است، تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های هسته برابر است. اما با افزایش تعداد پروتون‌ها، نیروی دافعهٔ الکترواستاتیک بین پروتون‌ها در هسته افزایش می‌یابد. برای غلبه بر این نیرو لازم است که تعداد نوترون‌ها در هسته بیشتر از تعداد پروتون‌ها باشد تا جاذبهٔ نیروی هسته‌ای قویِ حاصل از آن‌ها، بر دافعهٔ نیروی الکترواستاتیک پروتون‌ها غلبه کرده و باعث پایداری هسته بشود. بنابریان از عدد اتمی ۲۰ به بعد نوکلیدهای پایدار از خط Z=N فاصله می‌گیرند و به سمت فزونی تعداد نوترون‌ها متمایل می‌شوند. این فزونی با افزایش تعداد پروتون‌ها بیشتر می‌شود و برای نوکلیدهای سنگین نسبت نوترون به پروتون به ۱٫۶ می‌رسد. آخرین عنصر پایدار سرب با عدد اتمی ۸۲ است و در محدوده بالاتر از این عدد اتمی، دیگر نوکلید پایداری وجود ندارد. وقتی هسته بیش از حد بزرگ باشد ناپایدار می‌شود. عکس‌برداری نوترونی
به‌طور کلی منبع نوترون، یک راکتور تحقیقاتی است که تعداد زیادی از نوترون‌ها در واحد سطح(شار) آن در جریان هستند. برخی از فعالیت‌ها با منابع ایزوتوپی نوترون‌ها انجام شده‌است (معمولا ذره برانگیخته شده کالیفرنیوم 252 و تا حدی امریسیم و غیره). این عوامل به ازای کاهش شدت نوترون و کیفیت تصویر، هزینه‌های سرمایه‌گذاری را کاهش و تحرک را افزایش می‌دهند. علاوه بر آن، دسترسی به منابع شتاب دهندهٔ نوترون‌ها رو به افزایش است که این منابع شامل شتاب‌دهنده‌های بزرگ با اهداف شکافت هستند که می‌توانند منابع مناسبی برای تصویربرداری نوترونی باشند. خورشید
برخی مراحل از واکنش‌های زنجیرهٔ pp در مرکز خورشید، تولید نوترینو می‌کند. این نوترینوها به راحتی از میان لایه‌های خارجی عبور کرده، اطلاعاتی پیرامون شرایط مرکز خورشید در اختیار ما قرار می‌دهند. در دههٔ ۱۹۷۰، زمانی که برای نخستین بار نوترینوهای خورشیدی رصد شد، دانشمندان دریافتند که تعداد آن‌ها تنها یک سوم تعداد پیش‌بینی شده‌است. این ناسازگاری را مسئلهٔ نوترینوی خورشیدی (Solar neutrino problem) می‌نامند. در آزمایش‌های اولیه، تنها نوترینوهای تولیدی در شاخه‌های ppII و ppIII مشاهده شدند. فقط بخش اندکی از درخشندگی خورشید وابسته به این واکنش‌ها است، از این رو مشخص نبود که با این نتایج، عاقبت مدل‌های خورشیدی چه می‌شود. در دههٔ ۱۹۹۰ نوترینوهای شاخهٔ ppI، یعنی شاخهٔ اصلی در زنجیرهٔ pp، رصد شدند. اگرچه در اینجا ناسازگاری با مدل‌های استاندارد اندکی کاهش یافت، اما مسئلهٔ نوترینو همچنان پابرجا بود. شاید مشهورترین توضیح برای مسئلهٔ نوترینوی خورشیدی بر چیزی که نوسان‌های نوترینویی (Neutrino oscillation) نامیده می‌شود استوار است. بر اساس این توضیح، اگر نوترینو جرم کوچکی داشته باشد، یعنی حدود ۰/۰۱ الکترون‌ولت، یک نوترینوی الکترونی می‌تواند در مسیر حرکت از میان بخش‌های خارجی خورشید، به نوترینوی میونی یا تائوئی تبدیل شود. در آزمایش‌های نخستین، تنها نوترینوهای الکترونی مشاهده می‌شد که تنها بخشی از تمام نوترینوهای تولیدی بودند. در سال ۲۰۰۱ نتایج آزمایش‌های انجام شده در کانادا و ژاپن اعلان شد. در این آزمایش‌ها، تعداد نوترینوی الکترونی و تعداد کل نوترینوهای رسیده از خورشید مورد اندازه‌گیری قرار می‌گرفت. شار کلی با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد خورشید هم‌خوانی داشت و این در حالی بود که شار نوترینوی الکترونی با مقادیر کمتری که در اندازه‌گیری‌های اولیه نوترینو به‌دست آمده بود برابری می‌کرد. این نتیجه اثباتی بود بر وجود نوسانات نوترینوی خورشیدی که بر اثر آن، تعدادی از نوترینوهای الکترونی تولیدی در مرکز خورشید به انواع دیگر تبدیل می‌شدند. در حال حاضر می‌توان مسئله نوترینوی خورشیدی را حل‌شده دانست. این پاسخ یک پیروزی بزرگ برای مدل استاندارد خورشیدی به‌حساب می‌آمد و به‌وسیلهٔ آن وجود نوسانات نوترینویی نیز آشکار شد، چیزی که اثبات می‌کند نوترینو یک جرم کوچک ولی غیر صفر دارد. به نظر می‌رسد که مدل استاندارد فیزیک ذرات نیاز به بازنگری در برخی زمینه‌ها دارد. هسته اتم
هستهٔ اتم ناحیه‌ای با جرم بالا است که پروتونها و نوترونها در آن قرار گرفته‌اند. اندازهٔ هسته از اندازهٔ خود اتم بسیار کوچک‌تر است، و تقریباً تمام جرم اتم که از ذرات پروتون و نوترون سبب می‌شود در این ناحیه قرار دارد. نیروگاه هسته‌ای
کنترل فرایند شکافت زنجیره‌ای با استفاده از موادی که می‌توانند نوترون‌ها را جذب کنند (در اکثر موارد کادمیوم) ممکن می‌شود. سرعت نوترون‌ها در رآکتور باید کاهش یابد چراکه احتمال اینکه یک نوترون با سرعت کمتر در لحظه تصادم با هسته اورانیوم-۲۳۵ موجب شکافت هسته‌ای گردد بیشتر است. در رآکتورهای آب سبک از آب معمولی برای کم کردن سرعت نوترون‌ها و همچنین خنک کردن رآکتور استفاده می‌شود. اما زمانی که دمای آب افزایش می‌یابد چگالی آب کاهش می‌یابد و سرعت تعداد کمتری نوترون به اندازه کافی کم می‌شود و به این ترتیب تعداد شکافت‌های کاهش می‌یابند بنابراین یک بازخور منفی همیشه ثبات سیستم را تثبیت می‌کند. در این حالت برای آنکه بتوان دوباره تعداد شکافت‌های صورت گرفته را افزایش داد باید دمای آب را کاهش داد که به این کار ایجاد چرخه شکافت می‌گویند. ایزوتوپ‌های نیتروژن
عنصر نیتروژن(N) به طور طبیعی از دو ایزوتوپ پایدار نیتروژن-۱۴ و نیتروژن-۱۵ تشکیل شده است. تا به حال پانزده ایزوتوپ پرتوزا از نیتروژن شناسایی شده است که جرم اتمی آن‌ها بین ۱۰ تا ۲۵ است. نوترینو
امروزه رابطه فوق را در واپاشی بتا (نوع β) به شکل زیر می‌شناسیم که در آن یک نوترون (formula_11) به یک پروتون (formula_12)، یک الکترون (formula_13) و یک پادنوترینوی الکترونی (formula_14) واپاشی می‌کند: جزیره پایداری
نظریهٔ جزیرهٔ پایداری مبتنی بر مدل پوسته‌ای هسته — یکی از مدل‌های توصیف هستهٔ اتم — است. مطابق این مدل نوترون‌ها و پروتون‌ها در ترازهای انرژی متفاوتی حول مرکز هسته توزیع شده‌اند. هرکدام از این ترازها را اصطلاحاً یک پوسته می‌نامند. هر پوسته فقط می‌تواند تعداد مشخصی نوترون یا پروتون را در خود جای دهد و با پر شدن یک پوسته، نوترون یا پروتون بعدی به پوستهٔ بالاتر که شعاع بزرگتری دارد می‌رود. از این لحاظ، شعاع پوسته‌ها مانند شعاع لایه‌های پیاز حول مرکز هسته افزایش می‌یابد. پر بودن کامل یک پوسته باعث افزایش پایداری یک هسته می‌شود؛ مثلاً در عنصری مانند قلع، آخرین پوستهٔ هسته کاملاً از پروتون‌ها پر است و به همین دلیل هسته آن به طرز نامعمولی پایدار است. به تعدادی از نوترون‌ها و پروتون‌ها که یک پوسته را پر می‌کنند، عددهای جادویی گفته می‌شود. عددهای جادویی پروتون‌ها عبارتند از ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰ و ۸۲؛ عددهای جادویی نوترون‌ها نیز عبارتند از ۲، ۸، ۲۰، ۲۸، ۵۰، ۸۲ و ۱۲۶. اورانیوم
در طبیعت، اورانیوم به عنوان اورانیوم-۲۳۸ (۹۹٫۲۷۴۲٪) و اورانیوم-۲۳۵ (۰٫۷۲۰۴٪) یافت می‌شود. جداسازی ایزوتوپ، اورانیوم-۲۳۵ شکاف پذیر را برای سلاح‌های هسته ای و اکثر نیروگاه‌های هسته ای غنی می‌سازد. اکثر نوترون‌های آزاد شده توسط یک اتم شکافته شده اورانیوم-۲۳۵ باید بر سایر اتم‌های اورانیوم-۲۳۵ تأثیر بگذارند تا واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای را حفظ کنند. غلظت و مقدار اورانیوم-۲۳۵ مورد نیاز برای دستیابی به این هدف جرم بحرانی نامیده می‌شود. ایزوتوپ‌های محیطی
عنصرهای شیمیایی با تعداد پروتون‌هایشان تعریف می‌شوند، اما جرم اتم با تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های هسته تعیین می‌شود. ایزوتوپ‌ها اتم‌هایی هستند که از یک عنصر خاص تشکیل شده‌اند، اما تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند پس اعداد جرمی متفاوتی دارند. نسبت بین ایزوتوپ‌های یک عنصر در جهان اندکی متفاوت است، بنابراین برای مطالعه تغییرهای نسبت ایزوتوپی در سراسر جهان، تغییرها در نسبت ایزوتوپی به عنوان انحراف از یک استاندارد، ضرب در ۱۰۰۰ تعریف می‌شود. این واحد " در هر میلیون " است. به عنوان یک قرارداد، نسبت ایزوتوپ سنگین تر به ایزوتوپ پایین‌تر است. عدد اتمی
عدد اتمی اصولاً شماره هر عنصر در جدول تناوبی است. وقتی مندلیف، عناصر شیمیایی شناخته شده را بر اساس تشابهات آن‌ها در شیمی مرتب کرد، متوجه شد که قرار دادن دقیق آن‌ها بر اساس جرم اتمی، ناهماهنگی‌هایی را به‌وجود می‌آورد. او متوجه شد که اگر ید و تلوریم بر اساس جرم اتمی خود قرار بگیرند، ترتیبشان غلط به نظر می‌رسد و وقتی در جدول در جای مناسب قرار خواهند گرفت که جابجا شوند. با قرار دادن آن‌ها بر اساس نزدیکتر بودن خواص شیمیایی، شمارهٔ آن‌ها در جدول تناوبی همان عدد اتمی آن‌ها بود. به نظر می‌رسید که این عدد تقریباً با جرم اتم نسبت دارد. اما همان‌طور که تفاوت جرم خواص شیمیایی نشان داد، بازتاب خاصیت دیگری به جز جرم بود. گیراندازی نوترون
گیراندازی نوترون یک واکنش هسته‌ای است که طی آن یک یا بیش از یک نوترون به هسته یک اتم برخورد کرده و با آن ادغام می‌شود و تشکیل یک هسته سنگین‌تر را می‌دهد. جرم اتمی نسبی
وزن‌های اتمی امروزی با کمک جرم اتمی اندازه‌گیری شده برای هر هسته و ترکیب ایزوتوپ‌ها محاسبه می‌شود. امروزه جرم‌های اتمی تقریباً همهٔ عنصرهای ناپرتوزا، با دقت بسیار بالا در دسترس است. اما ترکیب ایزوتوپ‌ها چون در نمونه‌های گوناگون می‌تواند متفاوت باشد، اندازه‌گیری با دقت بالا را دشوار می‌کند. برای نمونه وزن اتمی سیلیسیم که به ویژه در مترولوژی مهم است را بدست می‌آوریم: سیلیسیم در طبیعت دارای سه ایزوتوپ Si و Si و Si است. جرم اتمی همهٔ این هسته‌ها با درستی یک در ۱۴ میلیارد برای Si و یک در یک میلیارد برای بقیهٔ آن‌ها در دسترس است. با توجه به جدول، محاسبه چنین است: انرژی بستگی هسته
فرمول نیمه‌تجربی جرم بر اساس مدل قطره مایعی هسته به دست آمده است. این مدل، هستهٔ اتم را به صورت قطرهٔ مایعی در نظر می‌گیرد که نوترون‌ها و پروتون‌ها نقش مولکول‌هایش را دارند. با در نظر گرفتن این مدل، برای محاسبهٔ انرژی بستگی هسته نقش پنج انرژی را باید در نظر گرفت که به ترتیب در پنج جملهٔ فرمول لحاظ شده‌اند: واپاشی هسته‌ای
^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He^2+ یا ^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + \alpha^{2+}^{137}_{55}Cs -> ^{137}_{56}Ba {+} e^- {+} \bar{\nu}_eو ^{22}_{11}Na -> ^{22}_{10}Ne {+} e+ {+} {\nu}_e^{99}_{43}Tc -> ^{99}_{43}Tc + \gamma تا اوایل قرن بیستم میلادی تصور بر این بود که تمام عناصر پایدار هستند، زیرا نظریه اتمی جان دالتون بیان می‌کرد که اتم‌ها نه به وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند و همه اتم‌های یک عنصر مشخص، از نظر کیفی ویژگی‌های یکسان دارند. در سال ۱۸۹۶، هانری بکرل به صورت اتفاقی پدیده پرتوزایی را کشف کرد. کشف پرتوزایی دانشمندان را بر آن کرد تا دلیل به وجود آمدنش را پیدا کنند. آزمایش‌های ارنست رادرفورد بر روی این پدیده، منجر به کشف هسته اتم شد. طبق آزمایش‌های رادرفورد، هسته اتم بار مثبت الکتریکی دارد که بعدها مشخص شد ناشی از پروتون‌‌ها است، ولی این به تنهایی نمی‌توانست پرتوزایی را توضیح دهد، حال آنکه باید عاملی وجود داشته باشد تا پروتون‌ها را در کنار هم نگه دارد تا از فروپاشی هسته به وسیله نیروی کولنی بین پروتون‌ها جلوگیری کند. پس از کشف نوترون توسط جیمز چادویک در سال ۱۹۳۲، به مدت کوتاهی معلوم شد که نوترون دومین ذره تشکیل دهنده هسته می‌باشد و عامل اصلی پایداری هسته و همچنین واپاشی آن است. پس از اثبات نوترون به عنوان دومین ذره تشکیل دهنده هسته، مفهومی به نام ایزوتوپ مطرح شد که بعدها با آزمایش‌های تجربی ثابت شد. ایزوتوپ ( و ) به معنای «هم‌جا» و «هم‌مکان»، به اتم‌هایی از یک عنصر مشخص گفته می‌شود که با وجود داشتن عدد اتمی و فعالیت شیمیایی یکسان، عدد جرمی متفاوت دارند. پایداری و ناپایداری این ایزوتوپ‌ها به تعداد نوترون‌های آن بستگی دارد. برای مثال، بعضی از عناصر تنها دارای یک ایزوتوپ پایدار هستند، مانند آلومینیوم و پتاسیم که تنها یک ایزوتوپ پایدار (^{27}_{13}Alو ^{40}_{19}K) دارند و بقیه همگی ناپایدار هستند (البته بعضی از آن‌ها ممکن است نیمه عمر بسیار طولانی داشته باشند، مانند ^{26}_{13}Alو ^{235}_{92}U)، برخی دو یا چند ایزوتوپ پایدار دارند، مانند فلزهای مس (^{63}_{29}Cu و ^{65}_{29}Cu) و قلع (^{112}_{50}Snو ^{114}_{50}Snو ^{116}_{50}Snو ...) و برخی دیگر ایزوتوپ پایداری ندارند، مانند اورانیوم (پایدارترین ایزوتوپ ^{238}_{92}Uبا نیمه عمر ۴٫۴۶۸۳‎ میلیارد سال) و فرانسیم (پایدارترین ایزوتوپ^{223}_{87}Frبا نیمه عمر 22 دقیقه). عناصر مصنوعی نیز عموماً نیمه عمر بسیار کوتاهی دارند، مانند عنصر اوگانسون (^{}_{118}Og) که در پایدارترین حالت نیمه عمری برابر ۸۹۰ میکروثانیه دارد. معروف‌ترین ایزوتوپ‌ها، ایزوتوپ‌های سه‌گانه هیدروژن هستند که در پایین معرفی خواهند شد: واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای
مشخص است که ما نیازی به تولید مستمر نوترون نداریم بلکه با اصابت اولین نوترون به هسته و آزاد شدن نوترون‌های ناشی از فرایند شکافت ما می‌توانیم نوترون مورد نیاز خود را بدست آوریم که مسلماً این تعداد نوترون بسیار بیشتر از نیاز ما خواهد بود. به حداقل مقدار اورانیومی که برای فرایند شکافت لازم است جرم بحرانی یا مقدار بحرانی می‌گویند. از به هم پیوستن دو یا چند جرم بحرانی یک ابر جرم بحرانی حاصل می‌شود. عدد تعامل ضعیف
می‌توان شش عدد کوانتومی با تعامل ضعیف برای لپتونها مشخص کرد: عدد الکترون، عدد میون، عدد تاو، و ارقام مربوط به نوترینو. این ارقام در تعاملات الکترومغناطیسی حفظ می‌شوند، اما در مورد تعاملات ضعیف این از طریق قاعده نقض می‌گردد. از این رو، این گونه اعداد کوانتومی تعاملی ضعیف کاربرد فراوانی ندارند. یک عدد کوانتومی برای هر نسل مفیدتر است. اما، نوترینوها از نسلهای مختلف می‌توانند با هم ترکیب شوند؛ یعنی یک نوترینو با عدد تعامل ضعیف می‌تواند به عدد کوانتومی تعامل ضعیف دیگر تبدیل گردد. توان اینگونه ترکیبات به وسیله ماتریس (MNS) مشخص می‌گردد. نوکلید
نوکلید (به انگلیسی Nuclide) اتمی است که تعداد پروتون‌ها، تعداد نوترون‌ها و تراز انرژی آن مشخص و منحصر به فرد باشد. به عبارت دیگر، نوکلید اتمی است که با ساختار ویژهٔ هستهٔ خود مشخص شده‌باشد. یک عنصر شیمیایی می‌تواند چند نوکلید مختلف با تعداد نوترون‌ها و ترازهای انرژی گوناگون داشته باشد. حداقل عمر یک نوکلید باید formula_1 ثانیه باشد تا به عنوان یک نوکلید متمایز شناخته شود. عدد کوانتومی
عدد کوانتومی الکترون‌های مداری یک اتم، یا اتم‌ها در یک مولکول، بر حسب نوع، چرخش، ارتعاش،اسپین، انرژی‌های مختلفی دارند. بر اساس نظریهٔ کوانتومی، مقدار انرژی چنین ذراتی کوانتیده‌است، یعنی تنها می‌تواند مقادیر معین و مشخصی داشته باشد. هر یک از چنین مقادیری برای فرم معین از انرژی به صورت ضریبی از یک کوانتوم هستند که مشخص‌کنندهٔ فرم انرژی مورد بررسی است. این ضریب عدد کوانتومی نامیده می‌شود. عدد اتمی
عدد اتمی (Z) ، اصطلاحی است که در شیمی و فیزیک برای بیان تعداد پروتون‌های موجود در هسته اتم به کار می‌رود. در معادلات عدد اتمی را با پروتون برابر در نظر می‌گیریم «p = z» این پدیده و اصطلاح نخستین بار توسط ارنست رادرفورد کشف و ابداع و سپس به کار رفته‌است. انرژی بستگی هسته
هنگامی که یک هسته از به هم پیوستن تعدادی نوترون و پروتون تشکیل می‌شود، مقداری انرژی آزاد می‌شود. چرا که نوترون‌ها و پروتون‌ها با تشکیل هسته وارد حالت پایدارتری می‌شوند و انرژی سیستم کمتر می‌شود. این انرژی آزاد شده را انرژی بستگی هسته (به انگلیسی Nuclear binding energy) می‌نامند. برای تجزیهٔ یک هسته به نوترون‌ها و پروتون‌های تشکیل‌دهنده‌اش نیز همین مقدار انرژی باید مصرف شود. تابش نوترون
نوترون‌ها ممکن است از همجوشی هسته‌ای یا شکافت هسته‌ای، یا از دیگر واکنش‌های هسته‌ای مانند فروپاشی رادیو‌اکتیو یا برهم‌کنش ذرات با پرتو‌ های کیهانی یا درون شتاب‌دهنده‌های ذرات منتشر شوند؛ از جمله منابع نوترون می توان به اشاره کرد. عنصر شیمیایی
جرم اتمی هر اتم، عددی است حقیقی که برابر است با جرم هر ایزوتوپ خاص از اتم یک عنصر که با واحد یکای جرم اتمی (U) نشان داده می‌شود. به دلیل برابر واحد U نبودن جرم پروتون و نوترون، بیشتر بودن تعداد نوترون‌ها از پروتون‌ها و ناچیز بودن جرم الکترون‌ها و همچنین به خاطر وجود انرژی بستگی هسته‌ای، عدد جرمی با جرم اتمی متفاوت است. به عنوان مثال، جرم اتمی کلر-۳۵ تا پنج رقم معنی‌دار برابر با ۳۴/۹۶۹U و وزن اتمی کلر-۳۷ برابر با ۳۶/۹۶۶U می‌باشد. جرم اتمی یک ایزوتوپ خالص یک عنصر بر حسب U بسیار به عدد جرمی آن نزدیک می‌باشد. تنها استثنا در مورد جرم اتمی ایزوتوپی از یک عنصر که از لحاظ ریاضی یک عدد حقیقی نیست، ایزوتوپ کربن-۱۲ است که مقدار آن بر حسب تعریف، دقیقاً برابر با دوازده U می‌باشد؛ زیرا یکای جرم اتمی به صورت یک دوازدهم جرم ایزوتوپ آزاد و بدون بار کربن-۱۲ در حالت پایه تعریف می‌شود. جرم اتمی نسبی یا همان وزن اتمی (اصطلاح مشهور و تاریخی برای جرم اتمی نسبی) هر عنصر در واقع میانگین جرم‌های اتمی تمام ایزوتوپ‌های آن عنصر با توجه به درصد فراوانی آن‌ها است. برای مثال جرم اتمی نسبی کلر برابر با ۳۵/۴۵۳U است که اختلاف معنی‌داری با عدد طبیعی منظور شده برای کلر (۳۵) دارد. علت آن، وجود دو ایزوتوپ با درصدهای فراوانی متفاوت در طبیعت است: کلر-۳۵ با درصد فراوانی ۷۶٪ و کلر-۳۷ با درصد فراوانی ۲۴٪. اتم
قطعاً مدل اتمی بور با اشکال قابل توجهی روبرو بود و آن هم نبود نوترون یا ماده‌ای بود که دافعهٔ بین پروتون‌ها در مرکز هسته را از بین ببرد. از اینرو چادویک با تأکید بر درستی مدل منظومه شمسی نیلز بور، با توضیح وجود نوترون در هستهٔ اتم، ایراد آن را برطرف کرد. از آن به بعد اصلاحات دیگری بر روی توضیح هستهٔ اتم انجام نشده‌است. البته دانشمندان بزرگی همچون اروین شرودینگر، پس از او نظریات اتمی بسیاری ارائه کرده‌اند، ولی هنوز هم (در رابطه با هستهٔ اتم)، کامل‌ترین نظریه متعلق به جیمز چادویک است. عدد جرمی
عدد جرمی (A) یک اتم برابر با تعداد نوکلئون‌‌ها؛ (مجموع تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های درون هستهٔ یک اتم) است. عدد جرمی یک عنصر تقریباً برابر با جرم اتمی آن است. عکس‌برداری نوترونی
در تعدیل‌کننده‌ها، نوترون‌ها در جهات مختلف حرکت می‌کنند. برای ایجاد یک تصویر مناسب، نوترون‌ها باید در یک جهت نسبتاً یکنواخت حرکت کنند (معمولا کمی واگرا). برای انجام این کار، یک روزنه (منفذی که به نوترون‌ها اجازه می‌دهد از درون آن عبور کنند که توسط مواد جاذب نوترون‌ها احاطه شده‌است) ورود نوترون‌ها به کلیماتور را محدود می‌کند. بعضی از سطوح کلیماتور که با مواد جذب کننده نوترون، (مثلا بور) پوشیده شده‌اند، نوترون‌هایی را که طول کلیماتور را در جهت مورد نظر طی نمی‌کنند، جذب می‌کنند. یک ارتباط بین کیفیت تصویر و زمان پرتودهی وجود دارد. یک سیستم با تنظیم کوتاه‌تر یا دیافراگم بزرگتر، پرتو نوترونی شدیدتری تولید می‌کند اما نوترون‌ها در زوایای متنوع‌تری حرکت می‌کنند. در حالی که یک کلیماتور بلندتر یا دیافراگم کوچکتر یکنواختی بیشتری در جهت حرکت نوترون‌ها تولید می‌کند اما به‌طور واضحی نوترون‌های کمتر و مدت زمان پرتودهی طولانی‌تری خواهیم داشت. فیزیک ذرات
۳-نوترینوها نسبت نوترون–پروتون
نسبت نوترون–پروتون یا نسبت ان/زد یا نسبت هسته‌ای، بیان‌کننده نسبیت تعداد نوترون موجود در هسته اتم به تعداد پروتون‌ها است. این نسبت به‌طور کلی با بالاتر رفتن عدد اتمی افزایش می‌یابد. نسبت نوترون–پروتون بالاتر نشان دهنده ناپایداری و پرتوزایی هسته است به طوری که در عناصر ابتدایی که این نسبیت تقریباً ۱ است پایداری به نسبیت عناصر انتهایی جدول تناوبی بیشتر است. سطح مقطع نوترون
در فیزیک هسته‌ای و فیزیک ذرات، از مفهوم سطح مقطع نوترون برای بیان احتمال برهم‌کنش بین نوترون تصادفی و هسته هدف استفاده می‌شود. این کمیت به همراه شار نوترون، محاسبه میزان واکنش را امکان‌پذیر می‌کند، به عنوان مثال جهت برآورد تولید توان حرارتی یک نیروگاه هسته‌ای کاربرد ارد. واحد استاندارد برای اندازه‌گیری سطح مقطع بارن است، که معادل 10 متر مربع یا 10 سانتی‌متر مربع است. هرچه سطج مقطع نوترونی بزرگتر باشد، احتمال واکنش یک نوترون با هسته بیشتر است. فناوری هسته‌ای
در واقع می‌توان هستهٔ یک «اتم» را با یک «نوترون» به دو جز کوچک‌تر تقسیم کرد. این همان شیوه‌ای است که در مورد ایزوتوپ‌های اورانیوم-۲۳۵ به کار می‌رود. در اینجا هستهٔ یک اتم توسط یک نوترون به دو بخش کوچکتر تقسیم می‌شود. در این راه با پرتاب یک نوترون به هسته اتم اورانیوم-۲۳۵، آن را به اورانیوم -۲۳۶ تبدیل می‌کنند. در این صورت هسته آن به سرعت شکافته و به دو اتم باریم و کریپتون تبدیل می‌شوند. علاوه بر آن چند نوترون و مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. بوهریم
بوهریم یا بوریم از عنصرهای شیمیایی جدول تناوبی است که در آزمایشگاه و به دست بشر ساخته شده و در طبیعت، به صورت طبیعی به دلیل ناپایداری بسیار بالا موجود نمی‌باشد. نشانه کوتاه آن Bh و عدد اتمی آن ۱۰۷ است. این عنصر به افتخار نیلز بور، دانشمند هسته‌ای و برنده جایزه نوبل، نام‌گذاری شده است. در سال ۱۹۷۶، دانشمندان روسی در دوبنا اعلام کردند که با بمباران ^{204}Bi با هسته‌های سنگین ^{54}Cr، عنصر ۱۰۷ را ساخته‌اند. این گزارش‌ها اعلام کردند که آزمایش‌های ۱۹۷۵ به دانشمندان امکان داده که عنصر جدیدی را بسازند. سیلندری که به سرعت می‌چرخد، با لایه نازکی از فلز بیسموت پوشیده می‌شود و به عنوان هدف به کار می‌رود. این هدف با جریانی از یون‌های کروم-۵۴ بمباران می‌شود. وجود عنصر ۱۰۷ توسط گروهی از فیزیکدانان آلمان غربی که در آزمایشگاه تحقیقاتی دارمستات کار می‌کردند تایید شد و شش هسته عنصر ۱۰۷ را شناسایی و تهیه کردند. انرژی بستگی هسته
برای محاسبهٔ انرژی بستگی، جرم هستهٔ را با ، جرم یک پروتون را با ، جرم یک نوترون را با ، تعداد پروتونها را با هلیوم
از نقطه نظر مکانیک کوانتومی، هلیوم دومین اتم ساده پس از هیدروژن، برای ساخت مدل کوانتومی است. هلیوم متشکل از دو الکترون در حال چرخش در اوربیتال‌های اتمی است که حول یک هسته دارای دو پروتون و (معمولاً) دو نوترون قرار دارند. در مکانیک نیوتونی، برای سیستم‌های بیش از دو ذره، امکان یافتن آنالیز دقیق ریاضی وجود ندارد و هلیوم نیز با داشتن دو الکترون و یک هسته، یک سیستم سه‌ذره‌ای محسوب می‌شود و در نتیجه امکان انجام محاسبات ریاضی با کمک مکانیک کلاسیک برای آن وجود ندارد؛ بنابراین، روش‌های عددی ریاضی برای آنالیز آن مورد نیاز است. روش‌های محاسباتی متداول در شیمی که برای ایجاد تصویری کوانتومی از الکترون استفاده می‌شوند، در برخی از مراحل محاسبه نسبت به مقادیر واقعی، خطایی کمتر از دو درصد دارند. چنین مدل‌هایی نشان می‌دهند که هر الکترون در اتم هلیوم بخشی از هسته را پوشش می‌دهد که در نتیجه چنین پوششی، بار مؤثر هسته‌ای که هر الکترون با آن مواجه است، حدود ۱٫۶۹ واحد است و نه دو واحد؛ که به‌طور کلاسیک از یک هسته نپوشیده هلیوم انتظار می‌رود. بالانویس و پایین‌نویس
ایزوتوپ‌های یک اتم هم با بالانویس نشان داده می‌شوند. در این شکل از نگارش تعداد نوکلئون‌ها به صورت بالانویس پیش از نماد شیمیایی نوشته می‌شود، مثل "C" ,"He" ,"C " یا "U". نوکلید
هرگاه تعداد نوترون‌ها و پروتون‌های یک نوکلید به ترتیب برابر با تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های یک نوکلید دیگر باشد، آن‌ها را هسته‌های آینه‌ای (Mirror nuclei) می‌نامند. مانند نوکلیدهای O و C یا He و H. عدد اتمی
در یک اتم بدون بار (شارژ نشده یا خنثی) تعداد الکترون‌ها با عدد اتمی برابر است. ایزودیافر
در فیزیک هسته‌ای ایزودیافر به نوکلیدهایی گفته می‌شود که دارای عدد جرمی و عدد اتمی متفاوتی هستند ولی اختلاف تعداد نوترون ها و پروتون‌ها در آن‌ها برابر است. به عنوان مثال در هر دو نوکلید U و Th اختلاف تعداد نوترون (N) و عدد اتمی (Z) برابر است با: N − Z = ۵۴. عنصر تک نوکلید
عنصرهایتک نوکلید به ۲۲ عنصر از عنصرهای شیمیایی گفته می‌شود که در طبیعت تنها با یک نوکلید مشخص یافت می‌شوند و در نتیجه جرم اتمی میانگین برای آن‌ها وجود نداشته و جرم اتمی دقیقی دارند. جزیره پایداری
حدود جزیرهٔ پایداری هنوز به‌طور قطعی مشخص نشده. چرا که برای محاسبهٔ تعداد پروتون‌ها و نوترون‌های جادویی روش‌های مختلفی وجود دارد که جواب‌های مختلفی به دست می‌دهند. گروهی از نظریه‌پردازان عدد جادویی پروتون‌ها را ۱۰۸، ۱۱۰ یا ۱۱۴ می‌دانند و گروهی دیگر ۱۱۴، ۱۲۰ یا ۱۲۶. اما در مورد تعداد نوترون‌ها اجماع بیشتری وجود دارد و هر دو گروه عدد جادویی نوترون‌ها را ۱۸۴ می‌دانند. آزمایش‌های عملی نیز این عدد را تأیید می‌کنند چرا که صرفنظر از تعداد پروتون‌ها، با نزدیک شدن تعداد نوترون‌ها به ۱۸۴، پایداری ایزوتوپ‌های یک عنصر افزایش میابد. برخی پژوهشگران عدد ۱۲۲ را نیز برای پروتون‌ها جادویی می‌دانند. برآوردهای دیگری مانند عدد اتمیِ ۱۴۲ و عدد جرمیِ ۲۲۸ نیز وجود دارد. نوکلید
۲-برابر بودن تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در نوکلیدهای سبک (Zالکترواستاتیک بین آن‌ها افزایش می‌یابد و هسته را ناپایدار می‌کند. برای غلبه بر این نیروها، باید تعداد نوترون‌ها در هسته افزایش یابد تا نیروهای هسته‌ای قوی بر نیروهای دافعهٔ الکترواستاتیک غلبه کنند و موجب پایداری هسته بشوند. با توجه به نمودار مشاهده می‌شود که با بالا رفتن عدد اتمی (Z>۲۰)، محدودهٔ پایداری نوکلیدها از خط N=Z فاصله می‌گیرد و به سمت افزایش تعداد نوترون‌ها می‌رود. مول
برای به دست آوردن جرم یک اتم بر حسب amu نیز می‌توان تعداد نوترون‌ها و پروتون‌ها را با هم جمع بست و عدد جرمیِ حاصل به تقریب خوبی همان جرم اتمی بر حسب amu است؛ البتّه صرف نظر از ایزوتوپ (هم‌مکان)های آن عنصر. مثلاً اتم لیتیمی که بیشتر در طبیعت یافت می‌شود (۹۴٪)، لیتیم-۷ است یعنی ۳ پروتون و ۴ نوترون دارد. در این صورت می‌گوییم جرم اتمی لیتیم برابر 7 amu است که با تقریب خوبی به جرم اتمی واقعی آن (6.94 amu) بسیار نزدیک است. پس می‌توانیم بگوییم: عنصر شیمیایی
اگرچه تعداد پروتون‌های اتم‌های یک عنصر همواره برابر است؛ ولی اتم‌های یک عنصر می‌توانند دارای تعداد نوترون‌های متفاوت و در نتیجه عدد جرمی متفاوت (ایزوتوپ‌های متفاوت) باشند. برای مثال، هیدروژن دارای سه ایزوتوپ اصلی است که عبارتند از: عنصر شیمیایی
عدد جرمی یک عنصر که با A نشان داده می‌شود، برابر است با مجموع تعداد نوکلئون‌ها (پروتون و نوترون) در داخل هسته اتم‌های آن عنصر. عدد جرمی معمولاً در کنار نماد عنصر نشان داده نمی‌شود؛ مگر این که بخواهیم به تفاوت ایزوتوپ‌های آن عنصر اشاره کنیم. برای نشان دادن عدد جرمی در کنار نماد شیمیایی عنصر، باید آن را در گوشه سمت چپ و بالای آن به صورت X نوشت. فراوانی عنصرهای شیمیایی
عناصر (همه آنچه از پروتون و نوترون ساخته شده) تنها بخش کوچکی از اجزای تشکیل دهنده جهان هستند. مشاهدات کیهانی نشان می‌دهند که عناصر شیمیایی، تنها ۴٫۶٪ انرژی (و جرم معادل آن) موجود در جهان را تشکیل می‌دهند. در حالی که بقیه جهان از انرژی تاریک و ماده تاریک به ترتیب با فراوانی ۷۲٪ و ۲۳٪ شکل یافته‌است.