Od roku 1932 je podle Wernera Heisenberga atomové jádro považováno za soustavu částic – protonů a neutronů, které souhrnně nazýváme nukleony. Nejdůležitější veličiny, které charakterizují atomové jádro, jsou elektrický náboj Q, hmotnost jádra m, hmotnostní schodek B a vazebná energie jádra E.
Jádro je nositelem kladného náboje Q = +Ze, kde Z je počet protonů (protonové číslo) v jádře atomu a e = 1,6 · 10–19 C elementární náboj. Protonové číslo nabývá hodnot 1 – 92 pro prvky vyskytující se v přírodě a čísla větší pro uměle vyrobené prvky (transurany, nejznámější je plutonium Z = 94). V jaderné fyzice označujeme počet nukleonů, tedy součet protonů a neutronů, tzv. nukleonovým číslem A, které nabývá hodnoty od 1 do 270. Pro prvek X píšeme
Mezi protony v jádře působí záporná coulombovská síla a velmi malá gravitační síla. Protože jsou jádra stabilní, dá se předpokládat, že existuje síla další, která stabilitu zajišťuje. Další pokusy existenci nové síly potvrdily. Tato síla působí mezi všemi nukleony v jádře a jmenuje se silná nebo také jaderná síla. Jaderná síla převládá na krátké vzdálenosti (cca rozměry jádra) a na větších vzdálenostech dominuje coulombovská síla. Jediný atom, který nepotřebuje neutrony k zajištění stability svého jádra, je atom vodíku. Mnoho izotopů běžných prvků je nestabilních, tj. rozpadají se na atomy jiných prvků. Na dalším obrázku je znázorněna závislost počtu neutronů na počtu protonů v různých jádrech. Lehké stabilní izotopy leží blízko přímky N = Z, tj. mají v jádře přibližně stejný počet protonů a neutronů. U stabilních jader prvků s nukleonovým číslem větším než čtyřicet začíná postupně převažovat počet neutronů nad protony, protože při vzrůstajícím počtu protonů roste odpudivá coulombovská interakce protonů v jádře. Pro snížení celkové energie jádra je tedy výhodnější přítomnost dalších neutronů než protonů. Těžší nestabilní izotopy mají v jádře mnohem více neutronů než protonů.
Závislost počtu neutronů na počtu protonů.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Na základě poznatků o složení jádra atomu bychom mohli usoudit, že hmotnost jádra určíme, když sečteme hmotnosti všech protonů a neutronů v jádře. Například jádro helia se skládá ze dvou protonů (mp = 1,673 · 10–27 kg) a dvou neutronů (mn = 1,6749 · 10–27 kg). Jeho hmotnost by tedy měla být 2mp + 2mn = 6,696 · 10–27 kg. Ve skutečnosti však má atom helia hmotnost mHe = 6,644 · 10–27 kg. Vidíme, že hmotnost jádra atomu je menší, než součet hmotností částic, z nichž je jádro složeno. Tento výsledek platí obecně a označujeme ho jako hmotnostní úbytek. Existence hmotnostního úbytku je v plném souladu s výsledky speciální teorie relativity. Z ní vyplývá, že hmotnostní úbytek je ekvivalentní energii uvolněné při vytvoření jádra E = mc2. Energie E se nazývá vazebná energie. Vazebná energie určitého jádra je energie, která se uvolní při vzniku jádra z izolovaných nukleonů nebo která se vynaloží k rozdělení jádra na jednotlivé nukleony. Vazebná energie charakterizuje stabilitu jader. Čím je hmotnostní úbytek připadající na jeden nukleon větší, tím větší je energie, kterou bychom potřebovali k uvolnění protonu nebo neutronu z jádra atomu.
K vazebné energii a tím i stabilitě jádra přispívá počet nukleonů v centrální oblasti jádra (nukleony v povrchové oblasti nejsou tak dobře vázány), snižuje ji coulombické odpuzuvání protonů, poměr protonů a neutronů (pokud je v jádře daleko více protonů než neutronů, pak podle Pauliho vylučovacího principu musí nové protony obsazovat další a další kvantové stavy a dostávají se dál od centrální oblasti jádra, získáváme energeticky nevýhodná konfigurace; stejně to platí i pro neutrony), párování protonů a neutronů (lépe vázána jsou jádra se sudým počtem protonů a neutronů; sudo–liché, licho–sudé nebo licho–liché kombinace jsou vázány hůře).
Závislost vazebné energie na počtu neutronů v jádře.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Vazebná energie připadající na jeden nukleon nejprve se vzrůstajícím počtem nukleonů roste a po dosažení maxima opět klesá. Nukleony v atomech prvků, které mají vazebnou energii v okolí maxima, jsou v jádře vázány nejpevněji. Proto jsou jádra těchto prvků nejstabilnější. Pro prvky nalevo může být energeticky výhodné se sloučit s jiným jádrem. Pro jádra napravo může být energeticky výhodnější rozpadnout se na několik lehčích jader. Největší hodnoty vazebné energie připadající na jeden nukleon mají středně těžké prvky s 50 až 90 nukleony. Pro těžká jádra s 90 a více nukleony dochází naopak k pozvolnému poklesu vazebné energie připadající na jeden nukleon. Nejtěžší stabilní izotop je 209Bi. Zde končí tzv. "pevnina stability" (oblast stabilních jader v okolí linie stability). Další, těžší, známé nuklidy patří mezi nestabilní. Předpokládá se existence "ostrova stability" (další izolované oblasti stabilních jader) tvořeného supertěžkými jádry. V roce 1998 byl v Dubně objeven nový prvek s protonovým číslem 114, který je oproti ostatním těžkým prvkům (s poločasy rozpadu okolo tisícin až milióntin s) poměrně stabilní (poločas rozpadu je asi 30 s).
