miniatuur|350px|Opbouw van materie Een atoomkern of nucleus vormt het centrum van een atoom, en bestaat uit nucleonen. Er zijn twee soorten nucleonen, namelijk positief geladen protonen, en ongeladen neutronen. Een proton en een neutron hebben vrijwel dezelfde massa, namelijk 1 atomaire massa-eenheid.
Rondom de positief geladen kern, bevindt zich een negatief geladen 'wolk' van elektronen. Doordat de kern positief geladen protonen en ongeladen neutronen bevat, is ze positief geladen. Het aantal negatief geladen elektronen in de omringende elektronenwolk is echter evenhoog als het aantal protonen in de atoomkern. Daarmee compenseert de negatieve lading van de elektronenwolk de positieve lading van de kern: een atoom als geheel is elektrisch neutraal.
Dit elementaire inzicht in de opbouw van de materie werd in 1911 door Ernest Rutherford ontdekt. Rutherfords ontdekking betekende het begin van de kernfysica.Krane 2016; Walker 2014 De kern is bijzonder klein, ten opzichte van de gemiddelde afstanden tussen de elektronen, en in vergelijking met de afmeting van het atoom als geheel, maar ze bevat vrijwel de gehele massa van het atoom. De ruimte buiten de kern kan, vanuit het perspectief van de kernfysica, als een praktisch lege ruimte worden opgevat.
De inwendige structuur van de kern of nucleus kan gemodelleerd worden met een schillenmodel voor de protonen en neutronen, dat niet moet worden verward met het elektronenschillenmodel voor het gehele atoom. Het nucleaire schillenmodel is in 1950 door Maria Goeppert-Mayer ontwikkeld.
miniatuur|323x323px|Ernest Rutherford in 1905, drie jaar voor een reeks revolutionaire goudfolie-experimenten aan de universiteit van Manchester.
Ontdekking van de atoomkern: het goudfolie-experiment Het goudfolie-experiment, ofwel Geiger-Marsden experiment, bestond uit een reeks waarnemingen gedaan door Ernest Rutherford, Hans Geiger en Ernest Marsden tussen 1908 en 1913 in hun laboratorium aan de universiteit van Manchester en resulteerde in de ontdekking dat atomen bestaan uit een kleine, zware positieve kern, met daarrond een uitgestrekte elektronenwolk. Rutherford, Geiger en Marden hingen een dun blaadje goudfolie op en richtten daar een straal alfadeeltjes (helium-4-kernen die van hun elektronen gestript zijn) op. Volgens het in die tijd heersende model van het atoom, Joseph Thomson's krentenbolmodel, zouden de alfadeeltjes onverstoord door de dunne folie van goud atomen heen moeten vliegen. De goudatomen waren immers simpelweg klompen positieve materie met wat negatieve ladingen erin verspreid. Rutherford en zijn assistenten observeerden echter dat de alfadeeltjes van de goudatomen af botsten en alle kanten op verstrooid werden. Uit het specifieke patroon van de verstrooiing van de alfadeeltjes, vastgelegd met fluorescerend papier, konden zij afleiden dat het atoom in werkelijkheid uit een zeer kleine, zware, positief geladen kern moest bestaan, met de elektronen wijd daarrond verspreid. E. Rutherford, The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom, Philosophical Magazine. Series 6, vol. 21. May 1911. Gearchiveerd op 10 november 2021.
Kernkracht thumb|Yukawa-potentiaal
Gelijke elektrische ladingen stoten elkaar af. De gravitatiekracht waarmee protonen elkaar aantrekken is een factor 1036 kleiner dan de elektrostatische afstoting tussen de protonen in de kern. Het is dan ook een andere kracht die de atoomkern bij elkaar houdt. Deze wordt de kernkracht genoemd, er zijn er twee, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht, en wordt overgebracht door pionen. De kernkracht is een restkracht van de sterke wisselwerking die de quarks binnen de protonen en neutronen bij elkaar houdt. Alleen op afstanden in de grootteorde van enkele kerndeeltjes van de atoomkern is deze kracht werkzaam. Over deze korte afstanden is deze kracht sterker dan de afstotende elektrostatische kracht.
De kernkracht wordt beschreven door de Yukawa-potentiaal en kan vergeleken worden met de vanderwaalskracht. De vanderwaalskracht is een elektrodynamische restkracht tussen neutrale atomen en moleculen die door fotonen wordt overgebracht. De kernkracht houdt de verschillende nucleonen in de kern bij elkaar zoals de vanderwaalskracht de moleculen in elektrisch geladen oliedruppeltjes bij elkaar houdt in de proef van Millikan. Met geladen oliedruppeltjes hebben Millikan en Fletcher in 1909 de elektrische eenheidslading van elektronen bepaald.
Kwantummechanica en hoge-energiefysica De kernfysica verschilt op een aantal punten van vakgebieden als atoomfysica, vastestoffysica en kwantumchemie: het aantal nucleonen in een atoomkern is minstens twee maal zo groot als het aantal elektronen in de elektronenwolk rond de atoomkern, de nucleonen hebben hoge energieën zodat berekeningen in relativistische ruimtetijd-stelsels uitgevoerd moeten worden, de combinatie van QCD en QED maakt de wisselwerking tussen nucleonen ingewikkeld. Omdat de wisselwerkingen tussen de nucleonen complexer zijn dan de elektromagnetische wisselwerkingen tussen elektronen in atomen, moleculen en vaste stoffen, is het lastig om voor atoomkernen eenvoudige rekenmodellen te ontwikkelen.
Atoomnummer, massagetal en radioactief verval thumb|Abundantie van de elementen in het zonnestelsel Het atoomnummer Z is het aantal protonen in de kern. Het bepaalt het chemisch element (en daarmee de chemische eigenschappen) en het aantal elektronen in de elektronenwolk rond de kern van het ongeladen atoom, want de grootte van de negatieve lading van een elektron is exact gelijk aan die van de positieve lading van een proton. Het massagetal A is de som van het aantal protonen en neutronen in de kern. Protonen en neutronen hebben bijna dezelfde massa. Het aantal neutronen N is gelijk aan het verschil van het massagetal en het atoomnummer: N = A − Z. De verschillende isotopen van een element hebben hetzelfde atoomnummer maar verschillende massagetallen. Een nuclide wordt bepaald door het chemisch element en de isotoop daarvan. Dit wordt meestal gespecificeerd met de afkorting van het element, met linksboven de waarde van N. In de kernfysica wordt voor het gemak ook wel de waarde van Z linksonder toegevoegd, zodat in een reactievergelijking de aantallen protonen gemakkelijker gevolgd kunnen worden. Zo is hetzelfde als .
Atoomkernen met een even atoomnummer hebben een hogere abundantie in het zonnestelsel dan elementen met een oneven atoomnummer, zoals aan het zigzagpatroon van de abundanties in de figuur rechts te zien is, omdat de atoomkernen van elementen met een even atoomnummer over het algemeen stabieler zijn dan kernen met een oneven atoomnummer. Verder valt op dat de elementen lithium, beryllium en boor een zeer lage abundantie hebben in vergelijking met waterstof, helium, koolstof-12 en de elementen die volgen. De reden daarvoor is dat beryllium-8 een obstakel vormt tijdens de nucleosynthese en alleen als intermediair aan het triple-alfaproces deelneemt. Naast de nucleosynthese van verschillende isotopen tijdens de oerknal en in sterren is de stabiliteit van de isotopen van zwaardere elementen medebepalend voor de abundantie van de verschillende elementen in het zonnestelsel.Abundance in the Universe of the elements. Gearchiveerd op 14 mei 2021.
Lijn Z = N en het neutronenoverschot thumb|Halveringstijden van de nucliden. Z is het atoomnummer en N is het aantal neutronen in de kern.
In de figuur rechts zijn de halveringstijden van de nucliden in kleur aangegeven als functie van het atoomnummer en het aantal neutronen in de kern. Aan het zwarte zigzag patroon en de losse zwarte puntjes van de stabiele nucliden is te zien dat atoomkernen met even aantallen protonen en neutronen over het algemeen stabieler zijn dan kernen met een oneven aantal protonen of neutronen. In de tabellen van de isotopen van koolstof t/m de isotopen van zwavel is te zien dat de nucliden met de hoogste relatieve aanwezigheid en een even atoomnummer op of dicht boven de lijn Z = N liggen.
Naarmate de kernlading hoger wordt komen de stabiele nucliden steeds verder boven de lijn Z = N te liggen. Daaruit blijkt dat kernen met een hoge kernlading stabieler zijn bij een groter neutronenoverschot. Voor middelzware elementen met een even atoomnummer neemt het aantal stabiele isotopen toe. Helium en koolstof hebben 2, zuurstof, neon, magnesium, silicium, argon, chroom en ijzer hebben 3, zwavel en calcium hebben 4 en titanium en nikkel hebben 5 stabiele isotopen.
Massagetallen A = 2 n en A = 4 n De massagetallen en neutronenoverschotten van de isotopen met de hoogste relatieve aanwezigheid (RA) en bindingsenergie (BE) van zuurstof t/m nikkel zijn:
Element O Ne Mg Si S Ar Ca Ti Cr Fe Ni Z 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28hoogste RA A 16 20 24 28 32 40 40 48 52 56 58 NO 0 0 0 0 0 4 0 4 4 4 2hoogste BE A 16 22 26 30 34 38 46 50 54 58 62NO 0 2 2 2 2 2 6 6 6 6 6
Deze tabel laat zien dat de massagetallen en de neutronenoverschotten van isotopen met: de hoogste relatieve aanwezigheid meestal deelbaar zijn door vier, de hoogste bindingsenergie even zijn maar meestal niet deelbaar zijn door vier. Door de belangrijke rol die helium-4 tijdens de nucleosynthese speelt is de relatieve aanwezigheid van isotopen met een massagetal dat deelbaar is door vier meestal hoog.
Periodiek systeem, magische getallen en stabiliteit thumb|Periodiek systeem met een kleurcodeweergave van het aantal stabiele isotopen per element
Het periodiek systeem der elementen is ingedeeld op basis van de atoomnummers en de chemische eigenschappen van de elementen. Voor de indeling van het periodiek systeem spelen de elektronenconfiguraties van edelgassen een belangrijke rol. De atomen van helium, neon, argon, krypton, xenon, radon en oganesson hebben 2, 10, 18, 36, 54, 86 en 118 elektronen en een gesloten buitenste elektronenschil. Voor isotopen bestaan er twee reeksen getallen met atoomnummers van kernen van de meest stabiele elementen. Die getallen worden door kernfysici magische getallen genoemd.
Magische getallen De magische getallen zijn ontdekt tijdens de ontwikkeling van het nucleair schillenmodel in 1950 door Maria Goeppert-Mayer. Het zijn: 2, 8, 20, 28, 50, 82 en 126. Atoomkernen met een aantal protonen of neutron gelijk aan een magisch getal zijn extreem stabiel omdat zij een volledig gevulde 'kernschil' hebben. Deze schillen dienen niet te worden verward met de elektronenschillen van het gehele atoom. Hier gaat het om orbitalen (schillen) voor de protonen en neutronen binnenin de kern. De bevinding van de magische getallen vormde de basis voor de ontwikkeling van het nucleair schillenmodel.
Elementen met een aantal protonen gelijk aan een magisch nummer zijn respectievelijk helium-4, zuurstof-16, calcium-40, nikkel, tin en lood-208.Magische getallen van nucleonen. Gearchiveerd op 11 oktober 2021. Een element met 126 protonen is vooralsnog niet ontdekt.Isotopen waarvan zowel het aantal protonen als het aantal neutronen een magisch getal is worden dubbel-magische isotopen genoemd.
Elementen met stabiele isotopen Er zijn 80 elementen met minstens één stabiele isotoop: die met de atoomnummers 1 t/m 82 (lood), behalve de elementen technetium en promethium, met de atoomnummers 43 en 61.
Over het algemeen zijn de even-even-isotopen, met een even aantal protonen en een even aantal neutronen, waarvan het neutronenoverschot niet te klein of te groot is, stabiel. De elementen met een oneven atoomnummer hebben over het algemeen minder stabiele isotopen dan elementen met een even atoomnummer.
Zeer stabiele isotopen De isotopen met een van de magische getallen als atoomnummer hebben een singlet grondtoestand met even pariteit. De meest stabiele isotopen uit de reeksen magische getallen zijn: Helium-4 met atoomnummer 2 is een zeer stabiel, dubbel magisch isotoop. Het komt als α-deeltje vrij bij talloze vervalprocessen en het speelt een belangrijke rol tijdens de nucleosynthese van andere elementen.