Os prótons e os nêutrons formam um minúsculo núcleo atômico e são chamados coletivamente núcleos. O raio de um núcleo
é de 1,6 fm para o hidrogênio e de 15 fm para o urânio o que é muito menor que o raio do átomo ( 145 000 vezes para o hidrogênio e 2300 vezes para o urânio) . Os núcleos são ligados entre elas por uma força atrativa de curta alcança chamada força nuclear. Numa distancia inferior a 2,5 fm esta força é muito mais potenta que aforça eletrostática que afasta os protons carregados positivamente .
Os átomos de um mesmo elemento têm todos o mesmo número de prótons chamado número atômico. Num mesmo elemento , o número de nêutrons pode variar determinando o isótopo de este elemento . O número total de prótons e de nêutrons determina o nuclide. A relação entre o número de prótons e de nêutrons determina a estabilidade do núcleo inclusive certos isótopos perdem a estabilidade ficando radioativos. O nêutron e o próton são dois tipos de fermions. O principio de exclusão de Paulo é um efeito de mecânica quântica que proíbe que dois férmions idênticos ( como por exemplo, dois prótons) ocupam o mesmo estado quântico no mesmo momento. Assim cada próton no núcleo deve ocupar um estado diferente com seu próprio nível de energia.
Para os átomos de baixo número atômico, o núcleo que possui um número de prótons diferente de aquele de nêutrons pode cair num nível mais baixo de energia por radioatividade para chegar aos números de prótons e de nêutrons mais próximos um do outro. Os átomos com um número de prótons mais próximo do número de nêutrons é mais estável. Porem com o aumento do número atômico, a repulsão recíproca dos prótons exige um número mais de nêutrons para manter a estabilidade do núcleo que muda a regra. Assim não ha núcleos estáveis com uma igualdade de prótons e nêutrons com Z acima de 20 (Cálcio) e então quando Z aumenta a relação entre nêutrons e prótons se estabilize a 1,5
Le número de prótons e de nêutrons pode ser modificado num núcleo, porém este exige altas energias por causa da força nuclear. Temos fusão nuclear quando múltiplas partículas atômicas se junta para formar um núcleo mais pesado por exemple na colisão energética entre dois núcleos. Esta ocorre, no centro do sol, onde os prótons precisam de uma energia de 3 a 10keV para vencer a repulsão mútua –a barreira de Coulomb- e fusionar num só núcleo.A fissão nuclear é o processo inverso provocando o estouro do núcleo em dois núcleos menores por radioatividade. Os núcleos podem ser modificados por bombardeio por sub partículas com alta energia ou fótons. Se há modificação do número de prótons, o átomo é transformado em um elemento químico diferente. Após uma reação de fusão, a massa do nucleo obtido é uinferior à soma das massas dos núcleos iniciais. A diferencia de massa é emitida em energia como descrito pela formula d’Albert Einstein de equivalência entre a massa e a energia: E=mc2 onde m é a perda de massa e c a velocidade da luz.
A fusão de dois núcleos que têm um número atômico inferior ao número atômico do ferro e do níquel, normalmente é um processo exotérmico que emite mais energia que aquela exigida para reunir-los. É este excesso de energia que faz que a reação nuclear seja autogenerada nas estrelas. Para núcleos mais pesados, a energia de ligação total comece a diminuir. Significa que o processo de fusão com núcleos que tem números atômicos maiores é um processo endotérmico. Estes núcleos mais pesados não podem , nas estrelas produzir uma reação autogenerada.
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