Ядра атомов одного и того же химического элемента, содержащее различное количество нейтронов, называются изотопами.

Например: водород имеет три изотопа:

- протий состоит из одного протона;

- дейтерий имеет один протон и один нейтрон;

- тритий имеет один протон и два нейтрона.

В первом приближении ядро можно считать сферой, радиус которой равен:

м = ф,

где ф- ферми – единица длины в ядерной физике.

То есть, плотность вещества в ядрах примерно одинакова, так как их объём пропорционален числу нуклонов в ядре.

Каждый нуклон имеет полуцелый спин, т.е. и протоны и нейтроны являются фермионами.

Спины отдельных нуклонов в ядре складываются в результирующий спин ядра.

Поэтому спиновое квантовое число ядра может быть полуцелым, если число нуклонов в нем нечетное или целым (даже нулевым) при четном массовом числе.

У всех четно-четных ядер, такое ядро содержит четное число протонов и четное число нейтронов, спиновое число равно нулю. Поскольку масса нуклона больше массы электрона примерно в тысячу раз, то общей массой электронной оболочки принято пренебрегать и массу ядра считать равной массе атома.

Существуют частицы, которые могут без каких-либо внешних воздействий (самопроизвольно) делиться на несколько элементарных частиц; это явление называется радиоактивным распадом.

Запишем закон сохранения энергии для такого самопроизвольного распада, в соответствии с теорией относительности:

,

где Т – кинетическая энергия частицы, - её энергия покоя.

Пусть масса распадающейся частицы равна М, а массы n – частиц, на которые она распадается . Согласно закону сохранения энергии энергия покоя исходной частицы должна быть равна сумме энергий частиц-продуктов распада:

,

где - кинетическая энергия i –ой частицы.

Отсюда следует, что самопроизвольный распад частицы возможен только при условии, что ее масса М больше суммы масс продуктов распада.

.

При слиянии частиц должно выполняться обратное условие.

Определим массу ядра атома гелия He, который состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов; т.е. его массовое число А равно 4, а зарядовое Z = 2.

Проводя тривиальные расчеты

В таблице Менделеева указана масса атома гелия равная , что существенно меньше того, что мы получили.

Это обусловлено тем, что при объединении свободных нуклонов возрастает их потенциальная энергия.

Учитывая, что масса покоя любой частицы связана с её энергией законом Эйнштейна

, энергия четырёх свободных нуклонов будет равна: .

Энергия же нуклонов, объединенных в ядро .

Разность энергий свободных нуклонов и ядра называется энергией связи нуклонов в ядре:

.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из свободных нуклонов должно выделаться столько же энергии, сколько её нужно затратить при его расщеплении.

Энергия связи нуклонов в ядре численно равна работе, которую надо совершить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны без создания у них начального запаса кинетической энергии.

Величина, равная называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Учитывая взаимосвязь между энергией и массой, то выделившейся при образовании ядра энергии должно соответствовать эквивалентная масса.

Поэтому для обеспечения стабильности ядра его масса должна быть меньше массы свободных нуклонов на величину:

,

которая называется дефектом массы.