VÔ KHỐI CÁC HIỆU ỨNG HỤT KHỐI LƯỢNG
Tương tác, liên kết các nucleon trong hạt nhân được quyết định bởi các lực hạt nhân đặc biệt. Chúng có liên quan với tương tác mạnh giữa các quark gần giống như các lực tương tác giữa các phân tử liên quan với các lực điện từ. Các phép đo chứng tỏ rằng mặc dù điện tích hạt nhân bằng tổng điện tích của các proton có mặt trong hạt nhân nhưng khối lượng hạt nhân lại nhỏ hơn tổng khối lượng các nucleon chút ít. Phần khối lượng thiếu hụt biến đâu mất? Câu trả lời được rút ra từ công thúc nổi tiếng của Einstein; liên hệ giữa năng lượng và khối lượng, E = mc2, ở đó c là vận tốc ánh sáng.
Để giải phóng các nucleon khỏi hạt nhân ta phải tốn một năng lượng bằng năng lượng liên kết Elk dùng để giữ chúng trong hạt nhân. Và ngược lại khi tạo thành hạt nhân từ các nucleon tự do, cũng phần năng lượng liên kết Elk này được giải phóng. Nhưng sự giải phóng năng lượng đưa tới việc làm giảm khối lượng hạt nhân, tức là đưa đến sự hụt khối lượng:
Ở đó Mhn là khối lượng hạt nhân có Z proton và N nơtron còn mp và mn là khối lượng của proton và nơtron.
Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng vào số nucleon A trong hạt nhân được biểu diễn dưới dạng một đường cong. Phân tích sự phụ thuộc này cho phép rút ra một loạt kết luận.
1. Đối với các hạt nhân nhẹ, đường cong đi dựng đứng lên trên nhưng bắt đầu từ hạt nhân có A = 25 thì dừng lại trong giới hạn 7 - 9 MeV. Do đó đối với các hạt nhân có A>25 năng lượng liên kết toàn phần Ek tỷ lệ thuận với số nucleon A trong hạt nhân, điều đó có nghĩa là mỗi nucleon chỉ tương tác với các nucleon nằm gần nó nhất. Đặc điểm này là do bán kính tác dụng ngắn của các lực hạt nhân gây ra (khoảng cách giữa các nucleon vào khoảng 10-13cm). Chính vì nếu như mỗi nucleon tương tác với tất cả các nucleon khác thì năng lượng liên kết phải tỷ lệ với A2 chứ không phải với A, và do đó, đại lượng Elk/A sẽ tăng một cách tỷ lệ với A. Ta hãy làm rõ điều này bằng một ví dụ đơn giản: hãy so sánh học sinh với các nucleon trong hạt nhân. Giả sử có N học sinh. Tương tác giữa hai ''nucleon'' như thế được biểu diễn dưới dạng một đoạn thùng trong tay mỗi học sinh, còn số các bạn cùng lớp được phép tương tác ta ký hiệu bằng chữ k. Nếu k = 1 ta cần đến N/2 đoạn dây (tất cả học sinh được chia thành từng cặp), khi k = 2 cần N đoạn dây (tất cả học sinh xếp theo vòng tròn, và mỗi học sinh cả hai tay đều nắm vào dây thừng). Tình huống này rất tiêu biểu cho các lực tác dụng gần. Khi k = 3, số đoạn dây đã là 3N/2 (trong vòng tròn một thành viên bất kỳ còn tương tác với một người thứ ba). Trong các trường hợp được xem xét, có kN/2 mối liên kết và khi k<N đoạn dây thừng. Song nếu mỗi một học sinh tương tác với tất cả các bạn khác, nghĩa là k = N - 1(trường hợp tác dụng tầm xa), khi đó ta cần tới (N – 1)N/2 dây thừng. Nghĩa là, khi k lớn và N >> l thì số dây thừng (số ''tương tác'') bằng N2, và năng lượng liên kết tổng cộng tỷ lệ với con số này, đó là điều ta cần chứng minh.
2. Mật độ nucleon trung bình ở các vùng bên trong gần như giống nhau đối với các hạt nhân A
25. Đó là một đại lượng rất lớn: 1038 Nucleon/cm3, hay 1014 gam/cm3. Như vậy, đối với các hạt nhân có nhiều nucleon, điều kiện bão hòa các lực hạt nhân được thực hiện.
Quá trình bão hòa được phản ánh ở dạng tăng dựng đứng của đường cong Elk đối với các hạt nhân nhẹ. Đóng góp vào Ek của các nucleon bề mặt khi A lớn thường không lớn. Vì thế tỷ phần các nucleon này trong hạt nhân càng bé thì Ek càng gần với một giá trị không đổi nào đó (phần nằm ngang bằng phẳng của đường cong). Đường cong đạt giá trị cực đại ở miền sắt 
sau đó được thay bằng một đường giảm chậm. Mặc dù lục đẩy tĩnh điện giữa các proton ở khoảng cách 10-13cm yếu hơn lực hút hạt nhân 100 lần cũng chính vì thế mà 
lk của các hạt nhân nặng giảm dần. Điều đó được giải thích bằng việc các lực hạt nhân tác dụng tầm ngắn tăng một cách tỷ lệ (tuyến tính) với A khi A tăng, còn các lực đẩy tĩnh điện tác dụng tầm xa của các hạt nhân lại tỷ lệ với bình phương số proton (z2), kết quả là Elk giảm càng mạnh hơn.
3. Trên đường cong các hệ số bó chặt chỉ có một điểm nhảy vọt dữ dội - đối với hạt nhân heli 
. Ở đây 
cao hơn 7MeV. Trong vùng các A lớn không thấy có những sai lệch lớn khỏi đường cong diễn biến trơn tru. Điều đó liên quan tới việc các hạt nhân có số thần kỳ (magic number) các proton và (hoặc) các nơtron - các số 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) là những hạt nhân bền vững nhất (có năng lượng liên kết cục đại). Còn hạt nhân heli lại có số thần kỳ gấp hai lần: Z = N = 2.
4. Kết luận quan trọng nhất rút ra từ việc phân tích đường cong các hệ số bó chặt là khả năng xảy ra các phản ứng hạt nhân, ở đó độ hụt khối lượng của các hạt nhân tạo thành lớn hơn độ hụt khối lượng của các hạt nhân ban đầu. Độ dư thừa khối lượng khi đó phải biến thành năng lượng. Thật vậy, các nucleon trong hạt nhân dễ dàng được hình dung như là được nhúng xuống đáy của hố thế có độ sâu Elk.
Vì độ hụt khối lượng lớn nhất xảy ra ở các hạt nhân nằm giữa bảng tuần hoàn Mendeleev, nên có thể có hai loại biến đổi hạt nhân tỏa nhiệt. Loại thứ nhất là phản ứng phân chia các hạt nhân nặng thành các hạt nhân trung bình (ở giữa bảng Mendeleyev). Khi đó, dưới tác dụng của nơtron từ một hạt nhân của đồng vị Uran 
sẽ giải phóng gần 214 MeV năng lượng. Trong số này, nơtrinô lấy mất khoảng 12 MeV, cho nên năng lượng hạt nhân được giải phóng thực sự là 0,85 MeV tính trên một nucleon, hay 2,2.107 kw/kg. Con số này lớn hơn năng lượng được giải phóng khi đốt lkg dầu mỏ gấp 2 triệu lần. Vào cuối thế kỷ XX, 17% tổng số sản lượng điện năng trên thế giới do các nhà máy điện nguyên tử, nơi thực hiện loại phản ứng thứ nhất, cung cấp.
Loại biến đổi hạt nhân thứ hai là hợp nhất hai hạt nhân nhẹ (ví dụ, hai hạt nhân đơteri 
thành hạt nhân heli . Khối lượng thừa của các hạt nhân bị hợp nhất cũng biến thành năng lượng. Phản ứng này gọi là phản ứng nhiệt hạch. Phản ứng tổng hợp các hạt nhân nhẹ không điều khiển được đã được thực hiện khi cho nổ bom khinh khí, và đã gần nửa thế kỷ nay, các nhà vật lý vẫn nghiên cứu bài toán tổng hợp nhiệt hạch điều khiển được (xem phần “Plasma - trạng thái thứ tư của vật chất”).
Như vậy, vật lý hạt nhân - ngành khoa học đã có một lúc nào đó rất xa vời với nhu cầu thực tiễn của loài người - từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu nhỏ nhoi đã bước ra con đường phát triển công nghiệp rộng thênh thang.
ĐỘ HỤT KHỐI LƯỢNG ĐÃ ĐƯỢC PHÁT HIỆN NHƯ THẾ NÀO?
Việc đo trực tiếp khối lượng của các hạt nhân nguyên tử được thực hiện nhờ một dụng cụ đặc biệt: khối phổ kế. Nguyên lý hoạt động của dụng cụ này được Joseph Thomson nêu ra năm 1907. Ông đã thu được những khối phổ đầu tiên (năm 1910). Song các thành tựu chủ yếu của ngành khối phổ học gắn liền với tên tuổi người học trò của ông là Francis William Aston (1877-1945).
Năm 1919, khi chế tạo chiếc khối phổ kế đầu tiên của mình, Aston đã phát hiện các đồng vị của clo và thủy ngân, và vào những năm sau đó, ông còn phát hiện 212 đồng vị bền của các nguyên tố hóa học khác nhau. Nhà nghiên cứu đã chứng minh được rằng: phần đông các nguyên tố đều là một hỗn hợp của một vài đồng vị. Vào các năm 1927 và 1937, ông đã chế tạo được hai khối phổ kế khác bằng cách cải tiến mô hình máy cũ và bổ sung thêm để có các phép đo với độ chính xác cao hơn. Aston đã xác lập được rằng khối lượng của hạt nhân nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt tạo thành nó vài chục phần trăm. Nhà bác học đã gọi hiện tượng này là hiệu ứng bó chặt. Ngày nay nó được gọi là độ hụt khối lượng. Bằng cách xác định các độ hụt khối lượng của hàng loạt đồng vị, Aston đã xây dựng được biểu đồ đầu tiên đặc trưng cho năng lượng liên kết của các hạt nhân nguyên tử đường cong của các hệ số bó chặt.
Sơ đồ khối thiết bị phổ kế của F.Aston
Trong nguồn ion các nguyên tử bị ion hóa, sau đó đi qua một lỗ trên điện cực: điện cực được nối với một điện áp 20 – 50kilôvôn và được tăng tốc. Các iôn đã được tăng tốc được cho đi qua một hệ thống khe (ống chuẩn trực) biến chúng thành một chùm sáng song song, sau đó lần lượt đi qua điện trường và từ trường. Các trường này được tính toán sao cho các ion chuyển động với vận tốc khác nhau nhưng có các tỷ số giữa điện tích và khôi lượng (Q/m) như nhau được hội tụ và cùng một nơi trên kính ảnh. Dựa trên vị trí của các ion khác nhau trên kính ảnh mà có thể xác định được cả các giá trị khối lượng tỷ đối của chúng với độ chính xác cao.
Phương pháp Aston lý thú chẳng những vì nhờ nó người ta đã thu được cả các số liệu về các đồng vị và các độ hụt khối lượng. Nó còn giúp ta hiểu được cả các thiết bị còn phức tạp hơn các khối phổ kế của Aston rất nhiều, được dùng để ghi đo các nguyên tố siêu urani. Các nguyên tử của những nguyên tố này được tổng hợp đúng là tính theo từng nguyên tử một, nghĩa là không thể nào tạo ra được cả các chùm ion của chúng cần thiết cho sự hoạt động của khối phổ kế. Ngoài ra, ''các nguyên tố siêu urani'' càng nặng thì nó phân rã càng nhanh và càng còn ít thời gian dành cho việc xác định toàn bộ các thông số của nó. Việc tìm kiếm các nguyên tố mới ngày càng khó hơn: các dấu vết của chúng ''bị che, khuất'' bởi các sản phẩm phân hạch của các nguyên tố được sinh ra với xác suất lớn.
Dần dần các phương pháp khác xác định các nguyên tố cũng trở nên phổ biến - xác định theo các tính chất hóa học, theo kiểu phân rã và chu kỳ bán rã của chúng, theo các sản phẩm phân rã v.v...
