Az atommagok protonokból és neutronokból állnak. A protonok pozitív töltéssel rendelkeznek, a neutronok nincsenek elektromos töltéssel. Összefogja őket ún erős nukleáris erő (amely képes leküzdeni a protonok taszítását).
Ennek működése némileg analóg azzal, ahogy az atomok vagy molekulák elektronjai meg vannak kötve. Ezért hasonló leírás használható, amelyről itt fogunk beszélni.
A különbség az az erő, amely a megkötésért felelős, míg az elektronoknál elektrosztatikus erő, az atommagoknál az említett erős magerő (amihez nem ismerjük az erő egyszerű törvényét, vagy nem létezik).
Mindazonáltal lehetséges analóg módon eljárni a magok esetében, mint az atomok és molekulák esetében, és párhuzamot találni a magfizika és a kémia között. Ez az ún a mag réteges modellje, amelyért Maria Goeppert Mayer (mint 2. nő) és Hans Jensen 1963-ban fizikai Nobel-díjat kapott (a Nobel-díj két fele, ugyanebben az évben a másik fele Eugene-nek ítélték meg) Wigner egy újabb felfedezéshez). Természetesen a réteges modell mögött komplex kvantum-fizikai számítások állnak, de az eredmények hasonlóan szemléltethetők, mint a kémia területén.
A nukleáris részecskék, a protonok és a neutronok megpróbálják páronként elfoglalni a pályákat (de ezek másképp néznek ki, mint amit a kémiából tudunk). A pályák a növekvő energia (tehát a rétegmodell) szerint vannak elrendezve rétegekben, a megtöltött réteg stabilabb, mint részben kitöltött. A protonok és a neutronok számára külön pálya létra létezik (tehát nem arról van szó, hogy egy pályát egy proton és egy neutron tölthet be).
A kémia alapján emlékezünk arra, hogy a stabil atomok (az elektronokat tekintve) azok voltak, amelyeknek teljesen kitöltött orbitális rétege volt, az ún. dublett (hélium), ill. oktett (egyéb ritka gázok). Ezek az elemek nagyon enyhén reaktívak. Az atommagok esetében hasonló, a szilárd rétegeknek megfelelő protonok és elektronok száma megfelel a stabil magoknak. Ezeket azonban nem oktetteknek, hanem varázsszámoknak hívják. Ha egy magnak mágikus száma van a protonokról és a neutronokról, akkor kétszer olyan varázslatosnak nevezik, és egy ilyen mag különösen stabil.
Más magok kevésbé stabilak, mint nagyon, ez a pályák sajátos elfoglaltságától függ. A legkedvezőtlenebb foglaltságúak radioaktívak és bizonyos részecskék sugárzása stabilizálja őket. Hasonlóképpen, a reaktív atomokat az elektronok elvesztése vagy felvétele stabilizálja.
Az alfa-sugárzás tulajdonképpen két proton és neutron, a héliummag kibocsátása. A béta sugárzást egy kisugárzott (anti) elektron okozza, amely akkor következik be, amikor egy neutron protonná alakul (vagy fordítva).
És mi a helyzet a gammasugárzással? Ez a felesleges energia kibocsátása elektromágneses sugárzás formájában. Így nem instabil, hanem gerjesztett állapotú magok viselkednek, ami azt jelenti, hogy egy részecske egy magasabb réteg pályájára ugrott. A felesleges energia kisugárzásával stabilizálódik. És mivel a nukleáris pályák közötti energia-különbségek nagyok, nagy energiájú gammasugárzásról van szó, és nem UV- vagy látható fényről, mint az atomok és molekulák esetében, ahol az elektronok a szintek között ugranak.
Hogyan alakulhat ki egy ilyen atom? Például egy nehezebb mag radioaktív bomlása révén, ahol a gerjesztésre használt energia a bomlás során felszabaduló energiából származik (és a többi energia hagyományosan a repülő részecskék kinetikus energiájává alakul át).
A réteges modell szemléltető és sokat megmagyaráz, de több közelítést tartalmaz. Az egyik az, hogy az erős nukleáris erő ismeretlen kapcsolatát modell (kapcsolatok) kapcsolatokra cseréljük. A második a réteges modell lényege, amely csak közelítő, és nem pontos megoldás a kvantum-fizikai egyenletekre sok kölcsönhatásban lévő részecske esetében (ugyanez vonatkozik a kémiai réteges modellre is, ezért annyi kivétel van, hogy annyira imádták az iskolában). A fizikusok ezért olyan módszerek kidolgozásán dolgoznak, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy pontosabban megjósolhassuk a magok stabilitását, amelyek segíthetnek például abban, hogy új stabil izotópokat vagy nehéz elemeket találjanak a periódusos rendszer végén.
Tehát miért vannak radioaktívak egyes elemek? Mivel a lehető legstabilabb mag, adott számú protonnal és neutronnal, még mindig instabil, mert az erők, amelyek a részecskéket a magban tartják, nem engednek stabilabbat összeszerelni. Mint néhány elektronszámú elemek, nagyon reaktívak, és hasonlóan néhány kártyából álló házakhoz, hajlamosabbak a bomlásra.
PS: A kép egy protont mutat a kvantum kromodinamika szempontjából, ez a fizikailag legpontosabb elképzelésünk arról, hogy mi történik valójában az atommagokban.