Nüvələrin və elektron qılaflarının yükü mütləq kəmiyyətcə eynidir. Kvant mexanikası elektron qılaflarının quruluşunun tədqiqinə başladı. O, məntiqi olaraq elektron qılaflarının dövri keyfiyyət dəyişmələrini nüvə yükünün keyfiyyət dəyişmələri ilə bağladı.

Mahiyyətcə dövri sistemin üçüncü kvant-mexaniki təfsiri atomun elektron qılaflarının quruluşunun aşkar misalı kimi təzahür edir. Kimyəvi elementlərin dövri təkrar olunan xassələri məhz elektron qılaflarının dövri təkrar olunan quruluşları ilə əlaqələndirildi. Bununla yanaşı bilavasitə nüvənin quruluşunun tədqiqi ilə bağlı işlər davam etdirilirdi. Dövri qanunauyğunluğun əmələ gəlmə səbəbinin axtarışları kimyəvi sistemləşmənin mənbəyi kimi nüvənin üzərinə qayıdır. Həqiqətən də, elektron qılaflarının quruluşunun dəyişməsi kimyəvi fərdiliyin itirilməsinə səbəb olmur, nüvənin yükünün dəyişməsi isə kimyəvi elementin çevrilməsinə gətirir.

Hələ 1913-cü ildə Tomson nüvənin kütləsi ilə yükü arasında fərqi görmüş və aşkar etmişdi ki, nüvənin kütləsi onun yükü ilə təyin olunmur. O müəyyən etdi ki, eyni bir kimyəvi element müxtəlif kütləli atomdan ibarət ola bilər. Elə bu müddəa nüvə hissəciklərinin axtarışına səbəb oldu.

Radioaktiv parçalanma prosesinin tədqiq edən Rezerford nüvədə kütləsi protonun kütləsinə bərabər olan neytral hissəciyin mövcudluğunu ehtimal edirdi. O nəinki nüvənin tərkib hissəsidir, həm də heç bir yük daşımadığına görə nüvənin öyrənilməsi üçün mühüm alətdir.

Bote və Bekker tərəfindən α-hissəciklərin nazik berillium təbəqəsində səpələnməsi üzrə aparılan təcrübələrlə neytral hissəciklərin güclü şüalanması aşkar edilmişdir. Çedvik sübut edir ki, kütləsi təxminən hidrogen atomunun kütləsinə bərabər olan yeni yüksüz hissəcik kəşf olunmuşdur. Onu neytron adlandırdılar. Daha sonra Heyzenberq və İvanenko bir-birindən xəbərsiz nüvənin proton və neytrondan ibarət olduğunu təsdiq edən proton-neytron modelini təklif etdilər. Onları nüvədə birbirinə bağlayan qüvvələrə görə proton və neytron eyni kvant vəziyyətində olan hissəciklərdir və buna görə də onları bir adla – nuklon – adlandırdılar. Onları izospinlərin müxtəlif proyeksiyaları fərqləndirir.

Nüvənin sistematikası üçün xarakteristikalar müəyyənləşdirilmişdi: keyfiyyət – Z, N, A, T_ξ və energetik – B, B/A, S_b. Məlum olduğu kimi, onlar atomların və onların birləşmələrinin fiziki, kimyəvi və bioloji xassələrini təyin edir.

Nüvənin tərkibini təyin edir:

Z – nüvədə protonların sayı. Eyni yüklü nüvələri olan atomlar izotop adlanır;

N – nüvədə neytronların sayı. Nüvəsində eyni sayda neytron olan atomlar izoton adlanır;

A – kütlə ədədi, kütlənin miqdarına uyğun gələn tam ədəd, proton (p) və neytronların (n) cəminə bərabərdir. Eyni kütlə ədədli nüvələri olan atomlar izobar adlanır;

T_ξ = (n – p)/2 – neytron sayının proton sayından artıqlığı. Nüvənin tərkibini sadalanan kəmiyyətlərdən hər hansı ikisini bilməklə təyin etmək olar.

1913-cü ildə Soddi radioaktiv elementlərin izotopları haqqında ilk məlumatı verdi. 1919-cu ildə isə Tomsonun işlərini davam etdirən şagirdi Aston sabit (stabil) elementlərin izotoplarını kəşf etdi. İzotop, izoton və izobarların mövcudluğu faktı sübut etdi ki, kimyəvi elementin fərdiliyini nüvənin kütləsi yox, ondakı protonların sayı müəyyən edir.

Energetik xarakteristika MeV ilə ifadə olunur. Bir eV 1,6021·10^-19 C-a bərabərdir. Kütlə vahidi 931 MeV-a bərabərdir.

B – nüvənin enerjisi: Bu enerji nüvənin hissəciklərə bölünməsi üçün lazım olan enerjidir.

Əgər   E=mc² , onda   B=∆mc² , burada ∆m – nüvə kütləsinin defektidir, atom kütləsinin defekti kimi qeyri-additivdir. Nüvəni təşkil edən hissəciklərin, nuklonların kütlə fərqi və nüvənin kütləsi nüvədəki nuklonların əlaqə enerjisi ilə ekvivalentdir. Onda yuxarıdakı ifadə belə şəklə düşər:

B = [M_HZ + M_nN – M(Z, N)]·c² ,

Burada M_H – neytral hidrogen atomunun kütləsi, M_n - neytronün kütləsi, M – neytral atomun kütləsidir.

Kütlə defekti yüngül atomlar üçün müsbət, ağır nüvələr üçün isə mənfi kəmiyyətdir. Əgər kütlə dəyişməsi enerji dəyişməsinə ekvivalentdirsə ∆E = ∆mc² , onda yüngül atomların parçalanması reaksiyası üçün nüvənin əlaqə enerjisini B_y.n. (y.n. – yüngül nüvə) sərf etmək lazımdır, ağır nüvələrin parçalanması isə B_a.n. (a.n. – ağır nüvə) enerjisinin ayrılması ilə gedir.

B/A – xüsusi əlaqə enerjisi, yəni bir nuklona düşən əlaqə enerjisidir.

Yüngül nüvələr üçün bu kəmiyyətin kəskin dövriliyi aşkar görünür. Əvvəlcə nüvənin kütləsinin artması ilə onun qiyməti dövri olaraq dəyişir. Helium nüvəsi üçün əlaqə enerjisi 7,1 MeV/nuklondur. Litium, berillium və borun yüngül nüvələri azdayanıqlıdır ki, bunu da onların təbiətdə yayılmaları qismən sübut edir. Əgər kömür, oksigen, neon, maqnezium, kükürd və kalsium nüvələri üçün maksimum dayanıqlıq xarakterikdirsə, minimum dayanıqlıq "skandium dağılmasını (iflasını)" xarakterizə edir.

Xüsusi əlaqə enerjisinin artması "dəmir maksimumuna" qədər davam edir. Dəmir üçün nüvə kütləsi defektinin maksimum xüsusi qiyməti 8,7 MeV/nuklondur. Deməli, Yer nüvəsinin dəmir və nikeldən ibarət olması heç də təsadüfi deyil.

Nüvə kütləsinin sonrakı artımı ilə bir nuklona düşən əlaqə enerjisi orta və ağır nüvələr üçün azalır, A > 100 olduqda bu kəmiyyət praktiki olaraq sabitdir. A=90, A=100 və A=200 olan hallarda da nisbi maksimumlar müşahidə olunur. Görünür ki, sonuncu qanunauyğunluq bu elementlərin nüvələrini xarakterizə edən "sehrli" rəqəmlərlə bağlıdır. Radioaktiv uran nüvəsinin xüsusi əlaqə enerjisi 7,5 MeV/nuklondur.

S_b – ayrılma enerjisi: Bu enerji nüvə parçalanması zamanı nüvələrin sabitliyini xarakterizə edir. Bu kəmiyyət Z və N-nin qiymətindən dövri olaraq asılıdır. Bu nüvənin iki hissəyə bölünməsinə kifayət edən ən az enerjidir. Bu hissələrdən biri ayrılan b hissəciyidir:

S_b = [M_q + M_y.n. – M(Z, N)]·c² ,

Burada M_q – qəlpənin kütləsi, M_y.n. – yeni nüvənin kütləsidir.

Nüvənin keyfiyyət və energetik xarakteristikalarının təyinindən sonra, onların quruluş xarakteristikalarını aydınlaşdırmaq lazımdır. Kimyəvi elementlərin xassələrin öyrənməklə nüvədə nuklonların necə yerləşməsi məsələsi aydınlaşdırıldı.

1933-cü ildə Eugen Pol Vaqner kvant mexanikasına riyaziyyatı tətbiq etməklə nüvənin energetik səviyyələrindən söhbət açdı. O sübut etdi ki, nuklonların arasında məsafə çox olduqda qarşılıqlı əlaqə qüvvələri həddindən az olur, məsafə azaldıqca isə bu qüvvələr hədsiz çoxalır. Vaqner proton və neytronların xüsusilə dayanıqlı olan nüvələrin quruluşuna müvafiq olan "sehrli" sayını empirik olaraq təyin etmişdir. Bu tədqiqatlar nüvənin quruluşunun izah edilməsi cəhdlərində böyük təkan oldu, çünki müəyyən miqdarda proton və neytrona malik olan nüvələr xüsusi dayanıqlığa malikdir. Atomların xassələrinin dövri dəyişməsini nüvələrin dövri təkrar olunan quruluşları ilə izah edirlər, yəni atomların yalnız keyfiyyət xarakteristikası yox, həm də kəmiyyət xarakteristikası onların fərdiliyini müəyyən edir. Ancaq dövri sistemin növbəti modelində bu fikir özünü doğrultmadı.

1936-cı ildə Nils Bor nüvənin quruluşsuz modelini təklif etdi. Bunu təsadüf kimi qəbul etmək olmaz, çünki özünün təklif etdiyi tamamlamaq prinsipinə görə Bor proseslərin mikroaləmində gedən hadisələrin vizual şərhini rədd edir. N.Bor nüvəni proton-neytron mayesinin rəqs edən damcısı kimi qəbul edir. Borun suyun səthi gərilməsi barədəki diplom işi onu nüvəni su damcısı ilə müqayisə etməyə sövq etmişdi. Borun təklif etdiyi hidrodinamik və ya damcı modelinə əsasən nüvədə nuklonlar nüvə qüvvələri ilə saxlanır. Hər bir nuklon yalnız qonşu hissəciklə əlaqəyə girir. Səthdəki nuklonlar nüvəyə tərəf dartınaraq səthi gərilmə yaradır. Nüvənin səthi öz rəqsləri ucbatından formasını dəyişir ki, bu da öz növbəsində nüvənin bölünməsinə gətirib çıxarır. Bu model bir çox təcrübi dəlilləri, məsələn, nüvənin həyəcanlanmış vəziyyət spektrini izah edə bilmir.

Kimyəvi elementlərin dövri sistemi atomun quruluşunun açılmasında təbiətin dahiyanə təlqini olduğu kimi, empirik olaraq tapılmış "sehrli" rəqəmlər 1948-ci ildə Geppert-Mayerə və Yensenə nüvənin qılaflı modelini təklif etməyə yardımçı oldu. Bu işə görə onlar Viqnerlə birgə 1963-cü ildə Nobel mükafatına layiq görüldülər.

Bu nəzəriyyənin müəlliflərinə görə nüvədəki proton və neytronlar, atomdakı elektronlar kimi müəyyən orbitlərdə hərəkət edirlər. Hər bir konkret orbitin tam dolması "sehrli" rəqəmli atom nüvələrinə müvafiq gəlir. Kvant ədədləri atomların dolmuş elektron orbitlərini xarakterizə etdiyi kimi, bu rəqəmlər də sabit nüvələri xarakterizə edir. Lakin atomda elektronlar bir-birindən çox aralı hərəkət etdiyinə görə onlar arasında qarşılıqlı əlaqəni nəzərə almamaq olar.

Nüvədə isə nüvə qüvvələri nuklonları bir-birinə o qədər sıxır ki, hər bir hissəciyin ayrılıqda enerjisi qalan digər hissəciklərin enerjilərinin cəmindən asılı olur. Ona görə də nüvədəki nuklonlar hər bir konkret nuklonun hərəkət edə biləcəyi vahid qüvvə sferası yaradırlar. Beləliklə də nüvənin quruluşu nuklonların qarşılıqlı təsiri ilə deyil, məhz nüvənin qüvvə sahəsi ilə müəyyən edilir.

İlk dəfə 1933-cü ildə Eynşteyn vahid sahə ideyasını irəli sürdü. Fizikanın o dövrdəki vəziyyəti üçün bu ideya vaxtından qabaq oldu, müasirləri onu qəbul etmədilər. 

Eynşteyn təbiətin dörd əsas qarşılıqlı təsirini birləşdirməyi vacib sayırdı. Tarixdə artıq belə hadisə məlum idi. Bir vaxtlar Maksvellin apardığı işlər elektrik və maqnit qüvvələrini elektromaqnit qarşılıqlı təsiri kimi birləşdirməyə imkan vermişdi. Lakin Eynşteyn məlum qarşılıqlı təsirləri təbiətin əsas qanunu – nisbilik nəzəriyyəsi əsasında birləşdirmək istəyirdi. O, ömrünün axırına kimi bu problemlə məşğul oldu və ölərkən bu istiqamətdə işlərin davam etdirilməsini öz məşhur vəsiyyətnaməsində xahiş etdi.

Eynşteyn ilk nəticələrin alınmasına qədər yaşaya bilmədi. 60-cı illərin sonunda (XX əsr) Vaynsberq, Qleşou və Salam elektromaqnit və zəif qarşılıqlı təsirləri birləşdirərək nəzəriyyədə elektrozəif qarşılıqlı təsir yaratdılar. Hazırda böyük birləşmə nəzəriyyəsi mövcuddur ki, burada elektrozəif qarşılıqlı təsirə güclü qarşılıqlı təsir də əlavə edilmişdir.

Cazibənin tədqiqi üzrə aparılan işlər isə bütün dörd əsas qarşılıqlı təsirin birləşdirilməsi üçün zəmanət verdilər. Hal-hazırda "maddə və qüvvə yoxdur, yalnız müəyyən şəkildə yığılmış on bir ölçülü vaxt mövcuddur" deyən və Eynşteynə layiq olan bir mülahizə yaranmışdır. Hər bir obyektin xarakteristikası onun keyfiyyət və kəmiyyət göstəricilərindən asılıdır. Buna görə də atom və nüvənin nədən ibarət olduğunu bilmək azdır. Onların quruluşunu da başa düşmək lazımdır. Atomun quruluşu ilə kvant mexanikası, nüvənin quruluşu ilə sahə nəzəriyyəsi məşğul olur.

Kvant mexanikasına görə kimyəvi elementlərin xassələrinin dövri olaraq dəyişməsi atomun elektron qılafının quruluşu və nüvənin yükü ilə bağlıdır. Onun təklif etdiyi kvantmexaniki formula görə kimyəvi elementlərin dövri asılılığında nüvənin quruluşu nəzərə alınmır. Lakin sonralar müəyyən olundu ki, atomun quruluşunu nüvənin nəinki yükü, həm də quruluşu təyin edir. Sahə nəzəriyyəsinə əsasən kimyəvi elementlərin dövri qanununun dördüncü tərifi belə səslənir – sadə elmentlərin və onların birləşmələrinin xassələri nüvənin dövri təkrarlanan quruluşundan dövri olaraq asılıdır və nüvənin sahə qüvvəsi ilə təyin olunur.

Nüvənin qılaf modeli artıq mövcud olan materialı sistemləşdirməyə yardım edir və nüvənin bəzi həyəcanlanmış vəziyyətlərinin enerjisini qabaqcadan xəbər verməyə imkan yaradır. Lakin təcrübi tədqiqatların göstərdiyi kimi nəzəriyyə və təcrübə arasında ciddi uyğunsuzluq mövcuddur, məsələn, bəzi nüvələrdə elektrik yükünün paylanması sferik deyil. Çarlz X. Taunson 1949-cu ildə öz məruzəsində bu uyğunsuzluğu qeyd etdi. Bu məsələ barəsində fikirləşən Reynuoter O.Bora öz mülahizəsini belə şərh edir: nüvənin tam dolmamış yuxarı qılafları mərkəzdənqaçma qüvvələrinin təsirindən ellipsoidə deformasiya edir. 1950-ci ildə o bu barədə mətbuatda çıxış etdi. Sonralar bu mülahizə əsasında 1952-ci ildə O.Bor və Mottelson tərəfindən atom nüvəsinin kollektiv modeli təklif olundu. Bu nəzəriyyə atom nüvələrinin damcı və qılaf modellərini ümumiləşdirir. Müəlliflərin fikrincə nuklonların sahə qüvvəsi nüvəyə damcı şəkli verir. Tam dolmuş nüvə qılafları simmetrik olub nüvənin dayanıqlı özəyini yaradırlar. Mərkəzdənqaçma qüvvələrinin təsirindən yalnız nuklonla qismən dolmuş xarici qılaflar deformasiyaya uğrayar. Bu da öz növbəsində nüvənin ölçülərinin dəyişməsinə gətirib çıxarar. Bu zaman yaranan rəqslər nüvə səthində dalğa və fırlanmalar yaranmasına səbəb olur. Qılaflı modeldən fərqli olaraq nüvə quruluşunun yeni tərifində nuklonların bir-biri ilə qarşılıqlı təsiri nəzərə alınır.

Müəlliflər öz mülahizələrini təcrübi olaraq faktiki materiallar əsasında yoxladılar. Onların təklif etdiyi sintetik model deformasiya olunmuş nüvələrin xassələrini qabaqcadan xəbər verməyə imkan yaradır. 1975-ci ildə yaratdıqları kollektiv modelə görə Reynuoter, Bor və Mottelson Nobel mükafatı aldılar.

Zaman göstərdi ki, nüvənin quruluşu haqqındakı təsəvvürlərin gələcək inkişafı üçün onların nüvədə maddələrin yüksək keçiricilik xassəsinə səbəb olan nuklon cütlərinin yaranması barəsindəki mülahizələri ən perspektiv ideya oldu. Əgər belə cütlər həqiqətən yaranırsa, deməli nuklonlar arasında qarşılıqlı əlaqənin olması sübut edilir. Hər hansı bir qarşılıqlı əlaqə isə öz növbəsində kütlə dəyişmələrinə ekvivalent olan energetik dəyişmələrlə xarakterizə olunur. Beləliklə də nuklonların elementarlığı məsələsi ortaya çıxır.