Il tutto può essere compreso tenendo presente le proprietà quantistiche della natura, che nella vita di tutti i giorni sono spesso trascurabili (quando si analizzi il moto di un oggetto macroscopico) ma sono essenziali in diversi altri ambiti, come per esempio nell’analizzare il moto di un elettrone.
Senza entrare troppo nei dettagli, che possono essere approfonditi in diverse risposte più specifiche su questo stesso sito, lo stato cinematico di un elettrone intorno ad un nucleo non può essere descritto mediante una traiettoria ma deve essere descritto mediante una funzione, chiamata funzione d’onda. Questa funzione possiede l’importante proprietà che il prodotto tra il suo quadrato e un piccolo volume rappresenta, punto per punto, la probabilità di osservare l’elettrone in quel piccolo volume.
Sfruttando le proprietà delle funzioni d’onda degli elettroni atomici si può delimitare una sfera, concentrica al nucleo, che contenga il 50% di probabilità di osservare l’elettrone all’interno di questa sfera. Chiamiamo sfera di confinamento questo tipo di superficie geometrica.
Dai calcoli si deduce che la dimensione di questa sfera dipende essenzialmente da due parametri: numero Z di protoni nel nucleo e numero n del guscio elettronico. A parità di Z i gusci corrispondenti a n più elevato hanno un raggio della sfera di confinamento più esteso (per cui sono più "esterni" degli altri). A parità di n atomi con Z maggiore hanno un raggio della sfera del 50% più ridotto.
Per atomi con Z molto elevato si verifica che i gusci più interni (n piccolo) hanno un raggio della sfera di confinamento minore del raggio del nucleo. Per cui è più probabile osservare uno degli elettroni di questi gusci all’interno del nucleo piuttosto che all’esterno.
Ciò non deve stupire perché non si deve pensare al nucleo come ad una sfera rigida fornita di una superficie dura come se fosse una zona dello spazio delimitata da una recinzione (anche se a volte, per semplciità di calcolo, si schematizza il nucleo come se fosse una sfera carica omogeneamente). Per i nucleoni (protoni e neutroni) valgono le stesse leggi della meccanica quantistica che valgono per gli elettroni, per cui si può ripetere tutto il discorso sulla probabilità e le sfere di confinamento.
Il nucleo di un atomo non è niente altro che la porzione di spazio in cui è maggiormente probabile osservare protoni e neutroni di quel dato atomo. Tra nucleoni interviene una forza (la forza nucleare forte) che è molto più intensa dell’attrazione elettrostatica che tiene uniti gli elettroni al nucleo. Di conseguenza le sfere di confinamento nucleari sono generalmente molto più ristrette di quelle elettroniche. Tuttavia quando il numero di protoni e neutroni è molto elevato (e ricordiamo che per gli elementi più pesanti il numero totale di nucleoni può arrivare ben oltre il centinaio) le sfere di confinamento nucleari (che giocano il ruolo di dimensioni del nucleo) possono diventare più grandi delle sfere di confinamento elettroniche più interne.