Tuuma kihtmudel, spinn ja pariteet

Kihtmudel käsitleb tuuma samamoodi, nagu Bohri mudel käsitleb aatomit: prootonid ja neutronid täidavad igaüks oma diskreetsete energiatasemete jada alt üles, järgides Pauli keeluprintsiipi täpselt nagu elektronid. Tuum on ebatavaliselt stabiilne alati, kui üks kiht täielikult sulgub — nn maagiliste arvude 2, 8, 20, 28, 50, 82 ja 126 prootoni või neutroni juures — kuna suletud kiht ei jäta ühtki nõrgalt seotud nukleoni kõrgemale, vähem seotud tasemele üksi paljastatuna.

Paardumine on pildi teine pool. Alakihi sees paarduvad nukleonid vastassuunaliste orientatsioonidega, ja igaüks selline paar annab nullilise koguspinni ja paarispariteedi. Just seetõttu on peaaegu igal paaris-prootoni ja paaris-neutroniga tuumal põhiseisundi spinn täpselt null: kõik nukleonid on paardunud ja midagi ei jää üle, mis osutaks mingile suunale. Paaritu massiarvuga tuumadel on seevastu üks paardumata nukleon, kelle oma orbitaalne olek määrab kogu tuuma spinni ja pariteedi — ning nii saavad füüsikud mõõdetud spinnidest välja lugeda, millised kihid on hõivatud.

See on ka põhjus, miks kerged tuumad nagu heelium-4, oksügeen-16 ja kaltsium-40 on silmatorkavalt stabiilsemad kui nende naabrid mõne nukleoni võrra kõrvale — igaüks neist asub kahekordselt maagilise arvu juures, kus nii prootoni- kui neutronikiht on üheaegselt suletud.