Атомско језгро

Из пројекта Википедија

Визуелни приказ хелијумовог атома према квантномеханичком моделу. У језгру, протони су ружичасти а неутрони љубичасти. Реално језгро хелијума је сферно симетрично. Густина сивог облака око језгра пропорционална је вероватноћи налажења електрона. 1 Fermi = 10^-15 m. 1 Аngstrem = 10^-10 m

Aтомско језгро) је центар атома, огромне густине који се састоји од нуклеона - протона и неутрона. Број протона у атомском језгру се зове атомски број, и одређује ком хемијском елементу атом припада (на пример водоник, угљеник, кисеоник, итд.). Број неутрона одређује изотоп елемента. Протони и неутрони имају скоро једнаке масе, и њихов заједнички број масени број, је приближно једнак атомској маси атома (сваки изотоп елемента има јединствену атомску масу). Маса електрона је мала и не доприноси значајно атомској маси.^[1]

[уреди] Историја

Било је много хипотеза о грађи атома које су биле више плод маште него систематских и чињеницама поткрепљених истраживања. Први, на експериментима заснован, модел био је Томпсонов "плум пудинг" модел атома, 1903. г, (пудинг од шљива: електрони у атому распоређени су као суво грожђе у пудингу). По овом моделу електрони су распоређени по запремини атома. Фреквенција осциловања електрона око тих равнотежних положаја одговара фреквенцији зрачења које атом емитује. Овај модел није могао да опише квантитативно ниједан експеримент, али није био ни у противуречности са до тада познатим експериментима. Новим експериментима које је започео Радерфорд, а који нису могли да се протумаче Томпсоновим моделом, постављени су темељи савременог схватања нуклеарне структуре атома:

• 1906. г. Е. Радерфорд је испитивао расејавање алфа честица на металним листићима, с циљем да испита продорност алфа зрака.
• 1910. г. Х. Гајгер и Е. Марсден, Радерфордови сарадници, опазили су случајеве расејавања алфа честица у којима је угао расејавања био скоро 180°.
• 1911. г. Е. Радерфорд поставља планетарни модел атома: унутар атома налази се позитивно наелектрисано језгро, малих димензија, у којем је усредсређена практично целокупна маса атома, а око језгра круже електрони.
• 1911 - 1912 г. Х. Гајгер и Е. Марсден експериментално су потврдили исправност Радерфордове поставке.
• 1912. г. П. Блекет, помоћу тек откривене Вилсонове коморе, добио је фотографије трагова алфа честица који су имали оштре преломе. Преломи потичу од једноструких судара (расејавања) алфа честица са атомима гаса у комори.
• 1913. г. А. ван ден Брук приметио је да подаци о расејавању алфа честица могу најлакше да се објасне ако се претпостави да је наелектрисање језгра умножак елеметарног наелектрисања електрона и редног броја елемента Зе.
• 1914. г. Х. Мозли, мерећи фреквенције карактеристичног X зрачења, потврдио је Ван ден Брукову хипотезу.

[уреди] Модели атомског језгра

Пошто је атомско језгро, као и већина појава и објеката на микроскопском нивоу, по особинама потпуно различито од свега што видимо у свету око нас, за његово разумевање кориситмо се моделима. Модели микроскопских појава и објеката обично су врло грубе апроксимације стварног стања и због тога могу да опишу предмет моделирања само делимично и то у једном врло уском сегменту. Најбољи опис пружа апарат квантне механике (квантна електродинамика и хромодинамика), али је из њега тешко наслутити физичку слику. Код атомског језгра најпознатији су модели капи и љуске. Први може добро да опише стабилност језгра и енергетику нуклеарних трансмутација а други магнетне особине и електромагнетни спектар језгра.

[уреди] Модел капи

Модел капи описује атомско језгро као капљицу нуклеарне "течности". Везивна енергија језгра може се описати Вајсцакеровом полуемпиријском формулом:

Први члан, порпорционалан броју нуклеона, представља унутрашњу енергију језгра. Члан пропорционалан A^2/3 описује "површинску" енергију и узима у обзир то да површински нуклеони имају мањи број суседа и стога мање доприносе везивној енергији. Члан пропорционалан квадрату наелектрисања, Z², описује електростатичко одбијање међу протонима, а члан који зависи од (A-2Z)² представља енергију асиметрије и узима у обзир да је код лаких језгара број протона и број неутрона у језгру приближно исти. Последњи члан представља енергију спаривања којом се описује емпиријски налаз да су језгра с парним бројем протона и парним бројем неутрона стабилнија од парно-непарних и непарно-парних.

Вредности основних параметара у горњој формули одређене су на основу познатих особина језгара и износе: ^[2]

Треба уочити да само први члан доприноси стабилности језгра (што више нуклеона тим више нуклерарних привлачних сила док остали стабилност смањују (што више протона тим је веће одбијање међу њима и тим мања стабилност језгра). Укупан резултат је да највећу енергију по нуклеону имају атомска језгра у близини гвожђа. Дакле, језгра са масом доста мањом и доста већом од масе гвожђа имају мању енергију везивања по нуклеону. То не значи да су та језра обавезно радиоактивна, али значи да стапањем лакших (фузијом) и цепањем тежих (фисијом) при чему настају језгра средњих атомских маса, може да се добије корисна енергија. На том принципу раде савремене фисионе нуклеарне централе и истражује могућност за грађење фузионих.

[уреди] Модел љуске

Модел течне капи одлично је послужио да опише енергијске особине језгра (рецимо енергију везивања по нуклеону), али није могао ни најмање да помогне да се објасни дискретна природа електромагнетног (гама) зрачења из атомског језгра. То је пошло за руком моделу љуске који је формулисан у потпуној аналогији са моделом електронских љуски у атомском омотачу. По том моделу у језгру постоје дискретни енергијски нивои у којима долази, по аналогији са електронима у електронском омотачу, до спаривања протона са протонима и неутрона са неутронима. Сваки енергијски ниво има одређени број парова које може да садржи пре него што дође до попуњавања виших нивоа. за неке специјалне, "магичне" бројеве протона или неутрона: 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126, језгра су посебно стабилна.

Поред објашњења спектра гама зрачења, модел љуске је у стању да предвиди и магнетне особине језгра (видети НМР).

[уреди] Изотопи

Изотопски састав језгра одређен је бројем неутрона у њему. (Променом броја протона, мења се хемијска природа атома.) Различити изотопи истог хемијског елемента имају веома сличне (али не и идентичне, видети изотопски ефекат) хемијске особине јер хемијсу природу елемента скоро у потпуности одређује број електрона у електронском омотачу атома. То значи да се различити изотопи једног те истог хемијског елемента врло тешко могу раздвојити хемијским путем али могу различитим физичкохемијским процесима и методама попут центрифугирања, масене спектрометрије, фракционе дестилације, електролизе итд. На пример, обогаћени уранијум (повећање концентрације уранијума-235 у односу на уранијум-238) на индустријској скали, добија се центрифугирањем уранијумхексафлуорида UF6. За одреживање старости материјала органског порекла (на основу односа коцентрација изотопа угљеника-14 и угљеника-12) користи се масена спектрометрија. За добијање кисеоника-18 који се користи за прављење радиоактивних изотопа за медицинску дијагностику (ПЕТ) користи се фракциона дестилација азотдиоксида...

[уреди] Распад језгра

Ако језро има превише или премало неутрона оно је нестабилно те се током времена спонтано распада. На пример, језгро азота-16 (7 протона и 9 неутрона) већ након неколико секунди од настанка, бета распадом прелази у кисеоник-16 (8 протона и 8 неутрона). У том распаду, под утицајем слабе нуклеарне силе, неутрон у језгру азота прелази у протон, ослобађајући електрон (бета зрак).

[уреди] Величина језгра

Радијус нуклеона, (неутрона или протона) је реда величине 1 fm (1 фемтометар = (10^-15 m). Нуклеарни радијус може да се представи приближно изразом:

где је

A масени број,

а 1,2 fm.

Радијус атомског језгра је мањи од 0,01% (1/10.000 део) радијуса атома. Стога је густина нукеарне материје више него билион пута већа од густине атома као целине. Коцка нуклеарног материјала, запремине од једног кубног милиметра имала би масу од око 200.000 тона. То је случај код неутронске звеѕде која је сачињена од таквог материјала.

[уреди] Нуклеарна фузија

За више информација погледајте Нуклеарна фузија.

Када се два лака атомска језгра доведу у присан контакт постоји могућност да јака нуклеарна сила, која је врло ограниченог домета, стопи та два језгра у једно веће. Међутим, потребна је огромна енергија да би се два језгра довела на растојање довољно мало да нуклеарне силе почну да делују међу њима. Огромна енергија за савлађивање електростатичког одбијања међу позитивно наелетрисаним језгрима може се постићи само на изузетно високим температурама или притисцима. Када се два лака језгра стопе долази до ослобађања огромне енергије која потиче од енергије везивања нуклеона. Енергија везивања по нуклеону расте са порастом масеног броја до никла-62. Дакле када се два лака језгра са малом везивном енергијом по нуклеону стопе у једно веће са великом енергијом везивања по нуклеону, разлика у енергијама се одаје околини. Из таквих реакција везде, попут нашег Сунца, добијају енергију стапањем четири протона у језгро хелијума при чему, поред огромне енергије настају још два позитрона и два неутрина. У термонуклеарној, "хидрогенској" бомби, долази до неконтролисане фузије водоника у хелијум. Данас се итнезивно ради на проналажењу методе за контролисану нуклеарну фузију чија би енергија могла да се користи у мирољубиве сврхе.

[уреди] Нуклеарна фисија

За више информација погледајте Нуклеарна фисија.

За језгра тежа од никла-62 везивна енергија по нуклеону опада са масеним бројем. Због тога може да дође до ослобађања енергије ако се теже језгро поцепа на два лакша. Ово цепање језгара познато је као нуклеарна фисија (од латинског 'fissionem' цепање).

Из тог угла гледано и алфа радиоактивни распад може се сматрати специјалним обликом нукеарне фисије јер је алфа честица исто што и атомско језгро хелијума-4. Међутим, под фисијом се обично подразумева цепање тешког језгра на два мања сличне величине.

[уреди] Производња тешких елемената

[уреди] Нуклеарна физика

Нуклеарна физика се бави изучавањем особина и процеса у атомском језгру, и данас се углавном бави атомским језгром у екстремним условима, као што су екстремно велики спин, екстремно висока побуђења стања, екстремни облик попут рагби лопте или екстремни однос броја неутрона и протона. Таква језгра се експериментално могу створити вештачки изазваном фузијом у убрзивачима (акцелераторима) честица.

[уреди] Литература

[уреди] Види још

• Списак нуклеарних честица
• Радиоативни распад
• Нуклеарна фузија
• Нуклеарна фисија
• Нуклеарна медицина
• Нуклеарна физика
• Атомски број
• Атомска маса
• Изотоп

[уреди] Спољашње везе

• SCK.CEN Belgian Nuclear Research Centre Белгијски нуклеарни центар, Мол