Nucleu atomic
De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Nucleul unui atom este o regiune foarte densă din centrul său, constând din protoni şi neutroni. Dimensiunea nucleului este mult mai mică decât dimensiunea atomului însuşi; masa unui atom este determinată, aproximativ, doar de masa protonilor şi neutronilor şi aproape fără nici o contribuţie din partea electronilor.
Cuprins |
[modifică] Izotopi
Izotopul unui atom este determinat de numărul de neutroni din nucleu. Diferiţi izotopi ai aceluiaşi element au proprietăţi chimice foarte similare deoarece reacţiile chimice depind aproape în întregime de numărul de electroni pe care îi are atomul. Diferiţii izotopi dintr-un eşantion chimic particular pot fi separaţi folosindu-se o instalaţie centrifugă sau un spectrometru de masă. De exemplu, prima metodă este folosită în producerea uraniului îmbogăţit din uraniu natural, iar a doua metodă este folosită în datarea cu carbon.
Numărul de protoni şi neutroni determină, împreună, nuclidul (tipul nucleului). Protonii şi neutronii au mase aproape egale (= 1 uam) şi numărul lor, adică numărul de masă, este aproximativ egal cu masa atomului. Masa electronilor este foarte mică în comparaţie cu masa nucleului, atâta timp cât protonul şi neutronul sunt, fiecare în parte, de aproximativ 2.000 de ori mai masivi decât electronul.
[modifică] Dezintegrarea nucleară
Un nucleu atomic este cu atât mai stabil cu cât energia medie de legătură dintre nucleoni este mai mare, situaţie ce se întâlneşte cu precădere la nucleele conţinând: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126,... ("numere magice") protoni sau neutroni. Izotopul Pb-208, de exemplu, are 82 protoni şi 126 neutroni.
Dacă un nucleu are prea puţini sau prea mulţi neutroni, el poate fi instabil şi se va dezintegra după o perioadă de timp oarecare. De exemplu, la câteva secunde după ce au fost creaţi, atomii de azot-16 (7 protoni, 9 neutroni) se dezintegrează beta către atomi de oxigen-16 (8 protoni, 8 neutroni). În această dezintegrare, forţa nucleară slabă transformă un neutron din nucleul de azot într-un proton şi un electron. Elementul (atomul) se schimbă deoarece iniţial a avut şapte protoni (fapt pentru care era „azot”), iar acum are opt protoni (fapt pentru care este „oxigen”). Multe elemente au izotopi care rămân stabili timp de săptămâni, ani sau miliarde de ani.
[modifică] Dimensiunea nucleului
Raza unui nucleon (neutron sau proton) este de ordinul 1 fm = 10-15 m. Raza nucleară poate fi aproximată prin: R = R0A1/3 unde A este numărul de masă şi R0 = 1,2 fm.
Raza nucleului reprezintă 0,01% (1/10000) din raza atomului. În felul acesta, densitatea nucleului este de 1012 ori mari mare decât densitatea atomului. Un cub solid cu latura de 1 mm umplut cu materie nucleară (nucleoni presaţi împreună) ar avea o masă de 200.000 tone. Doar stele neutronice sunt compuse dintr-un astfel de material.
[modifică] Scurt istoric
Descoperirea electronului a fost prima indicaţie că atomul are o structură internă. La trecerea dintre secolele al XIX-lea şi al XX-lea modelul acceptat de atom a fost „cozonacul cu stafide” al lui J.J. Thomson, în care atomul era considerat o bilă mare încărcată pozitiv, în care erau incluse mici sarcini negative. În scurt timp, fizicienii au descoperit, de asemenea, şi trei tipuri de radiaţii provenind din atomi, pe care ei le-au numit radiaţii alfa, beta şi gamma. Experimentele din 1911 ale lui Lise Meitner şi Otto Hahn, şi cele ale lui James Chadwick din 1914 au condus la descoperirea că interpretarea caracteristicilor spectrale ale dezintegrării beta ar presupune admiterea neconservării energiei. Această problemă a condus la descoperirea, mai târziu, a neutrinului.
În aceeaşi perioadă Ernest Rutherford a realizat un experiment remarcabil în care Hans Geiger şi Ernest Marsden, sub supravegherea lui Rutherford, au bombardat cu particule alfa (nuclee de heliu) o foiţă subţire din aur. Modelul „cozonacului cu stafide” prezicea că particulele alfa ar fi trebuit să iasă din foiţa de aur pe o traiectorie, eventual, puţin curbată. Ei au fost şocaţi să descopere că unele particule au fost împrăştiate sub unghiuri mari, în unele cazuri chiar întoarse înapoi. Descoperirea a condus la modelul Rutherford, în care atomul are un nucleu foarte mic şi foarte dens, constituit din particule grele cu sarcină pozitivă şi înconjurate de sarcini negative. De exemplu, în acest model, azotul-14 consta dintr-un nucleu cu 14 protoni şi 7 electroni, iar nucleul era orbitat de alţi 7 electroni.
Modelul lui Rutherford a „mers” destul de bine până la studiile privind spinul nuclear, efectuate în 1929 de Franco Rasetti la California Institute of Technology. Încă din 1925 se ştia că protonul şi electronul au spini 1/2. În modelul Rutherford al atomului de azot-14 cei 14 protoni şi 6 electroni trebuie să formeze perechi unii cu alţii, astfel încât ultimul electron să confere nucleului un spin 1/2. Rasetti a descoperit că azotul-14 are spin 1.
În 1930, neputând să ajungă în oraşul german Tübingen, la o întâlnire pe probleme de radioactivitate, Wolfgang Pauli le trimite participanţilor o scrisoare prin care sugera că există posibilitatea ca în nucleu să existe o a treia particulă pe care el o denumea „neutron”. El sugera că această particulă trebuie să fie foarte uşoară (mai uşoară decât un electron), că nu are sarcină electrică şi nu interacţionează cu substanţa (fapt pentru care încă nu fusese detectată). Această cale disperată a rezolvat ambele probleme: cea a conservării energiei şi ceea a spinului nucleului de azot-14, mai întâi deoarece „neutronul” lui Pauli transporta cu el extra-energia dezintegrării beta şi apoi pentru că un extra-„neutron” împerecheat cu al şaptelea electron în nucleul azotului-14 dădea spinul 1. „Neutronul” lui Pauli a fost redenumit neutrino de Enrico Fermi în 1931, dar abia după 30 de ani s-a demonstrat că neutrino există cu adevărat în dezintegrarea beta.
În 1932 Chadwick a realizat că radiaţia pe care o observaseră Walther Bothe, Herbert Becker, Irène şi Frédéric Joliot-Curie se datora unei particule masive pe care el a numit-o neutron. În acelaşi an Dmitrij Iwanenko a sugerat că neutronii sunt particule cu spin 1/2 şi că nucleul conţine neutroni şi că în nucleu nu există electroni. La rândul său Francis Perrin a sugerat că neutrino nu sunt particule nucleare, dar erau create în timpul dezintegrării beta. La sfârşitul anului 1932 Fermi a trimis o teorie a neutrinului revistei Nature (al cărui editor a respins-o deoarece era „prea departe de realitate”). Fermi a continuat să lucreze la teoria sa şi în 1934 a publicat o lucrare care plasa neutrino pe solide fundamente teoretice. În acelaşi an Hideki Yukawa a propus prima teorie semnificativă a forţelor nucleare tari pentru a explica menţinerea împreună a nucleonilor.
Cu lucrările lui Fermi şi Yukawa s-a completat modelul modern al atomului. Centrul atomului constă dintr-o bilă compactă de neutroni şi protoni care sunt menţinuţi împreună de către forţele nucleare tari. Nucleele instabile pot suferi dezintegrări alfa, în care ele emit nuclee energetice de heliu, sau dezintegrări beta, în care ele emit electroni sau pozitroni. După una dintre aceste dezintegrări, nucleul rezultat poate să fie şi el într-o stare excitată şi în acest caz se dezintegrează şi el către o stare de bază emiţând fotoni de înaltă energie (dezintegrare gamma).
