Jeśli jesteś właścicielem tej strony, możesz wyłączyć reklamę poniżej zmieniając pakiet na PRO lub VIP w panelu naszego hostingu już od 4zł!

Dodaj nas do zakładek

Galaktyki, Gwiazdy ,Planety

  

Jądro atomowe

Jądro atomowe

Wszystkie protony i neutrony w atomie (nazywane wspólnie nukleonami) skupiają się w jądro atomowe. Jest to około 1/100 000 średnicy całego atomu. Nukleony są związane ze sobą przez siły jądrowe, będące resztkowym przejawem oddziaływania silnego. Na odległościach mniejszych niż 2,5 fm te siły są wielokrotnie silniejsze od odpychania elektrostatycznego pomiędzy dodatnio naładowanymi protonami.

Atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów, nazywaną liczbą atomową. Liczba neutronów może być różna, w zależności od izotopu tego pierwiastka. Łączna liczba protonów i neutronów określana jest jako liczba masowa. Stabilność jądra zależy od liczby protonów, jak i neutronów w jądrze. Jądra niestabilne ulegają rozpadowi promieniotwórczemu.

Zarówno protony, jak i neutrony są fermionami. Reguła Pauliego zabrania identycznym fermionom zajmowania jednocześnie tego samego stanu kwantowego. Dlatego każdy proton w jądrze musi znajdować się w innym stanie kwantowym, podobnie jak każdy neutron. Reguła ta nie zabrania protonowi i neutronowi znajdować się w tym samym stanie, ponieważ są innym typem cząstek.

W atomach z małą liczbą protonów (poniżej 20) najstabilniejsze są izotopy, w których liczba protonów i neutronów jest w przybliżeniu równa. Jądro atomu z tej grupy, zawierające znacząco różną liczbę neutronów i protonów, może obniżyć swoją energię przez rozpad radioaktywny prowadzący do zmniejszenia tej różnicy. W miarę wzrostu liczby protonów w jądrze ich odpychanie elektrostatyczne sprawia, że stabilniejsze stają się jądra z nieco większą liczbą neutronów. Jądra wszystkich atomów cięższych od wapnia (20 protonów), których liczba neutronów jest równa liczbie protonów, są niestabilne. Z dalszym wzrostem liczby protonów optymalny stosunek liczby neutronów do protonów rośnie, osiągając około 1,5 dla najcięższych jąder. Najcięższym trwałym atomem jest ołów, którego izotop 208Pb zawiera 82 protony i 126 neutronów. Do roku 2003 za najcięższy trwały atom uważano bizmut (izotop 209Bi), który jednak, zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, ostatecznie okazał się niestabilny.
Schemat syntezy jądra deuteru z dwóch protonów. Emitowany jest pozyton (e+) – cząstka antymaterii – oraz neutrino elektronowe.

W wyniku zderzeń jąder atomowych może dojść do utworzenia nowych jąder, ale doprowadzenie do takiej reakcji wymaga często bardzo wysokich energii. Fuzja jądrowa zachodzi, gdy lżejsze jądra łączą się w cięższe. Przykładowo protony muszą zderzyć się z energią 3–10 keV, aby przezwyciężyć wzajemne odpychanie i zbliżyć się na tyle, żeby połączyć się w jądro deuteru. Rozszczepienie jądra atomowego to odwrotny proces, w którym ciężkie jądro rozpada się na dwa lżejsze. Jądro może też zostać zmodyfikowane w wyniku zderzenia z wysokoenergetyczną cząstką lub fotonem – które zmieni proton w neutron lub na odwrót.

Jeśli masa powstałego jądra i emitowanych cząstek jest mniejsza niż masa substratów, różnica zostanie wyemitowana w postaci promieniowania gamma lub energii kinetycznej produktów, zgodnie ze wzorem na równoważność masy i energii E = mc2. Różnica mas wynika z energii wiązania w jądrze i jej utrata sprawia, że powstałe jądro jest stabilne – aby się rozpaść, musi otrzymać tę energię z otoczenia.

Fuzja, w której powstaje jądro lżejsze od żelaza – o liczbie nukleonów mniejszej niż 60 – powoduje zwykle wyemitowanie większej ilości energii, niż jest potrzebna do jej wywołania. Ta energia napędza reakcję termojądrową we wnętrzu gwiazd. Dla jąder cięższych od jadra żelaza energia wiązania w przeliczeniu na nukleon zaczyna spadać. Oznacza to, że fuzja takich jąder zużywa energię i nie może podtrzymać równowagi hydrostatycznej w gwiazdach.