Atomo nukleo

Atomo-nukleoa edo nukleo atomikoa atomo baten erdigunea da, non bere masa guztiaren % 99,99 baino gehiago dagoen.

Protoiz eta neutroiz osatua dago (nukleoi deituak), elkarrekintza nuklear bortitzaren bidez elkartuta mantentzen direnak. Nukleoan dagoen protoi kopuruak elementu kimikoa zein den adierazten du. Nukleoan protoi kopuru bera baina neutroi kopuru ezberdina duten atomoei isotopo deritze. Protoiek nukleoari karga elektriko positiboa ematen diote, hain zuzen ere protoien kargen baturaren balioa duena.

Atomo nukleoaren existentzia Geiger-Marsden saiakuntzaren bidez ebatzi zen.

Atomo baten protoi eta neutroi batu guztiek atomo nukleo ñimiño bat osatzen dute. Partikula horiei nukleoi deitzen zaie kolektiboki. Nukleo baten erradioa gutxi gorabehera ${\displaystyle 1.07{\sqrt[{3}]{A}}}$ femtometro da, non ${\displaystyle A}$ nukleoi kopuru osoa den^[1]. Atomoaren erradioa baino askoz txikiagoa da, 10⁵ fm ingurukoa dena. Nukleoiak indar nuklear izeneko irismen laburreko potentzial erakargarri batek lotzen ditu. 2,5 fm-tik beherako distantzietan, indar hau indar elektrostatikoa baino askoz indartsuagoa da, positiboki kargatutako protoiak elkarrengandik aldentzen dituena.

Elementu bereko atomoek protoi kopuru bera dute, zenbaki atomikoa deritzona (Z sinboloa). Elementu beraren barruan neutroi kopurua alda daiteke, eta horrek elementu horren isotopoa zehazten du. Protoi eta neutroi kopuru osoak nukleoa zehazten du. Protoiekiko neutroi kopuruak nukleoaren egonkortasuna baldintzatzen du, isotopo batzuek desintegrazio erradioaktiboa jasaten baitute^[2].

Protoia, elektroia eta neutroia fermioi gisa sailkatzen dira. Fermioiek Pauliren bazterketa printzipioari jarraitzen diote, zeinak debekatzen baitu fermioi identikoek, adibidez protoiak, aldi berean egoera kuantiko bera hartzea. Horrela, nukleoko protoi bakoitzak beste protoi guztien egoera kuantiko desberdina izan behar du, eta gauza bera aplikatzen zaie nukleoko neutroi guztiei eta hodei elektronikoko elektroi guztiei^[3].

Nukleo batek protoi eta neutroi kopuru desberdina badu, energia gutxiagoko egoera batera jaits daiteke desintegrazio erradiaktibo baten bidez, protoi eta neutroi kopurua estuago bat etor dadin. Ondorioz, protoi eta neutroi zenbaki berdinak dituzten atomoak egonkorragoak dira desintegrazioaren aldean, baina atomo kopurua handitzean, protoien elkarrekiko aldaratzeak gero eta neutroi proportzio handiagoa eskatzen du nukleoaren egonkortasunari eusteko.

Nukleo atomikoaren protoi eta neutroi kopurua alda daiteke, baina horrek energia oso altuak eska ditzake indar indartsuaren ondorioz. Fusio nuklearra partikula atomiko batzuk batzen direnean gertatzen da, nukleo astunago bat sortzeko, adibidez, bi nukleoren talka energetikoaren bidez. Adibidez, Eguzkiaren nukleoan, protoiek 3 eta 10 keV arteko energiak behar dituzte elkarrekiko urruntzea gainditzeko (Coulomben hesia) eta nukleo bakar batean fusionatzeko^[4]. Fisio nuklearra kontrako prozesua da, non nukleo bat bi nukleo txikiagotan banatzen den, normalean desintegrazio erradioaktiboaren bidez. Nukleoa partikula subatomikoak edo energia handiko fotoiak bonbardatuz ere alda daiteke. Horrek nukleo baten protoi kopurua aldatzen badu, atomoa elementu kimiko desberdin batera aldatzen da^[5].

Fusio-erreakzio baten ondoren nukleoaren masa partikula bereizien masen batura baino txikiagoa bada, orduan bi balio horien arteko diferentzia energia erabilgarri mota gisa isur daiteke (gamma izpi bat edo beta partikula baten energia zinetikoa bezala), Albert Einsteinen masa-energia baliokidetasun formulak deskribatzen duen bezala, ${\displaystyle E=mc^{2}}$ non ${\displaystyle m}$ masa galtzea da, eta ${\displaystyle c}$ argiaren abiadura da. Defizit hori nukleo berriaren lotura-energiaren parte da, eta energiaren galera berreskuraezina da fusionatutako partikulak elkarrekin geratzea eragiten duena, banatzeko energia hori behar duen egoera batean^[6].

Burdinak eta nikelak (guztira 60 nukleoi inguru) baino zenbaki atomiko txikiagoak dituzten nukleo handiagoak sortzen dituzten bi nukleoren fusioa prozesu exotermikoa izan ohi da, eta horiek batzeko behar den energia baino gehiago askatzen du^[7]. Energia askatzeko prozesu horrek eragiten du izarren fusio nuklearra erreakzioa berez mantentzeko gai izatea. Nukleo astunenen kasuan, nukleoi bakoitzeko lotura-energia gutxitzen hasten da nukleoan. Horrek esan nahi du 26tik gorako zenbaki atomikoak eta 60tik gorako masa atomikoak dituzten nukleoak sortzen dituzten fusio-prozesuak prozesu endotermikoak direla. Nukleo masiboagoek ezin dute jasan izar baten oreka hidrostatikoari eutsi diezaiokeen energia-fusio ekoizlearen erreakziorik.

Elektroien aurkikuntza izan zen atomoen barne egituraren lehen azalpena. XX. mendearen hasieran atomoaren eredu onartua Joseph John Thomsonena zen, "mahaspasa pudina"; eredu horretan atomoa karga elektriko positibodun bola handi bat zen, non karga elektriko negatibodun elektroi txikiak zeuden bere barnean sartuta. Garai horretan fisikariek atomoek igorritako hiru erradiazio mota ere aurkitu zituzten: alfa, beta eta gamma erradiazioak. 1911n Lise Meitnerrek eta Otto Hahnek eta 1914an James Chadwickek eginiko esperimentuek beta erradiazio espektroaren erorketa jarraikakoa dela erakutsi zuten, eta ez diskretoa. Hau da, elektroiak atomotik energia gama batekin kanporatuak dira, eta ez alfa eta gamma erradiazioen erorketan ikus daitekeen energia kopuru diskretoekin. Honek erorketetan energia ez zela kontserbatzen adierazten zuela zirudien. Beranduago energia bai kontserbatzen dela aurkitu zen, neutrinoak aurkitu ondoren.

1906an Ernest Rutherfordek "Erradioaren alfa partikularen atzerapena materia zeharkatzen duenean" argitaratu zuen Philosophical Magazine aldizkarian (12 orrialde. 134.etik 146.era). Hans Geigerrek lan hau Royal Societyri eginiko komunikazio batean luzatu zuen (Proc. Roy. Soc. 1908ko uztailak 17) esperimentuekin eta Rutherfordek alfa partikulen, aluminiozko paperaren eta urreztaturiko aluminiozko paperaren bidez airea pasarazi zuen. Geigerrek eta Brian Geoffrey Marsdenek lan gehigarriak argitaratu zituzten 1909an (Proc. Roy. Soc. A82, 495-500 orrialdeak) eta are gehiago luzatu zuten lana Geigerren 1910eko argitalpenean (Proc. Roy. Soc. 1910eko otsailak 1). 1911-1912an Rutherfordek Royal Societyren aurrean esperimentuak azaldu zituen eta atomo nukleoaren teoria berria proposatu zuen.