Atomsko jezgro
Atomsko jezgro ili atomska jezgra je centar atoma, ogromne gustine koji se sastoji od nukleona - protona i neutrona. Broj protona u atomskom jezgru se zove atomski broj, i određuje kom hemijskom elementu atom pripada (na primer vodonik, ugljenik, kiseonik, itd.). Broj neutrona određuje izotop elementa. Protoni i neutroni imaju skoro jednake mase, i njihov zajednički broj maseni broj, je približno jednak atomskoj masi atoma (svaki izotop elementa ima jedinstvenu atomsku masu). Masa elektrona je mala i ne doprinosi značajno atomskoj masi.[1]
Bilo je mnogo hipoteza o građi atoma koje su bile više plod mašte nego sistematskih i činjenicama potkrepljenih istraživanja. Prvi, na eksperimentima zasnovan, model bio je Thomsonov model atoma 1903. g, (tzv. "puding od šljiva": elektroni u atomu raspoređeni su kao šljive u pudingu). Po ovom modelu elektroni su raspoređeni po zapremini atoma. Frekvencija oscilovanja elektrona oko tih ravnotežnih položaja odgovara frekvenciji zračenja koje atom emituje. Ovaj model nije mogao da opiše kvantitativno nijedan eksperiment, ali nije bio ni u protivurečnosti sa do tada poznatim eksperimentima.
Novim eksperimentima koje je započeo Raderford, a koji nisu mogli da se protumače Tompsonovim modelom, postavljeni su temelji savremenog shvatanja nuklearne strukture atoma. 1906. g. E. Raderford je ispitivao rasejavanje alfa čestica na metalnim listićima, s ciljem da ispita prodornost alfa zraka. 1910. g. H. Gajger i E. Marsden, Raderfordovi saradnici, opazili su slučajeve rasejavanja alfa čestica u kojima je ugao rasejavanja bio skoro 180°. 1911. g. E. Raderford postavlja planetarni model atoma: unutar atoma nalazi se pozitivno naelektrisano jezgro, malih dimenzija, u kojem je usredsređena praktično celokupna masa atoma, a oko jezgra kruže elektroni. 1911 - 1912 g. H. Gajger i E. Marsden eksperimentalno su potvrdili ispravnost Raderfordove postavke.
1912. g. P. Bleket, pomoću tek otkrivene Vilsonove komore, dobio je fotografije tragova alfa čestica koji su imali oštre prelome. Prelomi potiču od jednostrukih sudara (rasejavanja) alfa čestica sa atomima gasa u komori. 1913. g. A. van den Bruk primetio je da podaci o rasejavanju alfa čestica mogu najlakše da se objasne ako se pretpostavi da je naelektrisanje jezgra umnožak elemetarnog naelektrisanja elektrona i rednog broja elementa Ze. 1914. g. H. Mozli, mereći frekvencije karakterističnog X zračenja, potvrdio je Van den Brukovu hipotezu.
Pošto je atomsko jezgro, kao i većina pojava i objekata na mikroskopskom nivou, po osobinama potpuno različito od svega što vidimo u svetu oko nas, za njegovo razumevanje korisitmo se modelima. Modeli mikroskopskih pojava i objekata obično su vrlo grube aproksimacije stvarnog stanja i zbog toga mogu da opišu predmet modeliranja samo delimično i to u jednom vrlo uskom segmentu. Najbolji opis pruža aparat kvantne mehanike (kvantna elektrodinamika i hromodinamika), ali je iz njega teško naslutiti fizičku sliku. Kod atomskog jezgra najpoznatiji su modeli kapi i ljuske. Prvi može dobro da opiše stabilnost jezgra i energetiku nuklearnih transmutacija a drugi magnetne osobine i elektromagnetni spektar jezgra.
Model kapi opisuje atomsko jezgro kao kapljicu nuklearne "tečnosti". Vezivna energija jezgra može se opisati Vajscakerovom poluempirijskom formulom:
Prvi član, porporcionalan broju nukleona, predstavlja unutrašnju energiju jezgra. Član proporcionalan A2/3 opisuje "površinsku" energiju i uzima u obzir to da površinski nukleoni imaju manji broj suseda i stoga manje doprinose vezivnoj energiji. Član proporcionalan kvadratu naelektrisanja, Z2, opisuje elektrostatičko odbijanje među protonima, a član koji zavisi od (A-2Z)2 predstavlja energiju asimetrije i uzima u obzir da je kod lakih jezgara broj protona i broj neutrona u jezgru približno isti. Poslednji član predstavlja energiju sparivanja kojom se opisuje empirijski nalaz da su jezgra s parnim brojem protona i parnim brojem neutrona stabilnija od parno-neparnih i neparno-parnih.
Vrednosti osnovnih parametara u gornjoj formuli određene su na osnovu poznatih osobina jezgara i iznose:[2]
| w0 | 15,56 MeV |
| w1 | 17,2 MeV |
| w2 | 0,698 MeV |
| w3 | 23,3 MeV |
| w4 | 33,5 MeV |
Treba uočiti da samo prvi član doprinosi stabilnosti jezgra (što više nukleona tim više nuklerarnih privlačnih sila dok ostali stabilnost smanjuju (što više protona tim je veće odbijanje među njima i tim manja stabilnost jezgra). Ukupan rezultat je da najveću energiju po nukleonu imaju atomska jezgra u blizini gvožđa. Dakle, jezgra sa masom dosta manjom i dosta većom od mase gvožđa imaju manju energiju vezivanja po nukleonu. To ne znači da su ta jezra obavezno radioaktivna, ali znači da stapanjem lakših (fuzijom) i cepanjem težih (fisijom) pri čemu nastaju jezgra srednjih atomskih masa, može da se dobije korisna energija. Na tom principu rade savremene fisione nuklearne centrale i istražuje mogućnost za građenje fuzionih.
Model tečne kapi odlično je poslužio da opiše energijske osobine jezgra (recimo energiju vezivanja po nukleonu), ali nije mogao ni najmanje da pomogne da se objasni diskretna priroda elektromagnetnog (gama) zračenja iz atomskog jezgra. To je pošlo za rukom modelu ljuske koji je formulisan u potpunoj analogiji sa modelom elektronskih ljuski u atomskom omotaču. Po tom modelu u jezgru postoje diskretni energijski nivoi u kojima dolazi, po analogiji sa elektronima u elektronskom omotaču, do sparivanja protona sa protonima i neutrona sa neutronima. Svaki energijski nivo ima određeni broj parova koje može da sadrži pre nego što dođe do popunjavanja viših nivoa. za neke specijalne, "magične" brojeve protona ili neutrona: 2, 8, 20, 28, 50, 82 ili 126, jezgra su posebno stabilna.
Pored objašnjenja spektra gama zračenja, model ljuske je u stanju da predvidi i magnetne osobine jezgra (videti NMR).
Izotopi su atomi hemijskog elementa čije jezgro ima isti atomski broj, ali različitu atomsku masu. Atomski broj odgovara broju protona u atomu. Stoga izotopi datog elementa sadrže jednak broj protona. Promenom broja protona, menja se hemijska priroda atoma.
Različiti izotopi istog elementa imaju veoma slične, ali ne i identične hemijske osobine (videti izotopski efekat) jer hemijsku prirodu elementa skoro u potpunosti određuje broj elektrona u elektronskom omotaču atoma. To znači da se različiti izotopi istog hemijskog elementa vrlo teško mogu razdvojiti hemijskim putem ali mogu različitim fizičkohemijskim procesima i metodama poput centrifugiranja, masene spektrometrije, frakcione destilacije, elektrolize itd. Na primer, obogaćeni uranijum (povećanje koncentracije uranijuma-235 u odnosu na uranijum-238) na industrijskoj skali, dobija se centrifugiranjem uranijumheksafluorida UF6. Za odreživanje starosti materijala organskog porekla (na osnovu odnosa kocentracija izotopa ugljenika-14 i ugljenika-12) koristi se masena spektrometrija. Za dobijanje kiseonika-18 koji se koristi za pravljenje radioaktivnih izotopa za medicinsku dijagnostiku (PET) koristi se frakciona destilacija azotdioksida...
Ako jezro ima previše ili premalo neutrona ono je nestabilno te se tokom vremena spontano raspada. Na primer, jezgro azota-16 (7 protona i 9 neutrona) već nakon nekoliko sekundi od nastanka, beta raspadom prelazi u kiseonik-16 (8 protona i 8 neutrona). U tom raspadu, pod uticajem slabe nuklearne sile, neutron u jezgru azota prelazi u proton, oslobađajući elektron (beta zrak).
Radijus nukleona, (neutrona ili protona) je reda veličine 1 fm (1 femtometar = (10−15 m). Nuklearni radijus može da se predstavi približno izrazom:
gde je
- A maseni broj,
- a 1,2 fm.
Radijus atomskog jezgra je manji od 0,01% (1/10.000 deo) radijusa atoma. Stoga je gustina nukearne materije više nego bilion puta veća od gustine atoma kao celine. Kocka nuklearnog materijala, zapremine od jednog kubnog milimetra imala bi masu od oko 200.000 tona. To je slučaj kod neutronske zveѕde koja je sačinjena od takvog materijala.
Kada se dva laka atomska jezgra dovedu u prisan kontakt postoji mogućnost da jaka nuklearna sila, koja je vrlo ograničenog dometa, stopi ta dva jezgra u jedno veće. Međutim, potrebna je ogromna energija da bi se dva jezgra dovela na rastojanje dovoljno malo da nuklearne sile počnu da deluju među njima. Ogromna energija za savlađivanje elektrostatičkog odbijanja među pozitivno naelektrisanim jezgrima može se postići samo na izuzetno visokim temperaturama ili pritiscima. Kada se dva laka jezgra stope dolazi do oslobađanja ogromne energije koja potiče od energije vezivanja nukleona. Energija vezivanja po nukleonu raste sa porastom masenog broja do nikla-62. Dakle kada se dva laka jezgra sa malom vezivnom energijom po nukleonu stope u jedno veće sa velikom energijom vezivanja po nukleonu, razlika u energijama se odaje okolini. Iz takvih reakcija zvezde, poput našeg Sunca, dobijaju energiju stapanjem četiri protona u jezgro helijuma pri čemu, pored ogromne energije nastaju još dva pozitrona i dva neutrina. U termonuklearnoj, hidrogenskoj bombi, dolazi do nekontrolisane fuzije vodonika u helijum. Danas se intezivno radi na pronalaženju metode za kontrolisanu nuklearnu fuziju čija bi energija mogla da se koristi u miroljubive svrhe.
Za jezgra teža od nikla-62 vezivna energija po nukleonu opada sa masenim brojem. Zbog toga može da dođe do oslobađanja energije ako se teže jezgro pocepa na dva lakša. Ovo cepanje jezgara poznato je kao nuklearna fisija (od latinskog fissionem - cepanje).
Iz tog ugla gledano i alfa radioaktivni raspad može se smatrati specijalnim oblikom nukearne fisije jer je alfa čestica isto što i atomsko jezgro helijuma-4. Međutim, pod fisijom se obično podrazumeva cepanje teškog jezgra na dva manja slične veličine.
Nuklearna fizika se bavi izučavanjem osobina i procesa u atomskom jezgru, i danas se uglavnom bavi atomskim jezgrom u ekstremnim uslovima, kao što su ekstremno veliki spin, ekstremno visoka pobuđenja stanja, ekstremni oblik poput ragbi lopte ili ekstremni odnos broja neutrona i protona. Takva jezgra se eksperimentalno mogu stvoriti veštački izazvanom fuzijom u ubrzivačima (akceleratorima) čestica.
- SCK.CEN Belgian Nuclear Research Centre Belgijski nuklearni centar, Mol