Атомно ядро | центърът на атома

Състав

Ядрото на атома е съставено от протони и неутрони (два вида бариони), свързани с ядрената сила. Тези бариони се състоят още от субатомни фундаментални частици, известни като кварки, свързани със силното взаимодействие. Ядрото е повече или по-малко сфероид и може да бъде донякъде пролатно (удължено) или облатно (плоско), или по друг начин да не е напълно кръгло.

Ако може да се счита, че радиусът на ядрото е от порядъка на 5 fm (= 10 × 10^-15 m), това означава, че напречното му сечение е от порядъка на 10^-28 m² , а обемът му е около 10^-42 m³ .

Изотопи и нуклиди

Изотопът на даден атом се определя от броя на неутроните в ядрото. Различните изотопи на един и същ елемент имат много сходни химични свойства. Различните изотопи в проба от химично вещество могат да бъдат разделени с помощта на центрофуга или с масспектрометър. Първият метод се използва при производството на обогатен уран от обикновен уран, а вторият - при датирането с въглерод.

Броят на протоните и неутроните заедно определя нуклида (вида на ядрото). Протоните и неутроните имат почти еднакви маси и техният общ брой, масовото число, е приблизително равен на атомната маса на атома. Общата маса на електроните е много малка в сравнение с масата на ядрото; протоните и неутроните тежат около 2000 пъти повече от електроните.

История

Откриването на електрона от Джей Джей Томсън е първият признак, че атомът има вътрешна структура. В началото на ХХ в. общоприетият модел на атома е моделът на Джей Джей Томсън, според който атомът представлява голяма положително заредена топка с малки отрицателно заредени електрони, вградени в нея. В началото на века физиците откриват и три вида лъчения, идващи от атомите, които наричат алфа, бета и гама лъчение. Експериментите, проведени през 1911 г. от Лиза Мейтнер и Ото Хан, както и от Джеймс Чадуик през 1914 г., откриват, че спектърът на бета-разпадането е непрекъснат, а не дискретен. Това означава, че от атома се изхвърлят електрони с различни енергии, а не с дискретни количества енергии, които се наблюдават при гама и алфа разпадането. Това е проблем за ядрената физика по онова време, тъй като показва, че енергията не се запазва при тези разпади. Този проблем по-късно води до откриването на неутриното (вж. по-долу).

През 1906 г. Ърнест Ръдърфорд публикува "Излъчване на частицата α от радия при преминаване през материята". В съобщение до Кралското дружество Гайгер разширява тази работа с експерименти, които той и Ръдърфорд са направили при преминаването на α частици през въздух, алуминиево и златно фолио. През 1909 г. Гайгер и Марсдън публикуват още една работа, а през 1910 г. Гайгер публикува още една значително разширена работа. През 1911-2 г. Ръдърфорд излиза пред Кралското дружество, за да обясни експериментите и да представи новата теория за атомното ядро, както го разбираме сега.

По същото време (1909 г.) Ърнест Ръдърфорд провежда забележителен експеримент, при който Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън под негово ръководство изстрелват алфачастици (хелиеви ядра) в тънък филм от златно фолио. Моделът на сливовия пудинг предсказва, че алфа частиците трябва да излязат от фолиото, като траекториите им са най-много леко извити. Той е шокиран да открие, че няколко частици са разпръснати под голям ъгъл, дори в някои случаи напълно обратно. Откритието, започнало с анализа на данните, направен от Ръдърфорд през 1911 г., в крайна сметка довежда до Ръдърфордския модел на атома, според който атомът има много малко, много плътно ядро, състоящо се от тежки положително заредени частици с вградени електрони, за да се балансира зарядът. Като пример в този модел азот-14 се състои от ядро с 14 протона и 7 електрона, а ядрото е заобиколено от още 7 орбитиращи електрона.

Моделът на Ръдърфорд работи доста добре до момента, в който Франко Расети от Калифорнийския технологичен институт през 1929 г. започва да изследва ядрения спин. Към 1925 г. е известно, че протоните и електроните имат спин от 1/2, а в модела на Ръдърфорд на азот 14 14-те протона и шестте електрона би трябвало да се сдвоят, за да се анулира спинът им, и последният електрон би трябвало да напусне ядрото със спин 1/2. Расети обаче открива, че азот-14 има спин 1.

През 1930 г. Волфганг Паули не успява да присъства на среща в Тюбинген и вместо това изпраща известно писмо с класическото въведение "Уважаеми радиоактивни дами и господа". В писмото си Паули изказва предположението, че в ядрото може би има трета частица, която той нарича "неутрон". Той предполага, че тя е много лека (по-лека от електрона), няма заряд и не взаимодейства лесно с материята (поради което все още не е открита). Този отчаян изход решава както проблема със запазването на енергията, така и проблема със спина на азот-14. Първият проблем е, че "неутронът" на Паули отнема допълнителната енергия, а вторият е, че допълнителният "неутрон" се свързва с електрона в ядрото на азот-14 и му дава спин едно. През 1931 г. Енрико Ферми преименува "неутрона" на Паули на неутрино (от италиански - малък неутрален) и след около тридесет години най-накрая е доказано, че по време на бета-разпад наистина се излъчва неутрино.

През 1932 г. Чадуик разбира, че радиацията, наблюдавана от Валтер Боте, Хърбърт Л. Бекер, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, всъщност се дължи на масивна частица, която той нарича неутрон. През същата година Дмитрий Иваненко изказва предположението, че неутроните всъщност са частици със спин 1/2 и че ядрото съдържа неутрони, а в него няма електрони, а Франсис Перин изказва предположението, че неутриното не е ядрена частица, а се създава по време на бета разпад. За да завърши годината, Ферми представя на Nature теория за неутриното (която редакцията отхвърля поради това, че е "твърде отдалечена от реалността"). Ферми продължава да работи върху теорията си и през 1934 г. публикува статия, която поставя неутриното на солидна теоретична основа. През същата година Хидеки Юкава предлага първата значима теория за силната сила, за да обясни как ядрото се държи заедно.

С публикациите на Ферми и Юкава съвременният модел на атома е завършен. Центърът на атома съдържа плътно кълбо от неутрони и протони, което се държи заедно от силната ядрена сила. Нестабилните ядра могат да претърпят алфа разпад, при който се отделя енергийно хелиево ядро, или бета разпад, при който се изхвърля електрон (или позитрон). След един от тези разпади полученото ядро може да остане във възбудено състояние и в този случай то се разпада до основното си състояние, като излъчва високоенергийни фотони (гама разпад).

Изследването на силните и слабите ядрени сили кара физиците да сблъскват ядра и електрони при все по-високи енергии. Тези изследвания се превърнаха в науката физика на елементарните частици, най-важната от които е стандартният модел на физиката на елементарните частици, който обединява силните, слабите и електромагнитните сили.

Съвременна ядрена физика

Едно ядро може да съдържа стотици нуклони, което означава, че с известно приближение то може да се разглежда като класическа система, а не като квантово-механична. В получения модел на течна капка ядрото има енергия, която се дължи отчасти на повърхностното напрежение и отчасти на електрическото отблъскване на протоните. Моделът на течната капка е в състояние да възпроизведе много характеристики на ядрата, включително общата тенденция на енергията на свързване по отношение на масовото число, както и явлението ядрено делене.

Върху тази класическа картина обаче се наслагват квантово-механични ефекти, които могат да бъдат описани с помощта на модела на ядрената обвивка, разработен в голяма степен от Мария Гьоперт-Майер. Ядрата с определен брой неутрони и протони (вълшебните числа 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) са особено стабилни, тъй като обвивките им са запълнени.

Голяма част от настоящите изследвания в областта на ядрената физика са свързани с изучаването на ядрата при екстремни условия, като например висок спин и енергия на възбуждане. Ядрата могат също така да имат екстремни форми (подобни на тези на американските футболни топки) или екстремни съотношения между неутрони и протони. Експериментаторите могат да създадат такива ядра чрез изкуствено предизвикани реакции на синтез или на пренос на нуклеони, използвайки йонни лъчи от ускорител. Лъчи с още по-високи енергии могат да се използват за създаване на ядра при много високи температури и има признаци, че тези експерименти са довели до фазов преход от нормална ядрена материя към ново състояние - кварк-глуонна плазма, в която кварките се смесват помежду си, а не са разделени на триплети, както е при неутроните и протоните.

Теми от ядрената физика

Ядрен разпад

Ако ядрото има твърде малко или твърде много неутрони, то може да е нестабилно и да се разпадне след определен период от време. Например атомите на азот-16 (7 протона, 9 неутрона) се разпадат до атоми на кислород-16 (8 протона, 8 неутрона) в рамките на няколко секунди след създаването им. При този разпад неутронът в азотното ядро се превръща в протон и електрон чрез слабата ядрена сила. Елементът на атома се променя, защото докато преди е имал седем протона (което го прави азот), сега има осем (което го прави кислород). Много елементи имат множество изотопи, които са стабилни в продължение на седмици, години или дори милиарди години.

Ядрен синтез

Когато две леки ядра влязат в много близък контакт едно с друго, е възможно силната сила да ги слее. Необходима е голяма енергия, за да се приближат ядрата достатъчно близо едно до друго, за да може силната сила да окаже въздействие, така че процесът на ядрен синтез може да се осъществи само при много високи температури или висока плътност. След като ядрата са достатъчно близо едно до друго, силната сила преодолява електромагнитното им отблъскване и ги смачква в ново ядро. При сливането на леки ядра се отделя много голямо количество енергия, тъй като енергията на свързване на един нуклон нараства с масовото число до никел-62. Звезди като нашето Слънце се захранват от сливането на четири протона в хелиево ядро, два позитрона и две неутрино. Неконтролируемото сливане на водорода в хелий е известно като термоядрен бяг. Понастоящем различни изследователски институти (вж. JET и ITER) провеждат изследвания за намиране на икономически изгоден метод за използване на енергията от контролирана реакция на термоядрен синтез.

Ядрено делене

За ядрата, по-тежки от никел-62, енергията на свързване на нуклон намалява с нарастването на масовото число. Следователно е възможно да се освободи енергия, ако едно тежко ядро се разпадне на две по-леки. Това разделяне на атомите е известно като ядрено делене.

Процесът на алфа-разпад може да се разглежда като особен вид спонтанно ядрено делене. При този процес се получава силно асиметрично делене, тъй като четирите частици, които съставляват алфа частицата, са особено здраво свързани помежду си, което прави производството на това ядро при делене особено вероятно.

За някои от най-тежките ядра, които произвеждат неутрони при делене и които също така лесно поглъщат неутрони, за да инициират делене, може да се получи самозапалващ се тип делене, инициирано от неутрони, в т.нар. верижна реакция. [Верижните реакции са познати в химията преди физиката и всъщност много познати процеси като пожари и химически експлозии са химически верижни реакции]. Верижната реакция на делене или "ядрена" реакция, при която се използват неутрони, предизвикани от деленето, е източник на енергия за ядрените електроцентрали и ядрените бомби от типа на ядреното делене, като двете, които Съединените щати използваха срещу Хирошима и Нагасаки в края на Втората световна война. Тежките ядра, като уран и торий, могат да претърпят спонтанно делене, но е много по-вероятно да се разпаднат чрез алфа-разпад.

За да възникне верижна реакция, инициирана от неутрони, трябва да има критична маса на елемента в определено пространство при определени условия (тези условия забавят и запазват неутроните за реакциите). Известен е един пример за естествен реактор за ядрено делене, който е бил активен в два района на Окло, Габон, Африка, преди повече от 1,5 милиарда години. Измерванията на естественото излъчване на неутрино показват, че около половината от топлината, излъчвана от земното ядро, е резултат от радиоактивен разпад. Не е известно обаче дали част от нея е резултат от верижни реакции на делене.

Производство на тежки елементи

С охлаждането на Вселената след Големия взрив в крайна сметка става възможно съществуването на познатите ни частици. Най-често срещаните частици, създадени при Големия взрив, които са лесно наблюдаеми и днес, са протони (водород) и електрони (в еднакъв брой). Някои по-тежки елементи са били създадени при сблъсъка на протоните един с друг, но повечето от тежките елементи, които виждаме днес, са били създадени във вътрешността на звездите по време на поредица от етапи на термоядрен синтез, като например протон-протонната верига, цикъла CNO и тройния алфа процес. По време на еволюцията на една звезда се създават все по-тежки елементи.

Тъй като енергията на свързване на нуклон достига своя връх около желязото, енергия се освобождава само при процеси на синтез, протичащи под тази точка. Тъй като създаването на по-тежки ядра чрез термоядрен синтез струва енергия, природата прибягва до процеса на улавяне на неутрони. Неутроните (поради липсата им на заряд) лесно се поглъщат от ядрото. Тежките елементи се създават или чрез бавен процес на улавяне на неутрони (т.нар. s процес), или чрез бърз, или r процес. Процесът s се проявява в термично пулсиращи звезди (наречени AGB, или звезди от асимптотичния гигантски клон) и отнема от стотици до хиляди години, за да се достигне до най-тежките елементи - олово и бисмут. Смята се, че процесът r възниква при експлозиите на свръхнови, тъй като са налице условията на висока температура, висок поток неутрони и изхвърлена материя. Тези звездни условия правят последователните улавяния на неутрони много бързи, включващи много богати на неутрони видове, които след това се разпадат до по-тежки елементи, особено в така наречените точки на изчакване, които съответстват на по-стабилни нуклиди със затворени неутронни обвивки (магически числа). Продължителността на процеса r обикновено е в рамките на няколко секунди.

Свързани страници