Atomsko jezgro

Atomsko jezgro 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]

Istorija uredi

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 Tompsonov model „pudinga od šljiva“, 1903. g, (puding od šljiva: elektroni u atomu raspoređeni su kao suvo grožđe 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 elementarnog naelektrisanja elektrona i rednog broja elementa Ze.
1914. g. H. Mozli, mereći frekvencije karakterističnog X zračenja, potvrdio je Van den Brukovu hipotezu.

Otkriće elektrona je bila prva naznaka da atom ima unutrašnju strukturu. Na početku 20. veka bio je prihvaćen model puding sa višnjama Džozefa Džona Tomsona po kom je atom velika pozitivno naelektrisana lopta sa malim negativno naelektrisanim elektronima uronjenim u nju. Do početka 20. veka fizičari su takođe otkrili tri tipa zračenja koja su dolazila iz atoma, koja su nazvana alfa, beta i gama zračenje. Eksperimenti iz 1911. Lise Majtner i Ota Hana i Džejmsa Čedvika iz 1914. su otkrili da je spektar beta raspada bio kontinualan, a ne diskretan, tj. elektroni su bili izbačeni iz atoma sa rasponom energije, a ne sa diskretnim količinama energije koja su uočena kod gama i alfa raspada. Ovo je predstavljalo problem za ondašnju nuklearnu fiziku, pošto je nagoveštavalo da ukupna količina energije nije održana u ovim raspadima. Problem će kasnije dovesti do otkrića neutrina.

Otprilike u isto vreme (1909), Gajger i Marsden izvode eksperiment u kom ispaljuju alfa čestice (jezgra helijuma) u tanku zlatnu foliju. Model pudinga od šljiva je predviđao da alfa čestice izlaze iz folije sa neznatno iskrivljenim putanjama. Raderford je bio šokiran kada je otkrio da se nekoliko čestica odbilo pod velikim uglom, a neke su se čak vratile nazad. Ovo otkriće je dovelo do Radefordovog modela atoma, u kom atom ima vrlo malo gusto pozitivno naelektrisano jezgro koje privlači elektrone kako bi atom ostao električno neutralna.

Modeli atomskog jezgra uredi

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 koristimo 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.

Skoro svi modeli jezgra koji pružaju fizičku sliku o jezgru zasnivaju se na jednom od dva pristupa:

model jakih interakcija, kada se posmatra ansambl jako spregnutih jezgara
model nezavisne čestice, kada se interakcije između jezgara mogu zanemariti i posmatra se da se individualno jezgro kreće u usrednjenom polju od dejstava ostalih jezgara

Model kapi uredi

Model kapi opisuje atomsko jezgro kao kapljicu nuklearne „tečnosti“. Ovakav model je opravdan zbog analogije koja se može povući između kapljice tečnosti i atomskog jezgra:

gustina jezgra za veliki opseg jezgara iznosi oko 2*10¹⁴ g/cm³ i ne zavisi od veličine jezgra
vezivna energija po nukleonu je konstantna za sve, osim za jako mala jezgra, kao što je konstantna i vezivna energija po molekulu
molekulske sile su kratkodometne i privlačne su na većim rastojanjima, dok su odbojne na rastojanjima manjim od dimenzija kapi. Slično tome, nuklearne sile su kratkodometne i imaju slično ponašanje na rastojanjima većim i manjim od dimenzija jezgra
srednji slobodan put molekula je mali u poređenju sa dimenzijama kapi, a analogno je i srednji slobodan put nukleona mali u poređenju sa dimenzijama jezgra ako su nukleoni jako spregnuti
energija prelaz nukleona iz slobodnog u vezano stanje može se uporediti sa energijom potrebnom za kondenzaciju kapi

S druge strane, postoje i suštinske razlike između kapljice i jezgra atoma, kao što su:

molekulske sile su elektromagnetne prirode, te su suštinski različite od nuklearnih sila koje su rezidualne sile jakih interakcija
kretanje molekula u kapi se objašnjava klasičnom fizikom, dok je kretanje nukleona u jezgru kvantne prirode

Vajscakerova formula uredi

Vezivna energija jezgra može se opisati Vajscakerovom poluempirijskom formulom:

W=-w_{0}A+w_{1}A^{2/3}+w_{2}{\frac {Z^{2}}{A^{1/3}}}+w_{3}{\frac {(A-2Z)^{2}}{A}}+w_{4}{\frac {\delta (A,Z)}{A^{3/4}}}

Prvi član, proporcionalan broju nukleona, predstavlja unutrašnju energiju jezgra. Član proporcionalan A^2/3 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 nuklearnih 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 jezgra 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 ljuske uredi

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).

Model Fermijevog gasa uredi

Kod ovog modela polazi se od shvatanja da se nukleoni mogu posmatrati kao nezavisne čestice. Prema ovom modelu nukleoni se u jezgru kreću skoro nezavisno, kao u gasovima. Osnovno shvatanje o interakciji među nukleonima kod ovog modela se suštinski razlikuje od modela kapljice. Pokazalo se da je ovaj model najadekvatniji za jezgra pri niskim energijama. Prema ovom modelu dokazuje se da među nukleonima postoje i odbojne sile, a ne samo privlačne. Da postoje samo privlačne sile jezgro bi moralo biti gušće, a i energija veze bi bila veća nego što je eksperimentalno utvrđeno. U skladu sa time, pretpostavlja se da se jedan nukleon može vezivati samo za određen broj nukleona i to relativno mali broj. Uračunavaju se još i parovi nukleona prema spinu i prema prostornoj simetriji, gde mogu postojati i sile privlačenja i sile odbijanja. Pomoću ovog modela jezgra se uspešno izračunavaju mnoga svojstva jezgra pri niskim i srednjim energijama veze, ali za one sa više energije, ovaj model nije efikasan.

Optički model uredi

Jedan od osnovnih problema u nuklearnoj fizici jeste priroda nuklearnih reakcija, odnosno način na koji interaguju nukleoni i jezgra u međusobnim sudarima. Interesantno je baviti se pitanjem raspodele energije upadne čestice na pojedine nukleone jezgra. Produkti ovakvih reakcija često imaju veću energiju nego što bi se očekivalo prema ravnomernoj raspodeli energije upadne čestice na pojedine nukleone. Suprotno od hipoteze o nezavisnosti čestica, kao kod modela Fermijevog gasa, postoji i hipoteza zasnovana na statičkom metodu tretiranja nuklearnih reakcija. Prema ovom shvatanju, složeno jezgro nastaje odmah čim upadna čestica naiđe na površinu jezgra, bez čekanja na naknadne promene i interakcije. Ovaj model usvaja i jedno i drugo shvatanje. Prema ovom modelu jezgro deluje na upadnu česticu kao neka vrsta potencijalne jame. U jezgru se apsorbuju upadni talasi i na taj način se formira složeno jezgro. Odavde se prema ovom modelu jezgro ne formira ni trenutno ni sa potpunom sigurnošću. Pošto je korpuskularno-talasne prirode, čestica se posle ulaska u jezgro odbija prema zakonima odbijanja talasa. Srednja dužina slobodnog puta neutrona pri nailaženju na jezgro i pri formiranju složenog jezgra je veća od dimenzija jezgra, pa postoji velika verovatnoća da neutron proleti kroz jezgro bez gubitka energije. Tako kod ovog modela jezgro može imati ulogu neke sredine, koja može i da apsorbuje, a i da propusti čestice, odnosno talase. Na osnovu ovoga možemo uzeti u obzir veličinu analognu indeksu prelamanja i ostale veličine analogne onima u optici. Na osnovu ovoga je model i dobio ime. Optički model je doprineo izračunavanju i analizi rasipanja talasa pri nailasku na jezgro, ali je vrlo malo doprineo ispitivanju toka i prirode samih nuklearnih reakcija koje nastaju pre i posle nailaska čestice na jezgro.

Model alfa-čestica uredi

Mnoga jezgra emituju α-čestice, pa su naučnici došli na ideju da se može stvoriti takav model atomskog jezgra prema kome bi α-čestice bile kao celina u jezgru sa svom svojom stabilnošću. Energija alfa-čestice iznosi oko 29 MeV, što pokazuje da ju je teško razložiti, a i da se ona ne formira trenutno i slučajno. Pokazalo se da su jezgra, kod kojih je broj neutrona jednak broju protona, izuzetno stabilna, pa se takva jezgra nazivaju i alfa-jezgra. Ova jezgra su često okarakterisana i prostornom simetrijom. Prema ovom modelu se, dakle, objašnjavaju određena svojstva jezgara, a pogotovu onih stabilnijih i sa velikom simetrijom. Prema ovom modelu energija veze se ne povećava znatno u jezgrima koja imaju po jedan nukleon više od masenog broja deljivog sa 4 (A=4n). Ni kod jezgara sa 2 ili 3 nukleona više energija veze nije znatno veća. Međutim, u jezgrima sa četvrtim nukleonom više dolazi do naglog skoka energije veze, jer se prema ovom shvatanju stvorila nova alfa čestica. Pomoću ovog modela objašnjena su mnoga svojstva jezgara sa parnim brojem nukleona, ali kod jezgara sa neparnim brojem nukleona, ovaj model nailazi na velike probleme, pa je zbog toga njegova efikasnost ograničena.

Izotopi uredi

Izotopski sastav jezgra određen je brojem neutrona u njemu. (Promenom broja protona, menja se hemijska priroda atoma.) Različiti izotopi istog hemijskog elementa imaju veoma slične (ali ne i identične, videti izotopski efekat) hemijske osobine jer hemijsku prirodu elementa skoro u potpunosti određuje broj elektrona u elektronskom omotaču atoma. To znači da se različiti izotopi jednog te 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 određivanje starosti materijala organskog porekla (na osnovu odnosa koncentracija 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.

Broj protona i neutrona zajedno određuje nuklid (vrstu jezgra). Protoni i neutroni imaju približno istu masu, i njihov zbir, maseni broj, je približno jednak atomskoj masi atoma. Zbirna masa elektrona je vrlo mala u poređenju sa jezgrom, pošto protoni i neutroni imaju masu 2000 veću od elektrona.

Raspad jezgra uredi

Ako jezgro 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).

Veličina jezgra uredi

Radijus nukleona, (neutrona ili protona) je reda veličine 1 fm (1 femtometar = (10^-15 m). Nuklearni radijus može da se predstavi približno izrazom:

R=R_{0}A^{1/3}\

gde je

A maseni broj,

a

R_{0}=\

1,2 fm.

Radijus atomskog jezgra je manji od 0,01% (1/10.000 deo) radijusa atoma. Stoga je gustina nuklearne 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 zvezde koja je sačinjena od takvog materijala.

Masa jezgra uredi

Masa jezgra je veoma mala u poređenju sa nekim objektima u prirodi, pa se zbog toga ta masa izražava u atomskim jedinicama mase.

Atomska jedinica mase (1u) iznosi dvanaesti deo mase atoma ugljenikovog izotopa 6C12. 1u=1,66∙10-27 kg Masa elektrona iznosi me= 9,1083∙10-31 kg ili 54,87∙10-5u. Masa protona je oko dve hiljade puta veća od mase elektrona mp=1836,12 me. Masa neutrona iznosi mn=1,0089860u. Supstancija atomskog jezgra je veoma gusta. Ta gustina iznosi 1014 g/cm3. Do ove gustine se došlo deljenjem mase nukleona koja je reda veličine 10-24 grama i zapremine jezgra koja iznosi približno 10-39 ¬- 10-38 centimetara kubnih. U nuklearnoj fizici masa se često izražava u energetskim jedinicama. Atomskoj jedinici mase odgovara atomska jedinica energije: 1u∙c2 = 931,5 MeV, (Na osnovu obrasca Eo = m∙c2). Istraživanja su pokazala da nukleoni nemaju masu jednaku atomskoj jedinici mase, već da su te vrednosti približne, kao i da neutron ima nešto veću masu od protona. Merenjem se došlo do zaključka da je masa jezgra manja od zbira pojedinačnih masa nukleona koji su u sastavu jezgra, odnosno da postoji defekt mase jezgra. Atomsko jezgro je znatno stabilniji sistem od slobodnih nukleona, tj. ima manju energiju nego što je ukupna energija pojedinačnih nukleona koji čine to jezgro. Prema Ajnštajnovoj relaciji Eo = m∙c2 sledi da je i masa jezgra manja od ukupne mase pojedinačnih nukleona. Defekt mase jezgra predstavlja razliku ukupne mase svih pojedinačnih nukleona u sastavu jezgra i mase samog jezgra. Δm = Zmp + Nmn - mjez ¬, gde je Z- broj protona, N- broj neutrona, mp- masa jednog protona i mn- masa jednog neutrona.

Nuklearna fuzija uredi

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 intenzivno radi na pronalaženju metode za kontrolisanu nuklearnu fuziju čija bi energija mogla da se koristi u miroljubive svrhe.

Nuklearna fisija uredi

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 nuklearne 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 uredi

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.

Vidi još uredi

Reference uredi

^ S. Macura, J. Radić-Perić, ATOMISTIKA, Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list. . Београд.
^ E. Segré, Nuclei and Particles, Benjamin, 1977)

Spoljašnje veze uredi

SCK.CEN Belgian Nuclear Research Centre Belgijski nuklearni centar, Mol

Kategotija:Atom

[1] S. Macura, J. Radić-Perić, ATOMISTIKA, Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list. . Београд.

[2] E. Segré, Nuclei and Particles, Benjamin, 1977)

[1]

[2]