Nucleul atomic

Nucleul atomic
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Nucleus_drawing.svg

(Un model al nucleului atomic arătând ca un pachet compact al celor două tipuri de nucleoni: protoni (roșii) și neutroni (albastru). În această diagramă, protonii și neutronii arată ca niște bile lipite împreună, dar un nucleu actual (așa cum e înțeles de fizica nucleară modernă) nu poate fi explicat astfel, doar folosind mecanica cuantică. Într-un nucleu care ocupă un anumit nivel de energie (de exemplu, starea de bază), se poate spune că fiecare nucleon ocupă o gamă largă de locații.)

Nucleul atomic este regiunea mică și densă formată din protoni și neutroni aflată în centrul unui atom, descoperit în 1911 de Ernest Rutherford pe baza experimentului cu folie de aur Geiger-Marsden din 1909. După descoperirea neutronului din 1932, modelele pentru un nucleu compus din protoni și neutroni au fost dezvoltate rapid de către Dmitri Ivanenko și Werner Heisenberg. Aproape toată masa unui atom este localizată în nucleu, cu o contributie foarte mică a norului de electroni. Protonii și neutronii sunt legați împreună pentru a forma un nucleu de forța nucleară.

Diametrul nucleului este în intervalul de 1,75 fm (1,75×10-15 m) pentru hidrogen (diametrul unui singur proton) până la aproximativ 15 fm pentru cei mai grei atomi, cum ar fi uraniul. Aceste dimensiuni sunt mult mai mici decât diametrul atomului însuși (nucleul + norul de electroni), cu un factor de aproximativ 23.000 (uraniu) până la aproximativ 145.000 (hidrogen).

Ramura fizicii care se ocupă de studiul și înțelegerea nucleului atomic, inclusiv compoziția sa și forțele care o leagă, se numește fizică nucleară.

Introducere

Istorie

Nucleul a fost descoperit în 1911, ca urmare a eforturilor lui Ernest Rutherford de a testa modelul de „budincă cu stafide” (cunoscut și ca ”budincă cu prune”) al atomului Thomson. Electronul fusesedeja descoperit mai devreme de J.J. Thomson însuși. Știind că atomii sunt neutri din punct de vedere electric, Thomson a postulat că trebuie să existe și o sarcină pozitivă. În modelul de budincă cu stafide, Thomson a sugerat că un atom constă din electroni negativi împrăștiați întâmplător într-o sferă de încărcare pozitivă. Ernest Rutherford a realizat mai târziu un experiment cu partenerul său de cercetare Hans Geiger și cu ajutorul lui Ernest Marsden, care a implicat devierea particulelor alfa (nuclei de heliu) îndreptate spre o foaie subțire de folie metalică. El a argumentat că dacă modelul lui Thomson ar fi corect, particulele alfa încărcate pozitiv ar trece cu ușurință prin folie, cu o abatere foarte mică în căile lor, deoarece folia ar trebui să acționeze ca neutră din punct de vedere electric dacă încărcăturile negative și pozitive sunt atât de intim amestecate încât să o facă să apară neutru. Spre surprinderea lui, multe dintre particule au deviat la unghiuri foarte mari. Deoarece masa unei particule alfa este de aproximativ 8000 de ori mai mare decât cea a unui electron, a devenit evident că trebuie să existe o forță foarte puternică dacă ar putea deflecta particulele alfa masive și rapide. El a realizat că modelul de budincă cu stafide nu poate fi corect și că devierile particulelor alfa nu pot fi explicate decât dacă încărcăturile pozitive și negative au fost separate una de alta și masa atomului a fost un punct concentrat de încărcare pozitivă. Aceasta a justificat ideea unui atom nuclear cu un centru dens de încărcare și masă pozitivă.

Etimologie

Termenul nucleu este din cuvântul latin nucleus, un diminutiv al nux („miez”, ”nucă”), adică nucleu (adică „nucă mică”) în interiorul unui tip de fruct apos (ca o piersică). În 1844, Michael Faraday a folosit termenul pentru a se referi la „punctul central al unui atom”. Sensul modern atomic a fost propus de Ernest Rutherford în 1912. Adoptarea termenului „nucleu” pentru teoria atomică, cu toate acestea, nu a fost imediată. În 1916, de exemplu, Gilbert N. Lewis a declarat, în celebrul său articol Atom și moleculă, că „atomul este compus din nucleu și un atom sau înveliș exterior”

Structura nucleară
Atomi
Source: Yzmo, https://en.wikipedia.org/wiki/File:Helium_atom_QM.svg, CC Attribution-Share Alike 3.0 Unported license

(O reprezentare figurativă a atomului de heliu-4 cu norul de electroni în nuanțe de gri. În nucleu, cei doi protoni și cei doi neutroni sunt reprezentați în roșu și albastru Această reprezentare arată particulele ca fiind separate, în timp ce într-un atom de heliu real, protonii sunt suprapuși în spațiu și cel mai probabil aflați chiar în centrul nucleului, și același lucru este valabil și pentru cei doi neutroni, astfel că toate cele patru particule sunt cel mai probabil aflate în exact același spațiu, în punctul central. Imaginile particulelor separate nu reușesc să modeleze distribuțiile de încărcări cunoscute în nucleele foarte mici. O imagine mai precisă este că distribuția spațială a nucleonilor într-un nucleu de heliu este mult mai aproape de norul electron de heliu prezentat aici, deși pe o scară mult mai mică decât imaginea nucleului imaginat.)

Nucleul unui atom constă din neutroni și protoni care, la rândul lor, sunt manifestarea unor particule mai elementare, denumite cuarci, care sunt unite de forța puternică nucleară în anumite combinații stabile de hadroni numiți barioni. Forța puternică nucleară se extinde suficient de departe de fiecare barion, astfel încât să lege neutronii și protonii împreună împotriva forței electrice repulsive între protonii încărcați pozitiv. Forța puternică nucleară are o distanță foarte scurtă și, în esență, scade la zero imediat dincolo de marginea nucleului. Acțiunea colectivă a nucleului încărcat pozitiv este menținerea electronilor încărcați electric negativ în orbitele lor în jurul nucleului. Electronii încărcați negativ care orbitează în jurul nucleului prezintă o afinitate pentru anumite configurații și numere de electroni care determină stabilitatea orbitelor lor. Ce element chimic reprezintă un atom este determinat de numărul de protoni din nucleu; atomul neutru va avea un număr egal de electroni care orbitează nucleul respectiv. Elementele chimice individuale pot crea configurații electronice mai stabile prin combinarea lor pentru partajarea electronilor lor. Este această punere în comun a electronilor pentru a crea orbite electronice stabile în jurul nucleului ceea ce vedem noi a fi chimia lumii noastre macro.

Protonii definesc întreaga sarcină a unui nucleu și, prin urmare, identitatea sa chimică. Neutronii sunt neutri din punct de vedere electric, dar contribuie la masa unui nucleu aproape la fel ca protonii. Neutronii pot explica fenomenul izotopilor (același număr atomic cu masa atomică diferită.) Rolul principal al neutronilor este acela de a reduce repulsia electrostatică în interiorul nucleului.

Compoziție și formă

Protonii și neutronii sunt fermioni, cu valori diferite ale numărului cuantic de izospin puternic, astfel încât doi protoni și doi neutroni pot împărți aceeași funcție de undă spațială, deoarece nu sunt entități cuantice identice. Ei sunt priviți uneori ca două stări cuantice diferite ale aceleiași particule, nucleonul. Doi fermioni, precum doi protoni, sau doi neutroni, sau un neutron + un proton (deuteronul), pot prezenta comportament bosonic atunci când devin liberi legate în perechi, care au spin întreg.

În cazul rar a unui hipernucleu, un al treilea barion numit hiperon, conținând unul sau mai mulți cuarci stranii și/sau alți cuarci neobișnuiți, poate de asemenea să partajeze funcția de undă. Totuși, acest tip de nucleu este extrem de instabil și nu se găsește pe Pământ, cu excepția cazului experimentelor fizice de mare energie.

Neutronul are un miez încărcat pozitiv cu o rază ≈ 0,3 fm, înconjurat de o sarcină negativă compensatoare de rază între 0,3 fm și 2 fm. Protonul are o distribuție a încărcăturii pozitive care se diminuează exponențial, cu o rază medie pătrată de aproximativ 0,8 fm.

Nucleii pot fi sferici, în formă de mingi de rugby (deformare alungită), în formă de disc (deformare oblică), triaxial (o combinație de deformare oblică și alungită) sau în formă de pară.

Forțe

Nucleii sunt legați împreună de forța reziduală puternică (forța nucleară). Forța reziduală puternică este un reziduu minor al interacțiunii puternice care leagă cuarcii împreună pentru a forma protoni și neutroni. Această forță este mult mai slabă între neutroni și protoni, deoarece este în mare parte neutralizată în ele, în același fel în care forțele electromagnetice dintre atomii neutri (cum ar fi forțele van der Waals care acționează între doi atomi de gaz inert) sunt mult mai slabe decât forțele electromagnetice care țin împreună părțile atomilor interne (de exemplu, forțele care țin electronii într-un atom de gaz inert legat de nucleul său).

Forța nucleară este foarte puternică atractiv la distanța de separare tipică a nucleonilor, iar aceasta se suprapune peste repulsia dintre protoni datorită forței electromagnetice, permițând astfel existența nucleilor. Cu toate acestea, forța reziduală puternică are un domeniu limitat deoarece scade rapid cu distanța (a se vedea potențialul Yukawa); astfel încât numai nucleele mai mici de o anumită dimensiune pot fi complet stabile. Cel mai mare nucleu cunoscută complet stabilă (adică stabil la dezintegrările alfa, beta și gama) este plumb-208 care conține un total de 208 nucleoni (126 neutroni și 82 protoni). Nucleele mai mari decât acest maxim sunt instabile și tind să aibă o viață din ce în ce mai scurtă, cu cât este mai mare numărul de nucleoni. Cu toate acestea, bismutul-209 este, de asemenea, stabil pentru dezintegrarea beta și are cel mai lung timp de înjumătățire pentru dezintegrarea alfa față de orice alt izotop cunoscut, estimat la de un miliard de ori mai mare decât vârsta universului.

Forța reziduală puternică este eficientă într-un interval foarte scurt (de obicei doar câțiva femtometri (fm), aproximativ unul sau două diametre nucleonice) și cauzează o atracție între orice pereche de nucleoni. De exemplu, între protoni și neutroni se formează deuteronul [NP] și, de asemenea, între protoni și protoni și neutroni și neutroni.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *