Kas yra atomo branduolys? Struktūra, dydis ir stiprioji branduolinė jėga

Atomo branduolį sudaro protonai ir neutronai (dviejų tipų barionai), sujungti branduoline jėga. Šiuos barionus taip pat sudaro subatominės fundamentaliosios dalelės, vadinamos kvarkais, kuriuos jungia stiprioji sąveika. Branduolys yra daugiau ar mažiau sferoido formos ir gali būti šiek tiek platėjantis (pailgas) arba platėjantis (plokščias) arba kitaip ne visai apvalus.

Izotopai ir nuklidai

Atomo izotopas priklauso nuo neutronų skaičiaus branduolyje. Skirtingi to paties elemento izotopai pasižymi labai panašiomis cheminėmis savybėmis. Skirtingus izotopus cheminės medžiagos mėginyje galima atskirti naudojant centrifugą arba masių spektrometrą. Pirmasis metodas naudojamas gaminant sodrintą uraną iš įprasto urano, o antrasis - datuojant anglimi.

Protonų ir neutronų skaičius kartu lemia nuklidą (branduolio tipą). Protonų ir neutronų masė yra beveik vienoda, o jų bendras skaičius, masės skaičius, yra maždaug lygus atomo masei. Bendra elektronų masė yra labai maža, palyginti su branduolio mase; protonai ir neutronai sveria apie 2000 kartų daugiau nei elektronai.

J. J. Thomsono atrastas elektronas buvo pirmasis ženklas, kad atomas turi vidinę struktūrą. XX a. pradžioje visuotinai pripažintas atomo modelis buvo J. J. Thomsono "slyvų pudingo" modelis, pagal kurį atomas buvo didelis teigiamą krūvį turintis rutulys su mažais neigiamą krūvį turinčiais elektronais. Iki šio amžiaus pradžios fizikai taip pat atrado trijų rūšių atomų skleidžiamą spinduliuotę, kurią pavadino alfa, beta ir gama spinduliuote. 1911 m. Lizė Meitner (Lise Meitner) ir Otas Hanas (Otto Hahn), o 1914 m. Džeimsas Čadvikas (James Chadwick) atliko eksperimentus, kurių metu nustatė, kad beta skilimo spektras yra ne diskretus, o ištisinis. Tai reiškia, kad iš atomo buvo išmetami įvairios energijos elektronai, o ne diskretinės energijos, kurios buvo stebimos gama ir alfa skilimo metu. Tuo metu branduolinei fizikai tai buvo problema, nes tai rodė, kad šiuose skilimuose energija nesikaupia. Vėliau dėl šios problemos buvo atrastas neutrinas (žr. toliau).

1906 m. Ernestas Rutherfordas paskelbė straipsnį "Radžio α dalelių spinduliavimas, pereinant per medžiagą". Geigeris šį darbą išplėtė Karališkajai draugijai skirtame pranešime, pateikdamas savo ir Rutherfordo eksperimentus, kuriuos jis atliko praleisdamas α daleles per orą, aliuminio foliją ir aukso foliją. 1909 m. Geigeris ir Marsdenas paskelbė daugiau darbų, o 1910 m. Geigeris paskelbė dar vieną gerokai išplėstą darbą. 1911-2 m. Rutherfordas kreipėsi į Karališkąją draugiją, kad paaiškintų eksperimentus ir pateiktų naująją atomo branduolio teoriją, kaip mes ją suprantame dabar.

Maždaug tuo pačiu metu (1909 m.) Ernestas Rutherfordas atliko nepaprastą eksperimentą, kurio metu Hansas Geigeris ir Ernestas Marsdenas, jam vadovaujant, paleido alfa daleles (helio branduolius) į ploną aukso folijos plėvelę. Pagal slyvų pudingo modelį prognozuota, kad alfa dalelės turėtų išeiti iš folijos, o jų trajektorijos turėtų būti ne daugiau kaip šiek tiek sulenktos. Jis buvo šokiruotas, kai aptiko, kad kelios dalelės buvo išsklaidytos dideliais kampais, o kai kuriais atvejais net visiškai atgal. Šis atradimas, prasidėjęs 1911 m. Rutherfordui išanalizavus duomenis, galiausiai lėmė Rutherfordo atomo modelį, pagal kurį atomas turi labai mažą, labai tankų branduolį, sudarytą iš sunkių teigiamai įkrautų dalelių su įterptais elektronais, kad būtų subalansuotas krūvis. Pavyzdžiui, šiame modelyje azotą-14 sudarė branduolys su 14 protonų ir 7 elektronais, o branduolį supo dar 7 aplink jį skriejantys elektronai.

Rutherfordo modelis veikė gana gerai, kol 1929 m. Kalifornijostechnologijos institute Franco Rasetti atliko branduolinio sukinio tyrimus. Iki 1925 m. buvo žinoma, kad protonų ir elektronų sukinys yra 1/2, todėl pagal Rutherfordo azoto-14 modelį 14 protonų ir šeši elektronai turėjo suporuotis, kad panaikintų vienas kito sukinį, ir paskutinis elektronas turėjo palikti branduolį su 1/2 sukiniu. Tačiau Rasetti nustatė, kad azoto-14 sukinys yra lygus vienetui.

1930 m. Wolfgangas Pauli negalėjo dalyvauti Tiubingene vykusiame susitikime ir vietoj to nusiuntė garsųjį laišką su klasikine įžanga "Gerbiamos radioaktyvios ponios ir ponai". Laiške Pauli išsakė mintį, kad branduolyje galbūt yra trečioji dalelė, kurią jis pavadino neutronu. Jis teigė, kad ji yra labai lengva (lengvesnė už elektroną), neturi krūvio ir nelengvai sąveikauja su materija (todėl dar nebuvo aptikta). Ši desperatiška išeitis išsprendė ir energijos išsaugojimo problemą, ir azoto-14 sukinio problemą, nes Pauli "neutronas" išnešdavo papildomą energiją, o antrasis - papildomas "neutronas" susijungė su azoto-14 branduolio elektronu, suteikdamas jam pirmąjį sukinį. 1931 m. Enrikas Fermis (Enrico Fermi) Paulio "neutroną" pervadino neutrinu (itališkai - mažas neutralus), o maždaug po trisdešimties metų pagaliau buvo įrodyta, kad neutrinas iš tikrųjų sklinda beta skilimo metu.

1932 m. Čadvikas suprato, kad Waltherio Bothe's, Herberto L. Beckerio, Irène'o ir Frédérico Joliot-Curie pastebėtą spinduliavimą iš tikrųjų sukelia masyvi dalelė, kurią jis pavadino neutronu. Tais pačiais metais Dmitrijus Ivanenka iškėlė mintį, kad neutronai iš tikrųjų yra 1/2 sukinio dalelės ir kad branduolyje yra neutronai, o elektronų jame nėra, o Fransis Perrinas (Francis Perrin) iškėlė mintį, kad neutrinai nėra branduolinės dalelės, o susidaro beta skilimo metu. Metų pabaigoje Fermis pateikė "Nature" neutrinų teoriją (kurią redakcija atmetė, nes ji "per daug nutolusi nuo tikrovės"). Fermis toliau tobulino savo teoriją ir 1934 m. paskelbė straipsnį, kuriame neutrinai buvo teoriškai pagrįsti. Tais pačiais metais Hideki Yukawa pasiūlė pirmąją svarbią stipriosios jėgos teoriją, paaiškinančią, kaip branduolys laikosi kartu.

Fermi ir Jukavos darbai užbaigė šiuolaikinį atomo modelį. Atomo centre yra glaudus neutronų ir protonų kamuolys, kurį laiko stiprioji branduolinė jėga. Nestabilūs branduoliai gali patirti alfa skilimą, kurio metu išsiskiria energingas helio branduolys, arba beta skilimą, kurio metu išmetamas elektronas (arba pozitronas). Po vieno iš šių skilimų susidaręs branduolys gali likti sužadintoje būsenoje, ir tokiu atveju jis skyla į pagrindinę būseną išspinduliuodamas didelės energijos fotonus (gama skilimas).

Tyrinėdami stipriąsias ir silpnąsias branduolines jėgas, fizikai pradėjo susidurti vis didesnės energijos branduoliams ir elektronams. Šie tyrimai tapo dalelių fizikos mokslu, iš kurių svarbiausias yra standartinis dalelių fizikos modelis, vienijantis stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę jėgas.

Branduolį gali sudaryti šimtai nukleonų, o tai reiškia, kad su tam tikru priartinimu jį galima laikyti klasikine, o ne kvantine-mechanine sistema. Gautame skysčio ir lašo modelyje branduolys turi energiją, kuri iš dalies atsiranda dėl paviršiaus įtempimo ir iš dalies dėl elektrinio protonų atstūmimo. Skysčio ir lašo modeliu galima atkurti daugelį branduolių savybių, įskaitant bendrąją surišimo energijos priklausomybės nuo masės skaičiaus tendenciją, taip pat branduolių skilimo reiškinį.

Tačiau šį klasikinį vaizdą papildo kvantiniai-mechaniniai efektai, kuriuos galima aprašyti naudojant branduolio apvalkalo modelį, kurį iš esmės sukūrė Maria Goeppert-Mayer. Branduoliai, turintys tam tikrą neutronų ir protonų skaičių (magiški skaičiai 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...), yra ypač stabilūs, nes jų apvalkalai yra užpildyti.

Dauguma dabartinių branduolinės fizikos tyrimų susiję su branduolių tyrimais ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, esant dideliam sukiniui ir sužadinimo energijai. Branduoliai taip pat gali būti ekstremalių formų (panašūs į amerikietiškus futbolo kamuolius) arba neutronų ir protonų santykio. Eksperimentatoriai gali sukurti tokius branduolius naudodami dirbtinai sukeltas sintezės arba nukleonų pernašos reakcijas, naudodami jonų pluoštus iš greitintuvo. Dar didesnių energijų spinduliais galima sukurti branduolius labai aukštoje temperatūroje, ir yra požymių, kad šie eksperimentai leido pereiti iš įprastos branduolinės medžiagos į naują būseną - kvarkų ir gliuonų plazmą, kurioje kvarkai susimaišo tarpusavyje, o ne yra atskirti tripletais, kaip neutronuose ir protonuose.

Branduolinis skilimas

Jei branduolys turi per mažai arba per daug neutronų, jis gali būti nestabilus ir po tam tikro laiko suirti. Pavyzdžiui, azoto-16 atomai (7 protonai, 9 neutronai) per kelias sekundes nuo sukūrimo beta suskyla į deguonies-16 atomus (8 protonai, 8 neutronai). Šio skilimo metu azoto branduolyje esantis neutronas dėl silpnosios branduolinės jėgos virsta protonu ir elektronu. Pasikeičia atomo elementas, nes, nors anksčiau jis turėjo septynis protonus (todėl buvo azotas), dabar turi aštuonis (todėl tapo deguonimi). Daugelis elementų turi kelis izotopus, kurie yra stabilūs savaites, metus ar net milijardus metų.

Branduolinė sintezė

Kai du lengvi branduoliai labai glaudžiai liečiasi vienas su kitu, stiprioji jėga gali juos sujungti. Kad branduoliai susiliestų pakankamai arti vienas kito ir stiprioji jėga galėtų daryti poveikį, reikia daug energijos, todėl branduolių sintezės procesas gali vykti tik esant labai aukštai temperatūrai arba dideliam tankiui. Kai branduoliai pakankamai priartėja vienas prie kito, stiprioji jėga įveikia jų elektromagnetinį atstūmimą ir suspaudžia juos į naują branduolį. Lengviesiems branduoliams susijungiant išsiskiria labai daug energijos, nes vieno nukleono surišimo energija didėja su masės skaičiumi iki nikelio-62. Žvaigždės, tokios kaip mūsų Saulė, yra varomos keturių protonų sintezės į helio branduolį, dviejų pozitronų ir dviejų neutrinų. Nekontroliuojama vandenilio sintezė į helį vadinama termobranduoliniu pabėgimu. Šiuo metu įvairios mokslinių tyrimų įstaigos (žr. JET ir ITER) atlieka tyrimus, siekdamos rasti ekonomiškai perspektyvų metodą, kaip panaudoti energiją iš kontroliuojamos branduolių sintezės reakcijos.

Branduolių dalijimasis

Sunkesnių nei nikelio-62 branduolių branduolių vieno nukleono surišimo energija mažėja didėjant masės skaičiui. Todėl sunkaus branduolio skilimas į du lengvesnius branduolius gali sukelti energijos išsiskyrimą. Toks atomų skilimas vadinamas branduolių dalijimusi.

Alfa skilimo procesą galima laikyti ypatinga savaiminio branduolių dalijimosi rūšimi. Šio proceso metu vyksta labai asimetriškas skilimas, nes keturios dalelės, sudarančios alfa dalelę, yra ypač glaudžiai susijungusios viena su kita, todėl šio branduolio susidarymas skilimo metu yra ypač tikėtinas.

Kai kurių sunkiausių branduolių, kurie dalydamiesi išskiria neutronus ir kurie taip pat lengvai absorbuoja neutronus, kad inicijuotų dalijimąsi, atveju galima gauti savaiminio užsidegimo tipo neutronų inicijuotą dalijimąsi, vadinamąją grandininę reakciją. [Grandininės reakcijos chemijoje buvo žinomos anksčiau nei fizikoje, ir iš tikrųjų daugelis žinomų procesų, pavyzdžiui, gaisrai ir cheminiai sprogimai, yra cheminės grandininės reakcijos]. Skilimo arba "branduolinė" grandininė reakcija, kurioje naudojami skilimo sukelti neutronai, yra branduolinių elektrinių ir skilimo tipo branduolinių bombų, pavyzdžiui, dviejų, kurias Jungtinės Valstijos panaudojo prieš Hirosimą ir Nagasakį Antrojo pasaulinio karo pabaigoje, energijos šaltinis. Sunkieji branduoliai, tokie kaip uranas ir toris, gali dalytis savaime, tačiau daug dažniau jie skyla alfa skilimo būdu.

Kad įvyktų neutronų inicijuota grandininė reakcija, tam tikroje erdvėje tam tikromis sąlygomis turi būti kritinė elemento masė (šios sąlygos sulėtina ir išsaugo neutronus reakcijoms). Yra žinomas vienas natūralaus branduolių dalijimosi reaktoriaus pavyzdys, kuris veikė dviejuose Oklo (Gabonas, Afrika) regionuose prieš daugiau kaip 1,5 mlrd. metų. Gamtinių neutrinų emisijos matavimai parodė, kad maždaug pusė šilumos, sklindančios iš Žemės branduolio, atsiranda dėl radioaktyvaus skilimo. Tačiau nežinoma, ar bent dalis šios energijos susidaro dėl grandininių skilimo reakcijų.

Sunkiųjų elementų gamyba

Po didžiojo sprogimo Visatai atvėsus, galiausiai atsirado galimybė egzistuoti mums žinomoms dalelėms. Dažniausios per didįjį sprogimą susidariusios dalelės, kurias galime lengvai stebėti ir šiandien, buvo protonai (vandenilis) ir elektronai (vienodas jų skaičius). Kai kurie sunkesni elementai susidarė protonams susidūrus tarpusavyje, tačiau dauguma šiandien matomų sunkiųjų elementų susidarė žvaigždžių viduje vykstant keletui sintezės etapų, pavyzdžiui, protonų-protonų grandinei, CNO ciklui ir trigubo alfa procesui. Žvaigždės evoliucijos metu susidaro vis sunkesni elementai.

Kadangi vieno nukleono surišimo energija pasiekia maksimumą ties geležies riba, energija išsiskiria tik per sintezės procesus, vykstančius žemiau šios ribos. Kadangi sunkesnių branduolių kūrimas branduolių sintezės būdu reikalauja energijos sąnaudų, gamta renkasi neutronų pagavimo procesą. Neutronus (dėl jų krūvio nebuvimo) branduolys lengvai sugeria. Sunkieji elementai susidaro vykstant lėtam neutronų sugavimo procesui (vadinamajam s procesui) arba greitam, arba r, procesui. s procesas vyksta termiškai pulsuojančiose žvaigždėse (vadinamose AGB, arba asimptotinėse milžiniškose žvaigždėse) ir trunka nuo šimtų iki tūkstančių metų, kol pasiekiami sunkiausi elementai - švinas ir bismutas. Manoma, kad r procesas vyksta supernovų sprogimuose, nes yra tokios sąlygos kaip aukšta temperatūra, didelis neutronų srautas ir išmesta medžiaga. Dėl šių žvaigždžių sąlygų vienas po kito vykstantys neutronų pagavimai yra labai greiti, juose dalyvauja labai daug neutronų turinčios rūšys, kurios vėliau beta skila į sunkesnius elementus, ypač vadinamuosiuose laukimo taškuose, atitinkančiuose stabilesnius nuklidus su uždarais neutronų apvalkalais (magiškaisiais skaičiais). R proceso trukmė paprastai yra kelios sekundės.