Nucleul atomic

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
O imagine artistică relativ precisă a nucleului de heliu cu protoni roșii și neutroni albastri. În realitate, nucleul are o simetrie sferică.

În fizică, termenul de nucleu atomic se referă, în general, la partea centrală și densă a unui atom , formată din protoni care au o sarcină pozitivă și neutroni care nu au sarcină, numiți colectiv nucleoni . Este subiectul studiului fizicii nucleare .

Descriere

Orbital atomic în jurul nucleului

Nucleul este caracterizat de mai mulți parametri dintre care cei mai importanți sunt numărul de masă A, care reprezintă numărul total de nucleoni prezenți, numărul atomic Z care este numărul de protoni și numărul de neutroni N care reprezintă numărul de neutroni. Relația este valabilă: A = Z + N. Alți parametri importanți sunt rotirea totală, paritatea , rotirea izotopică și, în cazul nucleelor radioactive , timpul de înjumătățire .

În ciuda prezenței protonilor încărcați pozitiv, care apoi se resping reciproc, nucleul este ținut împreună de interacțiunea nucleară puternică care atrage toate particulele compuse din quark , cum ar fi nucleonii. Această forță acționează între nucleoni într-un mod relativ asemănător cu forța van der Waals dintre molecule : pare similară cu reziduul exterior al forței care atrage quarcii în interiorul unui nucleon. Cu toate acestea, această forță nu reușește întotdeauna să mențină nucleul stabil, dând naștere la fenomene precum decăderea alfa , beta , gamma și, în unele cazuri, fisiunea nucleară sau alte forme mai exotice de dezintegrare radioactivă.

Din punct de vedere istoric, primele dovezi experimentale ale existenței nucleului care conține toată încărcătura pozitivă a atomilor au fost observate în urma unui experiment efectuat la Manchester de către fizicianul din Noua Zeelandă Ernest Rutherford . El, comentând formidabila sa descoperire, a scris:

„E ca și cum s-ar întoarce o împușcătură de tun la o foaie de hârtie.

Proprietățile nucleelor ​​sunt studiate de fizica nucleară , care în secolul al XX-lea a găsit zeci de aplicații în cele mai dispar domenii științifice: tehnici precum rezonanța magnetică nucleară exploatează rotirea totală a nucleelor ​​pentru a obține imagini extrem de detaliate ale țesuturilor umane, carbon 14 sau datarea cu potasiu ne permite să datăm descoperiri istorice cu mare precizie prin timpul de înjumătățire a nucleelor ​​radioactive conținute în eșantionul datat, fisiunea nucleară a permis construirea centralelor termonucleare și unii optimisti prezic că sora sa, nucleara de fuziune putere , va deveni sursa primară de energie a umanității în viitorul apropiat. Alte aplicații au fost găsite și în alte domenii, cum ar fi agricultura și sterilizarea / depozitarea alimentelor.

Raza miezului

O metodă clasică de calcul al razei R a unui nucleu folosește forța Coulomb :

care este egală cu energia de suprafață :

unde γ este tensiunea superficială .

Prin echivalarea primelor două ecuații , obținem pentru rază valoarea:

Empiric, pentru un nucleu cu numărul de masă A , avem:

unde R 0 este de aproximativ 1,2 fotografii . Adică, raza este proporțională cu rădăcina cubică a numărului de masă.
Această formulă obținută experimental arată cum dimensiunea nucleului depinde exclusiv de numărul de nucleoni: de fapt, acestea sunt distribuite în spațiu într-un mod aproximativ uniform, cu excepția zonei celei mai exterioare în care nucleonii tind să se subțire ușor.

Măsurarea dimensiunii nucleului atomic se efectuează în centre de cercetare în fizică nucleară și universități folosind multiple tehnici; ceea ce ne-a permis să studiem aproape toți nucleii stabili, cu rezultate excelente în ultimii ani, a fost împrăștierea electronilor : electronii accelerați la energii mari sunt făcute să se ciocnească cu nucleul atomic. O măsurare precisă a tiparului cu care se aranjează electronii după coliziune permite obținerea unei evaluări foarte precise a mărimii obstacolului care le-a difractat , adică nucleul.
Cel mai mare dezavantaj al acestei tehnici constă în faptul că, folosind reacțiile electromagnetice dintre electroni și nucleu, permite măsurarea distribuției spațiale a particulelor încărcate, adică numai a protonilor, în timp ce neutronii sunt complet ignorați. Alte tehnici includ împrăștierea particulelor alfa , schimbarea nivelurilor de energie ale electronilor de valență , schimbarea nivelurilor de energie ale atomului de muon .

Masa miezului

Masa conținută în nucleu corespunde aproape totalității masei atomice. Gândiți-vă doar că un atom stabil conține aproximativ același număr de electroni ca protoni și neutroni, dar fiecare nucleon cântărește de 1836 de ori mai mult decât un electron.

Masa unui nucleu este dată de suma masei fiecărui nucleon minus energia de legare , adică energia necesară pentru a restabili nucleonii care alcătuiesc nucleul la starea lor liberă. Pentru a da un exemplu: imaginați-vă o serie de protoni și neutroni în repaus liberi în spațiu , masa lor totală va fi echivalentă cu suma totală a maselor sistemului și energia totală a sistemului va fi dată doar de masă așa cum s-a prezis prin relativitate . Acum să ne imaginăm aceiași nucleoni legați în interiorul unui nucleu: pentru a readuce sistemul în situația anterioară va fi necesar să depășim forța puternică care îi ține împreună prin aplicarea unei forțe capabile să împartă nucleul sau să introducă energie. Aceasta înseamnă că starea legată a nucleului este mai puțin energică decât starea liberă și, deoarece nucleul este în repaus și energia corespunde masei așa cum s-a menționat mai sus, rezultă că masa totală a primei stări este mai mică decât cea a al doilea. Analitic, masa nucleară este calculată folosind formula:

unde B reprezintă energia de legare.

Prin urmare, energia de legare joacă un rol fundamental în nucleu: este generată de saturația câmpurilor generate de forța puternică care tinde să unească nucleonii și de forța electromagnetică care respinge protonii. Este responsabil pentru stabilitatea nucleelor ​​și, prin urmare, și pentru instabilitatea lor: un nucleu instabil (cu, de exemplu, prea mulți neutroni sau protoni) va tinde să se descompună radioactiv prin decăderi alfa sau beta pentru a ajunge la o stare stabilă. Datorită acestuia suntem capabili să extragem energia nucleară : procesele de fisiune nucleară și fuziune nu sunt altceva decât procese în care energia totală de legare după reacție este mai mare decât cea inițială, adică nucleele sunt mai strâns legate și de aceea masa totală este mai mică.

Modele nucleare

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Modele nucleare .

La nivel teoretic, fizica nucleară prezintă dificultăți considerabile și până în prezent nu există o bună teorie nucleară exhaustivă. Cu toate acestea, există mai multe modele care explică doar unele caracteristici ale nucleelor. [1]

Model de picătură lichidă

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Model de picătură lichidă .

Modelul picăturii nucleare a fost ipotezat în 1939 de Niels Bohr și John Archibald Wheeler pentru a explica pierderea de masă în timpul fisiunii nucleare ( defect de masă ). Când nucleul este lovit de un neutron, această particulă este absorbită de nucleul însuși și acest lucru provoacă un exces de energie care determină o mișcare oscilatorie (ca o picătură de lichid care a absorbit energia mecanică ). Prin urmare, mișcarea oscilatorie determină o prelungire a nucleului până când acesta se descompune (fisiune nucleară).

Modelul Shell

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Modelul de coajă nucleară .

Modelul învelișului (învelișului sau straturilor, numite și auto-particule) sunt nucleonii ca obiecte cuantice, care se mișcă în stări cuantice (sau învelișuri de energie) bine definite și separate unele de altele, similar cu ceea ce se întâmplă pentru electronii din jurul nucleului . Mai mult, ei respectă principiul de excludere Pauli , adică doi nucleoni nu pot ocupa aceeași stare cuantică în același timp.

Acest model explică bine faptul că dacă numărul de neutroni sau protoni prezenți în nucleu este egal cu „ numerele magice ” (2, 8, 20, 28, 50, 82 și 126) nucleii sunt deosebit de stabili, sunt puternic legați și sunt deosebit de abundente; dimpotrivă, nucleii cu unul sau doi protoni și / sau neutroni suplimentari sunt slab legați.

Model colectiv

Chiar și modelul shell nu este pe deplin satisfăcător, deoarece explică doar o parte din fenomenele nucleare. Modelul colectiv integrează modelul drop cu modelul shell, presupunând că nucleonii care depășesc numărul magic ocupă stări cuantificate în potențialul bine generat de shell-ul interior. În acest fel, ei interacționează cu el, deformându-l și provocând oscilații, similare cu cele prezise de modelul drop.

Prin urmare, această unificare reconciliază cele două modele și reușește să explice fenomene ulterioare, care se bucură în prezent de un anumit succes.Din această integrare se naște modelul colectiv, care însă lasă încă multe probleme nerezolvate cu privire la natura nucleului.

Notă

  1. ^ 37 de modele diferite sunt citate în carte: ND Cook, Models of the Atomic Nucleus , Springer, 2006, p. 56, ISBN 3-540-28569-5 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 12209 · GND (DE) 4068924-4 · NDL (EN, JA) 00.562.376
Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica