Jądro atomowe

Izotopy

Natury sił jądrowych jeszcze nie poznaliśmy do
końca, dlatego posługujemy się modelami
jądrowymi, które są uproszczonymi koncepcjami
budowy jąder.

Konkretny model jądrowy powinien prawidłowo
(lub choćby tylko w przybliżeniu) prawidłowo w
określonym zakresie znany zespół faktów
doświadczalnych i przewidywać nowe fakty, które
dotychczas nie były obserwowane.

Dobry model nie powinien prowadzić do rażących
sprzeczności z jakimikolwiek obserwacjami z
danej dziedziny.

Podstawę modelu jądrowego stanowią zawsze
jakieś założenia upraszczające, wskutek czego
każdy taki model ma tylko ograniczone
zastosowanie.

Model gazu Fermiego



Model ten zwany jest też modelem

statystycznym.



Polega on na założeniu, że w jądrze istnieją

protony i neutrony, między parami których

działają siły przyciągające.



Nukleonom tym odpowiadają fale płaskie de

Broglie'a utworzone wewnątrz sześcianu o

objętości jądra. Model ten bywa niekiedy

stosowany do opisu jąder ciężkich

bombardowanych cząstkami o wysokiej energii.

Model kroplowy



Opierał się on na kilku założeniach. Materia

tworząca jądro atomowe jest nieściśliwa, a

wszystkie jądra atomowe mają taką samą

gęstość.



W jądrze istnieją dwie siły: elektrostatyczna

odpychania i omówiona powyżej jądrowa.



Nukleony oddziaływają siłami jądrowymi jedynie

z najbliższymi sąsiadami.



Jeżeli każdy nukleon byłby otoczony ze

wszystkich stron innymi nukleonami, to

całkowita energia związana z siłami jądrowymi

byłaby proporcjonalna do liczby nukleonów.

Energia ta zwana jest często energią

objętościową.

Model powłokowy

Podstawowym założeniem tego modelu jest
istnienie w jądrze powłok, na których
rozmieszczone są nukleony (podobnie jak elektrony
w atomie).

Na pierwszej powłoce może znajdować się do
dwóch protonów i dwóch neutronów, na drugiej do
sześciu neutronów i tyluż protonów, na trzeciej do
dwunastu neutronów i protonów itd.

Jeżeli dane jądro ma całkowicie wypełnioną
zewnętrzną powłokę jest szczególnie trwałe (na
podobieństwo gazów szlachetnych).

Model oddziałujących
bozonów



Model oddziałujących bozonów uwzględnia własności

siły jądrowej polegającej na kojarzeniu nukleonów w

pary.



Łącząc w sobie model powłokowy i model kroplowy,

traktuje on ciężkie jądro parzysto-parzyste jako zbiór

nukleonowych par na zewnątrz zamkniętej powłoki.



Opisuje się ruch nukleonów jako pary. Kiedy dwa

nukleony tworzą parę, to przypominają bozon, ale

możliwe są różne typy par.

Model kolektywny



Model kolektywny jest modelom,
w którym podstawową role gra
założenie o pewnych
kolektywnych ruchach zespołów
nukleonów należących do
zamkniętych powłok jądrowych.

Co trzyma protony razem w malutkim
jądrze?



Jak to się dzieje, że jądro atomowe nie

rozpada się pod działaniem

elektrostatycznych sił odpychających

istniejących między protonami?



Naukowcy, aby wytłumaczyć ten fakt,

musieli założyć nowy rodzaj

oddziaływania, który miał istnieć

pomiędzy nukleonami w jądrze, a nie

występował w makroświecie.



Siły te zostały nazwane siłami jądrowymi.

Siły jądrowe



Inaczej oddziaływania silne, działające pomiędzy

nukleonami i odpowiedzialne za trwałość jądra



Oddziaływania silniejsze niż odpychanie pomiędzy

protonami w jądrze,



10

11

razy większe niż siły działające na elektrony

poruszające się wokół jadra



Różnią się one znacznie od sił znanych ze zjawisk

makroskopowych (sił elektrostatycznych i

grawitacyjnych). Ich wartość jest ogromna w porównaniu

z innymi rodzajami oddziaływań (137 razy większa od sił

elektrostatycznych i ponad 1040 większa od sił

grawitacyjnych).



Natomiast zasięg oddziaływań sił jądrowych (nazywanych

oddziaływaniami silnymi) wynosi zaledwie około 10-15

metra.

Siły jądrowe



Aby wydostać z jądra atomowego jeden

nukleon, potrzebna jest

siła porównywalna z

podniesieniem z podłogi

walizki o masie 100kg



Dla porównania:

w przypadku elektronu:



siła potrzeba do jego uwolnienia jest

porównywalna do uniesienia ciała o

masie 1 µg!

Trwałość jądra atomowego



W trwałych jądrach siły elektrostatycznego

odpychania miedzy protonami są słabsze niż

siły jądrowe przyciągania pomiędzy nukleonami



Ze wzrostem liczby protonów wjadrze maleje

jego trwałość



Do utrzymania jądra potrzebna jest przewaga

liczebna neutronów nad protonami



Graniczna wartość liczby atomowej z>82 –

nietrwałe jądra

W

1912 roku J.J. Thomson

, podczas badań

promieniowania katodowego (promienie
wysyłane przez katodę) w polu
elektrycznym i magnetycznym, stwierdził
występowanie

dwóch rodzajów neonu

(Z =

10), jednego o masie około 20 razy, a
drugiego około 22 razy większej od
protonu.

Nazwano je izotopami, od greckich słów

isos

- taki sam i

tops

- miejsce (w układzie

okresowym).

Izotopy

Izotopy



Odmiany tego
samego
pierwiastka
składające się z
atomów różniących
się liczbą
neutronów w
jądrze.

Izoto

p

Rozpowszech-

nienie

w

przyrodzie

Okres

półtrwa

nia

Typ

rozpadu

1

H

99,9985%

_____

_____

2

H

0,015%

_____

_____

3

H

śladowe ilości

12,26 lat

ß

-

Jądra izotopów wodoru –

hydrony

– stanowią

często spotykane substraty i produkty przemian
jądrowych – otrzymały własne nazwy:

proton,

deuteron, tryton

.



Izotopy maja takie same
własciwości chemiczne



Różnią się nieznacznie
własciwościami fizycznymi

Masa izotopowa



Każdy izotop ma inną masę atomową
zwaną

masą izotopową



Wartość masy izotopowej jest bliska
wartości liczby masowej danego
izotopu

dla U-235 wynosi 235u

Defekt masy

Różnica pomiędzy masą jądra

tomowego obliczoną przez sumowanie
mas izolowanych nukleonów a masą
jądra wyznaczoną eksperymentalnie

Oznacza, że nukleony w jądrze są

nieznacznie lżejsze niż w stanie
wolnym!

Masa atomowa pierwiastka



Jest średnią ważoną (uwzględniającą
procentowy udział izotopów w
przyrodzie) z mas naturalnych
izotopów

A

r

= (A

1

·p

1

+ A

2

·p

2

+ …)/100%

zawartość Cu-63: 69%; Cu-65: 31%

A

r

= (63u ·69% + 65u ·31% )/100%

A

r

= 63,6u