Budowa jadra atomowego, siły jądrowe, defekt masy. Każdy atom składa się z jądra i elektronów

przebywających w przestrzeni pozajądrowej. Jądro składa się z protonów i neutronów, tzw. nukleonów

(wyjątkiem jest izotop wodoru

1

1

w jądrze którego jest tylko proton). Liczbę protonów w jądrze podaje tzw.

liczba atomowa Z, natomiast liczbę nukleonów – tzw. liczba masowa A:

. Proton ma ładunek +1 i masę około

1 u. Neutron jest obojętny elektrycznie i ma masę również około 1 u. Elektron ma ładunek -1 i masę 0,00055 u.

Bardziej szczegółowo budową jądra zajmuje się fizyka. Jądro ma zawsze mniejszą masę, niż wynikałoby to z

sumowania mas składników tego jądra. Różnica pomiędzy sumą mas nukleonów tworzących jądro danego

atomu a rzeczywistą masą tego jądra to tzw. defekt masy. Różnica ta odniesiona do jednostki masy atomowej

stanowi tzw. względny defekt masy i jest miarą energii wiązania elementów składowych jądra. Nuklid jest to

zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej i tej samej liczbie masowej, np.

16

30

;

Izotopy – atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie masowej, np.

20

38

,

20

39

,

20

40

Izotony – atomy różnych pierwiastków o takiej samej liczbie neutronów, lecz różnej liczbie masowej,

np.

,

50

119

,

51

120

52

121

Izobary – atomy różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej, np.

23

53

,

25

53

,

26

53

,

Masa jądra atomowego: Rzeczywista masa jądra atomowego nie jest równa sumie mas jego składników. Do

wyznaczania rzeczywistych mas jądra atomowego służy spektrometr masowym=

Gęstość jądra atomowego: Gęstość każdego jądra atomowego jest taka sama,

;

, ! · #$

#% &'

!

Defekt masy. Ubytkiem masy (niedoborem) nazywamy różnicę między sumą mas składników, a rzeczywistą

masą jądra atomowego:

∆) *+ ·

,

- ./ 0 +1

2

3 0 ;A - liczba masowa; Z - liczba atomowa; 4

5

- masa

protonu;

4

- masa neutronu; Masę protonu i neutronu wyrażamy w atomowych jednostkach masy u:1u=1,66

·

10

678

9:

Podczas łączenia nukleonów w jądro (lub lżejszych jąder w cięższe) pewna część masy zamienia się na energię:

E

w

=

∆Mc

2

;Proces ten nazywamy syntezą termojądrową, a energia, na którą zamienia się część masy - energią

wiązania.

Siły jądrowe: Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty są

równoważone przez oddziaływanie silne między nukleonami. Oddziaływania silne działają jednak tylko na

bardzo krótkich dystansach, zbliżonych do rozmiarów samych jąder. Przy większych odległościach przeważają

siły odpychania elektrycznego; Ich właściwości:-krótki zasięg (rzędu femtometrów); -są siłami przyciągającymi,

dla bardzo małych odległości między nukleonami stają się siłami odpychającymi; -w przybliżeniu siły p-p, n-p i n-

n są równe; -występują tylko w jądrach atomowych, bo są krótkozasięgowe; -siła tych oddziaływań jest ok.

stokrotnie większa od sił elektrostatycznych; -wykazują niezależność od ładunku elektrycznego; -występują

tylko pomiędzy nukleonami; -mają charakter dwuciałowy, tzn. obecność innych nukleonów ma niewielki wpływ

na oddziaływanie pary nukleonów; -wykazują tzw. wysycenie: za pomocą sił jądrowych oddziałują na siebie

tylko najbliżej leżące nukleony

34.Promieniowanie jądrowe:emisja cząstek lub promieniowania elektromagnetycznego (promieniowanie

gamma) przez jądra atomów. Promieniowanie zachodzi podczas przemiany promieniotwórczej lub w wyniku

przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii. Rodzaj wysyłanego promieniowania oraz jego energia

zależy od rodzaju przemiany jądrowej. Do promieniowania jądrowego zalicza się m.in:

promieniowanie alfa

promieniowanie beta

promieniowanie gamma

Rozpady jądrowe:

-rozpad alfa: rozpad alfa polega na wysyłaniu przez atomy promieniotwórcze jąder helu. W rozpadzie tym jądro

traci dwa neutrony i dwa protony, dlatego w porównaniu z jądrem macierzystym jądro powstałe w wyniku

rozpadu ma liczbę masowa mniejszą o 4, a liczbę porządkową mniejszą o dwa. W wyniku promieniowania alfa

powstaje pierwiastek przesunięty w okresowym układzie pierwiastków o dwa miejsca w lewo względem

pierwiastka macierzystego. Rozpad alfa jest możliwy jeśli suma energii wiązania jądra otrzymanego po

rozpadzie i cząstki

; jest większa od energii wiązania jądra wyjściowego: znając

;

, wyzwoloną w procesie

rozpadu

;, możemy obliczyć E

m

cząstki

; i energię odrzutu jądra E

M

. Skorzystamy w tym celu z zasady

zachowania energii i zasady zachowania pędu:

;

E

m

+E

M

=

4<

α

2

2

-

4<

j

2

2

,

4<

?

<

@

; m, M- odpowiednio masa

cząstki

; i jądra powstającego po rozpadzie ; i jądra odrzutu. Z równań wynika, że stosunek E

m

cząsteczki

; do

energii E

M

odrzutu jądra jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku ich mas:

Em

E

M

M
m

; energia cząstki

; jest

równa:

4

;

M

m-M

; energia odrzutu:

E

M

;

m

m-M

-rozpad beta: podczas rozpadu

D

0

jeden z neutronów przekształca się w proton, a z jądra jest wysyłana cząstka

D

0

(elektron) i antyneutrino. W wyniku rozpadu

D

0

liczba masowa jądra macierzystego nie ulega zmianie, a

liczba atomowa wzrasta o jeden, czyli pierwiastek pochodny jest przesunięty w układzie w prawo o jedno

miejsce; oznacza to, że następuje przekształcenie jednego izobaru w inny: n

E , - F

6

- G

F

H; n= neutron, p-

proton,

0

0 elektron, zwykle nazywany cząstką beta minus i oznaczany D

0

;

<

P

0 cząstka elementarna,

nosząca nazwę antyneutrina elektronowego.

Jeżeli jądro ma nadmiar protonów, to zachodzi proces przemiany protonu w neutron p

En+F

-

+v

e

;

F

-

- pozyton,

czyli dodatnio naładowana cząstka o masie elektronu i ładunku elementarnym, a v

e

- neutrino elektronowe.

podczas rozpadu

D

-

jeden z protonów zawartych w jądrze przekształca się w neutron i z jądra jest wysyłany

pozyton i neutrino. W wyniku rozpadu

D

-

liczba atomowa pierwiastka macierzystego maleje o jedność, więc

powstający pierwiastek jest przesunięty w układzie o jedno miejsce w lewo.

-promieniowanie gamma: rozpadom alfa i beta zazwyczaj towarzyszy elektromagnetyczne promieniowanie

gamma. Emisja promieniowania

R jest jednym ze sposobów pozbycia się przez jądro nadmiaru energii, zwanej

energią wzbudzenia. Promieniowanie

R, podobnie jak światło, ma naturę elektromagnetyczną, a różni się od

światła tym, że ma długość fal o kilka rzędów krótsze od długości fal światła. Zatem: emisja promieniowania

R

nie powoduje zmiany liczby protonów i neutronów w jądrze, w związku z tym nie zmienia się jego liczba

masowa. Położenie pierwiastka w układzie okresowym przy emisji promieniowania

R nie ulega zmianie.

Długość fali promieniowania

R: Z

[\
]

^

; jądro wysyłając kwanty

R zmniejsza swą masę o: m=

]

^

_

.

Promieniowaniu

R towarzyszy zmiana momentów elektrycznych jądra, polegająca na zmianie rozkładu

ładunków elektrycznych jądra, lub zmiana układu jego spinowych i orbitalnych momentów magnetycznych.