RqsjmgZaGvZFJ1

Rysunek przedstawia model jądra atomu składający się z sześciu czerwonych kul symbolizujących protony i dziewięciu niebieskich kul symbolizujących elektrony. Kule te są ściśnięte ze sobą tworząc obiekt w przybliżeniu kulisty, ale o nieregularnej powierzchni.

1. Jądro atomowe

W planetarnym modelu budowy atomu przedstawionym przez Rutherforda niemal cała masa atomu skupiona była w niewielkim jądrze (${10}^{-15}\mathrm{ m}$) o ładunku dodatnim, a po zamkniętych orbitach krążyły elektrony, tworzące tzw. powłokę elektronową.

REJDwLzs5o80y1

Schemat przedstawiający porównanie rzędów wielkości wymiarów jądra i powłok elektronowych w atomie

Odkrycie jądra atomowego sprawiło, że powstało wiele kolejnych wątpliwości. Uważano np., że jeśli jądro atomowe zbudowane byłoby z dodatnio naładowanych cząstek (protonów), musiałaby istnieć siła, która równoważyłaby ich wzajemne odpychanie wynikające z oddziaływań elektrycznych. Warto zdać sobie sprawę z faktu, że dwa protony znajdujące się w odległości rzędu ${10}^{-15}\mathrm{m}$ odpychają się elektrostatycznie siłą o wartości $\mathrm{230\; N}$. Ta wielkość nie wydaje się bardzo duża, ale trzeba pamiętać, że masa protonu wynosi ok. $\mathrm{1,67}·{10}^{-27}\mathrm{g}$. Przez pewien czas uważano, że w jądrze znajdują się także elektrony. Dopiero odkrycie neutronu przez Jamesa ChadwickaJames ChadwickJamesa Chadwicka w 1932 r. (istnienie neutronu zakładał dwanaście lat wcześniej Ernest Rutherford), pozwoliło wyjaśnić ten problem.

Obecnie wiemy, że jądro – centralna część atomu – zbudowane jest z nukleonównukleonnukleonów: protonów i neutronów.

RExtMeWJJYDBp1

Schemat przedstawiający budowę jądra atomowego

Nukleony wchodzące w skład jądra atomowego są podobnych rozmiarów oraz mają zbliżone masy. Proton ma ładunek $+1e$, ($e=\mathrm{1,602}·{10}^{-19}\mathrm{C}$), a neutron jest elektrycznie obojętny. Między składnikami jądra działają olbrzymie siły przyciągania o charakterze krótkozasięgowym, zdolne do pokonania elektrycznych sił odpychania między protonami. Są to siły jądrowesiły jądrowesiły jądrowe.

Jądro stanowi niewielką część całego atomu. Jeśli porównamy rozmiary atomu z rozmiarami jądra atomowego (dla atomu o średnicy rzędu ${10}^{-10}\mathrm{m}$), okaże się, że jądro jest aż $\mathrm{100\; 000}$ razy mniejsze od atomu, ale to właśnie w jądrze skupione jest $\mathrm{99,9}\mathrm{\%}$ masy całego atomu.

R1NEmI12LB5pG1

Animacja przedstawia porównanie atomu do boiska piłkarskiego. Na środku boiska pojawiają się przedmioty wskazywane przez lektora. Gdy lektor w dialogu odrzuca przedmiot jako nieodpowiedni, wędruje on w prawy, górny róg ekranu/kadru ciągnąc za sobą zanikającą smugę. Przedmiot ustawia się w górnej części ekranu i zostaje przekreślony na krzyż dwoma kreskami. Przekreślone przedmioty: piłka futbolowa, piłka tenisowa, piłeczka ping-pongowa, ziarnko grochu. Musi być zachowana skala wymiarów przedmiotów. Gdy lektor w monologu wymienia kolejny przedmiot pojawia się szpilka widoczna przez lupę (więc trochę powiększona – nie w skali) wyraźnie widoczny jest malutki łepek szpilki. Szpilka wędruje łukiem na środek boiska (w miarę oddalania się szpilki ta staje się coraz mniejsza) ciągnąc za sobą zanikającą smugę i tam „znika” bo jest zbyt mała by ją widzieć w skali rysunku. Pojawia się tylko strzałka wskazująca na środek boiska a nad nią napis szpilka.

Animacja przedstawia porównanie atomu do boiska piłkarskiego. Na środku boiska pojawiają się przedmioty wskazywane przez lektora. Gdy lektor w dialogu odrzuca przedmiot jako nieodpowiedni, wędruje on w prawy, górny róg ekranu/kadru ciągnąc za sobą zanikającą smugę. Przedmiot ustawia się w górnej części ekranu i zostaje przekreślony na krzyż dwoma kreskami. Przekreślone przedmioty: piłka futbolowa, piłka tenisowa, piłeczka ping-pongowa, ziarnko grochu. Musi być zachowana skala wymiarów przedmiotów. Gdy lektor w monologu wymienia kolejny przedmiot pojawia się szpilka widoczna przez lupę (więc trochę powiększona – nie w skali) wyraźnie widoczny jest malutki łepek szpilki. Szpilka wędruje łukiem na środek boiska (w miarę oddalania się szpilki ta staje się coraz mniejsza) ciągnąc za sobą zanikającą smugę i tam „znika” bo jest zbyt mała by ją widzieć w skali rysunku. Pojawia się tylko strzałka wskazująca na środek boiska a nad nią napis szpilka.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Animacja przedstawia porównanie atomu do boiska piłkarskiego. Na środku boiska pojawiają się przedmioty wskazywane przez lektora. Gdy lektor w dialogu odrzuca przedmiot jako nieodpowiedni, wędruje on w prawy, górny róg ekranu/kadru ciągnąc za sobą zanikającą smugę. Przedmiot ustawia się w górnej części ekranu i zostaje przekreślony na krzyż dwoma kreskami. Przekreślone przedmioty: piłka futbolowa, piłka tenisowa, piłeczka ping-pongowa, ziarnko grochu. Musi być zachowana skala wymiarów przedmiotów. Gdy lektor w monologu wymienia kolejny przedmiot pojawia się szpilka widoczna przez lupę (więc trochę powiększona – nie w skali) wyraźnie widoczny jest malutki łepek szpilki. Szpilka wędruje łukiem na środek boiska (w miarę oddalania się szpilki ta staje się coraz mniejsza) ciągnąc za sobą zanikającą smugę i tam „znika” bo jest zbyt mała by ją widzieć w skali rysunku. Pojawia się tylko strzałka wskazująca na środek boiska a nad nią napis szpilka.

Gdyby narysować model atomu z zachowaniem rzeczywistej skali jego elementów składowych, to dla jądra o rozmiarze kilku centymetrów średnica atomu przekroczyłaby $1 \mathrm{km}$. Wyobraźe sobie, że ponad $\mathrm{99,99999}\mathrm{\%}$ objętości atomu stanowi pusta przestrzeń!

2. Cząstki elementarne

W latach 30. XX wieku wprowadzono pojęciecząstek elementarnychcząstka elementarnacząstek elementarnych. Zaliczono do nich: elektrony, protony, neutrony i fotony. Jak widać, rodzajów tych cząstek nie było zbyt dużo. Badania promieniowania kosmicznego prowadzone w następnych latach oraz analiza produktów reakcji jądrowych (zderzanie dwóch jąder) doprowadziły do odkrycia ponad dwustu nowych rodzajów cząstek elementarnych o masach od kilkuset do kilku tysięcy razy większych niż masa elektronu. Większość cząstek o tak dużej masie (większej od masy protonu i neutronu) okazywała się zwykle nietrwała. 
Eksperymentalnie udowodniono również eksperymentalnie istnienie tzw.antycząstekantycząstkaantycząstek. Należy do nich np. pozyton – cząstka o masie równej masie elektronu, ale o ładunku dodatnim. Pozyton został odkryty w produktach zderzeń cząstek atmosfery ziemskiej z cząstkami promieniowania kosmicznego – głównie protonami. W 1955 r. dokonano odkryciaantyprotonuantyprotonantyprotonui wkrótce stało się jasne, że właściwie każda cząstka elementarna ma swoją antycząstkę. Model opisujący cechy cząstek elementarnych się skomplikował. 

Fizycy dość szybko doszli do wniosku, że świat cząstek elementarnych jest jednak zbyt skomplikowany. W roku 1964 r.Murray Gell‑MannMurray Gell‑MannMurray Gell‑ManniGeorge ZweigGeorge ZweigGeorge Zweig wysunęli hipotezę, że dotychczasowy model cząstek elementarnych można uprościć, jeśli założy się istnieniekwarkówkwarkikwarków.

3. Kwarki i gluony

Jak wspomnieliśmy, jeszcze w latach 60. XX wieku przyjmowano, że podstawowym budulcem atomów, a zarazem najmniejszymi, niepodzielnymi składnikami materii, są trzy rodzaje cząstek: neutrony, protony i elektrony. Okazało się jednak, że w skład protonu i neutronu wchodzą jeszcze mniejsze cząstki, tzw.kwarkikwarkikwarki.

RoEsGjs8jyn0e1

Schemat przedstawiający proton i neutron jako zbiór kwarków

Hipoteza Gell‑Manna i Zweiga pozostawała przez pewien czas jedynie hipotezą. Kwarki nie występują jako cząstki swobodne. Skąd zatem wiadomo, że jednak istnieją?
Od 1968 r. zaczęto wykonywać cykl doświadczeń, w których badano zderzenia elektronów z protonami. Analiza wyników wykazała, że protony mają pewną wewnętrzną strukturę, a jej elementy są obdarzone ładunkiem elektrycznym. W 1990 r. Friedman, Kendall i Taylor otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za ich pionierskie badania dotyczące głęboko nieelastycznego rozpraszania elektronów na protonach i wiązanych neutronach, co miało istotny wpływ na rozwój modelu kwarkowego w fizyce cząstek”.

Poniższa tabela przedstawia nazwy poszczególnych typów kwarków oraz wartości i znaki ich ładunków elektrycznych.

Kwarki utrzymują się razem dzięki cząstkom nazywanymgluonamigluonygluonami, których nazwa pochodzi od angielskiego słowa „glue” – („klej”). Cząstki te powodują, że kwarki w protonie czy neutronie tworzą stabilny układ.

4. Izotopy

Wiesz już, że jądro każdego atomu składa się z pewnej liczby dodatnio naładowanych protonów oraz elektrycznie obojętnych neutronów. 
Liczbę protonów w jądrze oznaczamy literą „$Z$”. Jest to tak zwana liczba atomowaliczba atomowaliczba atomowa lub porządkowa. Iloczyn $Z·e$ jest ładunkiem jądra atomu. W atomie elektrycznie obojętnym liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów znajdujących się na powłokach wokół jądra. Z kolei liczba wszystkich nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze jest oznaczana literą „$A$”. To tzw.liczba masowaliczba masowaliczba masowa.

Będziemy używali pewnego symbolicznego, uproszczonego zapisu. Jeżeli dany pierwiastek $X$ będzie miał liczbę masową $A$ i liczbę atomową (porządkową) $Z$, zapis ten będzie wyglądał następująco:

Odmiany tego samego pierwiastka różniące się liczbą masową (liczbą neutronów) nazywamy izotopamiizotopizotopami. Pierwiastki występujące w przyrodzie są mieszaninami swoich izotopów, w tym radioaktywnych (promieniotwórczych).

Jądra wszystkich izotopów danego pierwiastka mają tę samą liczbę atomową „$Z$”, ale różnią się wartościami liczby masowej „$A$”.

R1ZvfUqvw3T2P1

Izotop

Przykładowo: wodór występuje w trzech odmianach. Oprócz zwykłej, dobrze znanej, gdzie w jądrze istnieje tylko jeden proton, jądro wodoru może mieć dodatkowo jeden lub dwa neutrony. Izotop wodoru z jednym neutronem i jednym protonem to tzw. deuter. Izotop wodoru z dwoma neutronami i jednym protonem to tryt.

Podsumowanie

• Atom zbudowany jest z ciężkiego jądra o niewielkich rozmiarach i powłoki elektronowej.

• Elektrony krążą wokół jądra – poruszają się po zamkniętych orbitach; atom jest obojętny elektrycznie. W atomie obojętnym elektrycznie liczba protonów odpowiada liczbie elektronów.

• Rozmiar jądra atomowego wynosi około ${10}^{-15}\mathrm{m}$, a atomu – ${10}^{-10}\mathrm{ m}$.

• Jądro – centralna część atomu – zbudowane jest z nukleonów: protonów i neutronów.

• Masy protonu i neutronu są zbliżone (nieco większa jest masa neutronu). Ładunek protonu jest dodatni i równy wartości ładunku elementarnego $e=\mathrm{1,602}·{10}^{-19}\mathrm{C}$; neutron jest obojętny elektrycznie.

• Przez wiele lat uważano, że proton i neutron to cząstki niepodzielne. Okazało się jednak, że zarówno proton, jak i neutron składają się jeszcze z tzw. kwarków. Kwarki oddziałują ze sobą za pomocą gluonów. Gluony „sklejają” ze sobą kwarki i w rezultacie powstają cząstki takie jak protony i neutrony. Panuje przekonanie, że kwarki są fundamentalnym budulcem materii i są niepodzielne.

• Zwarta struktura jądra jest wynikiem równowagi między siłami odpychającymi, jakimi oddziałują na siebie protony (charakter elektryczny), a przyciągającymi siłami jądrowymi. Siły jądrowe są bardzo silne i działają na bardzo małych odległościach. Jądro atomu (z wyjątkiem atomu wodoru) nie mogłoby istnieć bez neutronów.

• Liczbę protonów w jądrze (równą liczbie elektronów atomu) nazywamy liczbą atomową (porządkową) i oznaczamy literą „$Z$”. Ładunek jądra można obliczyć ze wzoru: $Z·e$.

• Liczbę nukleonów (protonów i neutronów) nazywamy liczbą masową i oznaczamy literą „$A$.

• Symbolicznie budowę atomu opisujemy jako:
  ${}_Z{}^{A}X,$
  gdzie:
  $X$ – symbol atomu pierwiastka;
  $A$ – liczba masowa;
  $Z$ – liczba porządkowa (atomowa).

• Jądra atomowe większości pierwiastków mogą występować w odmianach różniących się liczbą neutronów. Pierwiastki posiadające w jądrze różną liczbę neutronów nazywamy izotopami danego pierwiastka.

• Przykładami izotopów wodoru (${}_1{}^1\mathrm{H}$) mogą być deuter (${}_1{}^2\mathrm{H}$) i tryt (${}_1{}^3\mathrm{H}$). Węgiel ma znane trzy izotopy: ${}_6{}^{12}\mathrm{C},{}_6{}^{13}\mathrm{C},{}_6{}^{14}\mathrm{C}$. Ten ostatni jest promieniotwórczy.

Zadania podsumowujące moduł

Słowniczek

Biogramy

James Chadwick

RKzBEsMMdZKiR1

James Chadwick

James Chadwick

20.10.1891–24.07.1974

Brytyjski fizyk. W 1935 r. otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie neutronu – nowej cząstki w jądrze atomu. Współpracownik Ernesta Rutherforda, w czasie II wojny światowej uczestnik projektu „Manhattan”.

Murray Gell‑Mann

R17aJPu9DCWL11

Murray Gell-Mann

Murray Gell-Mann

ur. 15.09.1929

Fizyk teoretyk. Prowadzi badania dotyczące fizyki cząstek elementarnych. Postulował istnienie hiperonu i kwarku. Wprowadził nową liczbę kwantową – dziwność.

George Zweig

RnVn7EiynHYgL1

Grafika przedstawiająca George'a Zweig'a

George Zweig

ur. 30.05.1937

George Zweig jeszcze jako student wysunął (niezależnie od Murraya Gell‑Manna) hipotezę, że cząstki takie jak neutron i proton mają określoną strukturę wewnętrzną i nie mogą być traktowane jako cząstki elementarne. Od lat 70. prowadzi badania w zakresie neurobiologii.