Warto przeczytać

RUbuBwlBJQ5La

Rys. 1. Ilustracja przedstawia schematycznie składniki struktury materii i ich rozmiary. W górnej lewej części ilustracji znajduje się szary, owalny kształt symbolizujący materię. Jeden z elementów materii zakreślony został niewielkim białym okręgiem, który symbolizuje zbliżenie na ten fragment. Wielkość przestrzenna tego elementu opisana została jako jeden metr. W powiększeniu ułożonym nieco niżej i odrobinę z prawej strony, zaprezentowana jest wypukła powierzchnia składająca się z małych ciemno‑szarych kulek. Kulki symbolizują atomy. Na jeden z atomów wskazuje biała strzałka, nad którą widoczny jest opis: "Wszystkie rzeczy na świecie składają się z atomów". Ich rozmiar jest rzędu dziesięć do potęgi minus dziesiątej metra. Poniżej pokazano powiększenie jednego z atomów. Atom w powiększeniu składa się z kulistego jądra zawierającego nukleony oraz krążących wokół jądra elektronów. Nukleony w jądrze narysowano w postaci niebieskich i czerwonych kulek tworzących większą kulkę o rozmiarach rzędu dziesięć do potęgi minus czternastej metra. Elektrony krążą umownie po orbitach kołowych wokół jądra atomowego. Pokazano je w postaci niebieskich kulek z białą poświatą wokół mniejszych od nukleonów. Elektrony nie posiadają struktury wewnętrznej. Poniżej pokazano schematycznie powiększenie jądra atomowego, składa się ono z czerwonych i niebieskich kulek symbolizujących nukleony. Niebieskie kulki opisane są jako protony, a czerwone jako neutrony. Rozmiar nukleonów jest rzędu dziesięć do potęgi minus piętnastej metra. Poniżej, jako ostatnie, pokazano schematyczne powiększenie jednego z protonów. Na niebieskim tle widoczne są trzy kulki tworzące wierzchołki trójkąta równobocznego, którego pozioma podstawa znajduje się u góry, a ostry wierzchołek u dołu. Pozioma podstawa trójkąta to kulki niebieska i czerwona, a wierzchołek to kulka zielona. Kolorowe kulki symbolizują kwarki. Protony i neutrony składają się z kwarków. Kwarki nie posiadają wewnętrznej struktury, a ich rozmiar jest rzędu dziesięć do potęgi minus osiemnastej metra. Ilustracja opisana jest jako "Składniki struktury materii i ich rozmiary."

Rysunek 1. przedstawia „cegiełki” materii. Przyjrzyj mu się dokładnie i zlokalizuj w hierarchii wielkości, która jest na nim pokazana, jądro atomowe. Jest to jeden z najmniejszych obiektów, ale jeszcze nie podstawowy. Są mniejsze!

• W skład jądra, oprócz protonów, wchodzą neutrony. Neutron (odkryty w 1934 roku) to cząstka obojętna elektrycznie o masie nieco większej od masy protonu. Protony i neutrony wchodzące w skład jądra atomowego to nukleony. Zawartość jądra atomowego opisują dwie liczby: $Z$ – liczba atomowa, czyli liczba protonów w jądrze atomowym, $A$ – liczba masowa, czyli sumaryczna liczba protonów i neutronów w jądrze atomowym. Liczbę neutronów w jądrze oznaczamy zwykle przez $N$. Skład jądra dowolnego pierwiastka o symbolu $X$ zapisujemy jako

  $_Z^AX\ .$

• Ładunek elektryczny jądra $Q$ jest sumą ładunków protonów:

  $$Q=Ze$$,

  gdzie $e$ to ładunek elementarny.

• Oddziaływanie jądrowe. Dlaczego więc to dodatnio naładowane (elektrycznie) jądro jest trwałą strukturą? Otóż oprócz oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych mamy jeszcze inne - w szczególności silne, od którego pochodzi oddziaływanie jądrowe. Jest to oddziaływanie między nukleonami. Na odległościach rzędu $10^{-15}\,\text{m}$ jest ono przyciągające, ale staje się odpychające na odległościach rzędu $10^{-16}\,\text{m}$ i mniejszych. Siły te działają praktycznie tylko między sąsiednimi nukleonami w jądrze atomowym, nie obejmują całego jądra, choć w całym jądrze występują - jest to konsekwencją ich krótkiego zasięgu. W obszarze swego działania, na małych odległościach, są wielokrotnie silniejsze niż siły grawitacyjne i elektromagnetyczne. Jądro atomowe jest więc strukturą, w której występują oddziaływania „spajające” (przyciągające siły jądrowe, obejmujące tylko sąsiednie nukleony) oraz „stabilizujące” (odpychające siły jądrowe na małych odległościach, które uniemożliwiają zapadnięcie się jednych nukleonów w drugie). Jednak oprócz tego w jądrze atomowym występuje oddziaływanie „rozrywające” – jest nim elektrostatyczne odpychanie między protonami, obejmujące całe jądro. Taki „układ sił” nie zawsze zapewnia równowagę – dlatego nie każda kombinacja protonów i neutronów zapewnia stabilność i trwałość jądra.

• Rozmiary jądra. Będziemy traktować jądro atomowe jako kulę. Jest to niezłe przybliżenie, choć wiele jąder ma bardziej złożone kształty. Promień jądra, podobnie jak jego masa, zależy od liczby masowej. Jego wartość wyraża przybliżony, empiryczny wzór:

  $$R=R_0\sqrt[3]{A}$$,

  gdzie $R_0=1,2·{10}^{-15}\mathrm{m}$. Często mówimy, że jądro atomowe to obiekt o promieniu kilku femtometrów $(1\mathrm{fm}={10}^{-15}\mathrm{m})$.  Rozmiary jąder atomowych zawierają się w granicach od około $1,2\,\text{fm}$ do około $6,3\,\text{fm}$.
  Jądra atomowe, tak jak i inne cząstki mikroświata, podlegają zasadom mechaniki kwantowej i do części ich zachowań można używać opisu falowego. W szczególności dlatego rozmiary jąder można określić tylko z pewną dokładnością; granice obszaru zajmowanego przez jądro atomowe należy uznać za rozmyte.

• Masa jądra atomowego i energia wiązania. Masy jąder atomowych wyznaczane są doświadczalnie i są mniejsze niż suma mas nukleonów, które je tworzą. To zjawisko nosi nazwę deficytu (defektu) masy jądra.

R1cvpMCaz8nLt

Rys. 2. Ilustracja przedstawia poglądowo deficyt masy jądra helu. Na ilustracji pokazano szarą wagę szalkową. Na lewej szalce znajduje się schematycznie przedstawione jądro helu jako całość. Jądro helu pokazano w postaci czterech kulek, dwóch czerwonych opisanych małą literą p oraz dwóch zielonych opisanych małą literą n. Czerwone kulki symbolizują protony, a zielone neutrony. Nukleony stykają się ze sobą tworząc jądro atomowe i otoczone są przezroczystą sferą symbolizującą ich połączenie w całość. Na prawej szalce pokazano również cztery nukleony, dwa protony i dwa neutrony w postaci czerwonych i zielonych kulek. Na prawej szalce nukleony są oddalone od siebie, co symbolizuje ich rozdzielność i fakt traktowania jako oddzielne cząstki elementarne. Wskazanie wagi pokazuje, że masa nukleonów traktowanych pojedynczo jest większa niż masa jądra atomowego jako całości.

Aby rozerwać jądro na nukleony, trzeba dostarczyć energię. Gdy nukleony zbliżają się na odległości jądrowe - wydziela się energia. Podobnie jak w reakcji (chemicznej) syntezy wody: połączenie wodoru z tlenem jest egzotermiczne, rozdzielenie wymaga dostarczenia energii. Czy cząsteczka wody ma mniejszą masę niż suma mas atomów wodoru i tlenu? Tak, ten efekt występuje również w przypadku wiązań chemicznych, ale jest bez porównania mniejszy niż w przypadku wiązań jądrowych. Ta różnica mas odnajduje się w energii i jest określona wzorem Einsteina mówiącym o równoważności tych dwóch wielkości fizycznych:

Ten najpopularniejszy wzór świata wyraża bardzo trudną i nieintuicyjną zależność pomiędzy energią i masą. Pokazuje, że masa jest formą energii. Deficyt masy jądra potwierdza jego słuszność. Energia równa deficytowi masy nazywa się energią wiązania jądra atomowego.

Powyższy wzór wyraża energię wiązania jądra. Jest ona równa deficytowi masy pomnożonemu przez kwadrat prędkości światła w próżni. Fizyczna interpretacja tego zjawiska mówi, że tyle energii trzeba dostarczyć do jądra, aby rozdzielić je na nieoddziałujące ze sobą nukleony. Energia jest tym większa, im więcej jest nukleonów, ale nie jest to zależność wprost proporcjonalna. Bardzo ważną wielkością jest energia wiązania przypadająca na jeden nukleon. Jej wartość określa się, dzieląc energię wiązania przez liczbę nukleonów. Ta wielkość jest dla każdego izotopu inna. Największa jest dla jąder o liczbie masowej około 60 i wynosi około 8,8 MeVMeVMeV na nukleon. Oznacza to, że jądra atomowe żelaza oraz pierwiastków z nim sąsiadujących są najsilniej związane spośród wszystkich jąder atomowych. Wraz z dalszym wzrostem liczb masowych energia wiązania nukleonów zmniejsza się. Energia wiązania nukleonów w jądrach o największych znanych wartościach liczby masowej jest o ok. 1 MeV mniejsza niż największa energia wiązania.

Słowniczek