Warto przeczytać

Jądro atomowe zostało odkryte w 1909 roku przez Hansa Geigera i Ernesta Marsdena, studentów noblisty z dziedziny chemii – Ernesta Rutherforda. Badacze bombardowali cienką folię złotą dodatnio naładowanymi cząstkami $\alpha$ (jądro atomu helu). Eksperyment miał na celu zbadanie wewnętrznej struktury atomu i zweryfikowanie obowiązującego wówczas modelu, według którego atom był jednorodnie naładowaną dodatnio kulą, wewnątrz której poruszały się ujemnie naładowane elektrony. Badacze spodziewali się, że tory cząstek $\alpha$ ulegną małemu odchyleniu podczas przechodzenia przez folię złotą – co byłoby potwierdzeniem weryfikowanego modelu. Wyniki eksperymentu okazały się jednak zaskakujące. Niektóre z padających na folię złotą cząstek $\alpha$ poruszały się w taki sposób, jakby odbiły się od bardzo małego, masywnego i dodatnio naładowanego obiektu wewnątrz atomu. Rutherford na podstawie wyników eksperymentu zaproponował w 1911 roku planetarny model budowy atomu. Według tego modelu w centrum atomu znajdowało się maleńkie jądro skupiające cały ładunek dodatni atomu i prawie całą jego masę. Wokół jądra, tak jak planety wokół Słońca, poruszały się ujemnie naładowane elektrony. Model Rutherforda stał się punktem wyjścia dla późniejszych, bardziej realistycznych modeli. Budowa atomów została ostatecznie wyjaśniona wraz z rozwojem mechaniki kwantowej.

Budowa jądra atomowego i jego skład były przedmiotem wielu badań i rozważań przez ponad 20 kolejnych lat od opublikowania modelu Rutherforda. W kilka lat po eksperymencie Geigera i Marsdena Rutherford odkrył proton, jednak dopiero odkrycie neutronu w 1932 roku przez jego współpracownika, Jamesa Chadwicka, ostatecznie potwierdziło skład jąder atomowych. Odkrycie Chadwicka zapoczątkowało serię przełomowych badań i jest uważane za początek odrębnej dziedziny fizyki – fizyki jądra atomowego. Dziś wiemy, że wszystkie jądra atomowe we Wszechświecie składają się tylko z dwóch typów cząstek: neutronów i protonów, które wzajemnie na siebie oddziałują, a w obojętnym elektrycznie atomie ładunki jądra i otaczającej go chmury elektronowej wzajemnie się równoważą.

Jądro atomowe jest obiektem bardzo małym w porównaniu z rozmiarami atomu. Na Rys. 1. przedstawiono schematycznie budowę atomu helu i jego jądra. Typowe rozmiary jądra atomowego są rzędu femtometrów (1 fm = 10Indeks górny -15^-15 m). Jest to ogromna różnica w porównaniu z rozmiarami atomu – jądro atomowe jest prawie 100000 (sto tysięcy) razy mniejsze od atomu. Jeżeli jądro atomowe byłoby kulką o średnicy 1 cm, atom byłby ogromną kulą o średnicy sięgającej kilkuset metrów!

RORKgHvInGC8M

Rys. 1. Na ilustracji jest duże, zacieniowane koło, symbolizujące atom helu. Poniżej jest poziomy odcinek o długości zbliżonej do długości średnicy koła. Nad odcinkiem jest napis 1 angsztrem równy 100.000 femtometrów. W środku koła jest punkt, symbolizujący jądro atomowe. Ten punkt powyżej pokazany jest w powiększeniu. Na powiększeniu są cztery stykające się małe kulki: dwie czerwone i dwie niebieskie. Poniżej kółek jest poziomy odcinek o długości zbliżonej do rozmiaru obszaru zajmowanego przez kulki. Nad tym odcinkiem jest napis 1 femtometr.

Jądro atomowe można wyobrażać sobie jako kroplę bardzo gęstej cieczy o promieniu rzędu kilku femtometrów, zbudowaną z wzajemnie oddziałujących, znajdujących się blisko siebie cząstek – protonów i neutronów, nazywanych nukleonaminukleonynukleonami. Na Rys. 2 pokazano przykład ciężkiego jądra zbudowanego z wielu nukleonównukleonynukleonów. Najlżejsze jądra atomowe, składające się z pojedynczego protonu, mają atomy wodoru. Najcięższe znane jądra atomowe zbudowane są z prawie 300 nukleonów. Obecnie znamy około 3500 różnych jąder atomowych, a szacowana liczba wszystkich możliwych jąder atomowych sięga 7000! Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‑materiale „Liczba atomowa i liczba masowa, czyli jak opisać skład jądra atomu?”.

RW1XD8nxjyLlB

Rys. 2. Na rysunku jest obiekt składający się z wielu ciasno zlepionych kulek czerwonych i niebieskich. Jedna z czerwonych kulek jest podpisana proton, jedna z niebieskich – neutron.

Składniki jąder atomowych, proton i neutron, różnią się przede wszystkim ładunkiem elektrycznym. Neutron jest cząstką obojętną elektrycznie, natomiast proton ma ładunek dodatni, +1$e$, gdzie $e$ oznacza ładunek elementarny, równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi pojedynczego elektronu. Rozmiary i masy spoczynkowe obu cząstek są do siebie zbliżone. Nukleony mają rozmiary rzędu 1 fm1 fm1 fm, a ich masy spoczynkowe wynoszą: 938,272 MeV/$c$Indeks górny 2²1 MeV/$c$Indeks górny 2²MeV/$c$Indeks górny 2² dla protonu i 939,565 MeV/$c$Indeks górny 2²1 MeV/$c$Indeks górny 2²MeV/$c$Indeks górny 2² dla neutronu. Jednostka MeV/$c$Indeks górny 2² (czyt. megaelektronowolt na $c$Indeks górny 2²) to jednostka masy używana w fizyce subatomowej równa 1,783 · 10Indeks górny -30^-30 kg. Jeżeli porównamy masy nukleonów z masą elektronu (0,511 MeV/$c$Indeks górny 2²), okaże się, że pomimo swoich małych rozmiarów, jądro atomowe skupia ponad 99% masy atomu. Tak duża kompresja masy wynika z olbrzymiej gęstości materii jądrowej. Gęstość materii jądrowej jest o wiele rzędów wielkości większa niż gęstości cieczy i ciał stałych, z którymi mamy na co dzień do czynienia. Dla porównania materia jądrowa jest ponad 10Indeks górny 13¹³ razy gęstsza niż ołów!

O tym, z czego wynikają różnice pomiędzy protonem i neutronem, możesz przeczytać w e‑materiale „Z jakich kwarków składa się proton, a z jakich neutron?”.

Jądra atomowe są fascynującymi obiektami. Niektóre z ich cech można opisać, używając fizyki klasycznej, inne można zrozumieć wyłącznie na gruncie fizyki kwantowej. W tym e‑materiale opisano tylko maleńki wycinek tego, co dziś wiemy na temat „serca” atomu, jednak wystarczający, aby zdefiniować jądro atomowe.

Najprostsza definicja mówi, że:

jądro atomowe to mały, gęsty i dodatnio naładowany obiekt znajdujący się w centrum atomu, zbudowany z wzajemnie oddziałujących ze sobą neutronów i protonów.

Słowniczek