Proprietati generale ale nucleului

Proprietati generale ale nucleului

Fuziunea si fisiunea nucleara

Se observă că:

a) Pentru nucleele uşoare (A 20), - creşte rapid cu numărul de masă A, prezentând o serie de maxime relative (pentru A = 4, 8, 12, 16, 20)

b) valoarea maximă a lui este 8,7 MeV/nucleon (pentru A = 60)

c) pentru A 60, scade foarte încet, energia de legătură medie pro nucleon este = 8,5 MeV/nucleon.

Aceste caracteristici ale curbei din grafic îşi au originea, desigur, în proprietăţile specifice forţelor nucleare (proprietatea de saturaţie).

Energia de legătură per-nucleon oferă informaţii asupra stabilităţii nucleelor: cu cât Eleg/A este mai mare cu atât nucleul este mai stabil faţă de vecinii săi.

Studiul stabilităţii nucleelor a pus în evidenţă faptul că nuclizii stabili, uşori, au numărul de protoni egal cu numărul de neutroni iar, pe măsură ce numărul de masă creşte, stabilitatea se deplasează spre nuclee cu număr de neutroni mai mare decât numărul de protoni.

Fuziunea nucleara

Cea mai simpla reactie de fuziune nucleara este transformarea hidrogenului in heliu. Patru atomi de hidrogen fuzioneaza pentru a crea un singur atom de heliu si unele produse derivate, inclusiv energie. La fel ca cele mai multe reactii nucleare, aceasta transformare nu se petrece intr-un singur pas. Cei patru atomi de hidrogen fuzioneaza intr-un singur atom de heliu, in decursul mai multor etape. Aceasta reactie elibereaza energie deoarece atomul de heliu care a fost produs are masa usor mai mica decat cei patru atomi de hidrogen care au inceput reactia. In toate reactiile nucleare producatoare de energie, masa totala a produselor rezultate dupa reactie este mai mica decat masa totala dinainte de reactie. Masa pierduta este transformata in energie.

Transformarea hidrogenului in heliu este cea mai frecventa reactie de fuziune nucleara. Aceste reactii ofera energie soarelui nostru si celorlalte stele. Cand se termina proviziile de hidrogen, stelele masive pot ajunge sa fuzioneze elemente mult mai grele, pana ajung la fier. Fuzionarea atomilor mai grei este un proces care consuma energia, mai degraba decat sa o elibereze. Prin urmare, reactiile de fuziune care creeaza atomi mai grei decat fierul pot avea loc numai in cazul in care exista o abundenta de energie, cum ar fi atunci cand o stea masiva explodeaza ca o supernova. Fierul este granita dintre fuziune si fisiune.

Fisiunea nucleara

In reactiile de fisiune nucleara, atomii elementelor mai grele (cum ar fi uraniul sau plutoniul) sunt divizati pentru a forma elemente mai usoare. Ca si reactiile de fuziune, reactiile de fisiune nucleara urmeaza o serie de etape. In mod normal, elementele mai usoare decat fierul nu sunt supuse reactiilor de fisiune nucleara, deoarece acestea necesita energie, mai degraba decat sa o elibereze. Atunci cand atomii mai grei decat atomii de fier sunt supusi reactiilor de fisiune nucleara, este eliberata energie, deoarece masa totala a produselor rezultate este mai mica decat masa initiala. Masa suplimentara este transformata in energie.

Cu alte cuvinte, masa nucleului este mai mică decât suma maselor constituenţilor.

Acest defect de masă m = Zmp + (A-Z)mn – m(A,Z) este pus pe seama energiei de legătură a nucleonilor în nucleu:

Definiţii:

(1) Wleg-reprezintă energia eliberată la formarea nucleului din nucleonii componenţi, ca urmare a lucrului mecanic efectuat de forţele nucleare atractive.

(2) Wleg-este necesară descompunerii nucleului în nucleoni constituenţi (energie furnizată din exterior).

Observaţie: Datorită forţelor nucleare atractive, nucleul nu se descompune niciodată spontan în nucleoni componenţi. Este posibilă (pentru anumite nuclee) emiterea unui nucleon (sau a unui grup de nucleoni). Energia de legătură (medie) per nucleon este, prin definiţie,

în care A reprezintă numărul de masă al nuclidului , egal cu numărul de nucleoni (protoni şi neutroni) din nucleu.

În fizica nucleară, masele nucleelor (atomilor) se măsoară în unităţi atomice de masă (definiţie: a 12-a parte din masa atomului de 12C):

1)Masa Nucleului

Vom nota cu m(A,Z) – masa nucleului ce conţine A nucleoni dintre care Z sunt protoni şi cu M(A,Z) - masa atomului corespunzător.

în care =0 (neglijabilă).

Prin spectrometrie de masă se determină de fapt masele atomice, iar masele nucleelor se calculează apoi conform relatiei anterioare.

Alte metode de determinare a maselor nucleare sunt:

-analiza bilanţului energetic al radiaţiilor nucleare

-analiza dezintegrărilor şi β.

Echivalentul energetic al unităţilor atomice de masă este (conform relaţiei lui Eistein):

Dezintegrarea nucleară

Izotopul unui atom este determinat de numărul de neutroni din nucleu. Diferiți izotopi ai aceluiași element au proprietăți chimice foarte similare deoarece reacțiile chimice depind aproape în întregime de numărul de electroni pe care îi are atomul. Diferiții izotopi dintr-un eșantion chimic particular pot fi separați folosindu-se o instalație centrifugă sau un spectrometru de masă. De exemplu, prima metodă este folosită în producerea uraniului îmbogățit din uraniu natural, iar a doua metodă este folosită în datarea cu carbon.

Quarcii

Proprietati

Un nucleu atomic este cu atât mai stabil cu cât energia medie de legătură dintre nucleoni este mai mare, situație ce se întâlnește cu precădere la nucleele conținând: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126,... protoni sau neutroni. Izotopul 208 al Pb, de exemplu, are 82 protoni și 126 neutroni.

Dacă un nucleu are prea puțini sau prea mulți neutroni, el poate fi instabil și se va dezintegra după o perioadă de timp oarecare. De exemplu, la câteva secunde după ce au fost creați, atomii de azot-16 (7 protoni, 9 neutroni) se dezintegrează către atomi de oxigen-16 (8 protoni, 8 neutroni). În această dezintegrare, forța nucleară slabă transformă un neutron din nucleul de azot într-un proton și un electron. Elementul se schimbă deoarece inițial a avut șapte protoni (fapt pentru care era „azot”), iar acum are opt protoni (fapt pentru care este „oxigen”). Multe elemente au izotopi care rămân stabili timp de săptămâni, ani sau miliarde de ani.

• Sarcina totală a nucleului: A e + (A - Z) (-e) = Ze
• Masa neutronului este . Sarcina neutronului este zero.
• Nucleul este o stare legată de protoni şi neutroni între care trebuie să se exercite forţe de atracţie puternice, care să compenseze forţele de respingere coulombiene dintre protoni. Aceste forţe s-au numit „forţe nucleare”.
• Aşa cum se va vedea mai târziu, protonul şi neutronul interacţionează identic din punct de vedere nuclear (fapt reflectat şi în masa lor foarte apropiată: mn = 1,0086652 u, mp = 1,00782519 u). De fapt, protonul şi neutronul sunt două stări posibile ale aceleaşi particule numite nucleon.

Sunt cele mai mici bucăţi de materie ştiute, nu există niciodată singuri. Sunt mereu găsiţi în combinaţie cu alţi quarci în particule de materie mai mari. Studiind aceste particule mai mari, oamenii de ştiinţă au determinat proprietăţile quarcilor. Protonii şi neutronii, particulele care alcătuiesc atomii, sunt alcătuiţi din quarci. Fără quarci nu ar fi existat atomi, iar fără atomi materia nu ar fi existat aşa cum o ştim.

Există şase tipuri de quarci. Ei sunt numiţi up, down, charm, strange, top, bottom. Toţi quarcii au o anumită masă şi încărcătură electrică. Materia obişnuită, adică materia făcută din atomi, conţine doar cei mai uşori doi quarci, up şi down. Următorii cei mai uşori, charm şi strange, sunt găsiţi în particule ce se numesc raze cosmice, care îşi au originea in spaţiu. Savanţii au produs top şi bottom, cei mai grei quarci, în laborator, dar nu i-au găsit şi în natură. Mulţi fizicieni şi astronauţi cred că imediat dupa Big Bang toate cele şase tipuri de quarci au existat. Cei mai grei quarci s-au descompus apoi în tipurile mai uşoare.

Quarcii au antiparticule contrare în natură, numite antiquarci, care se combină pentru a crea antimateria. Antimateria du există în natură pe Pământ şi majoritatea oamenilor de ştiinţă consideră că este destul de rară în univers, totuşi ea a fost produsă în laborator. Antiquarcii au multe din proprietăţile pe care le au si corespunzătorii lor, quarcii, dar si proprietăţi opuse.

Notaţia pentru un nucleu („nuclid”) este , în care:

Z = numărul atomic, egal cu numărul de protoni din nucleu,

A = numărul de masă, egal cu numărul de nucleoni (protoni şi neutroni) din nucleu.

Observaţie: Noţiunea de “nuclid” reprezintă analogul nuclear al noţiunii de „element chimic”.

Protonul

Este particula elementară purtătoare de sarcină pozitivă, alături de neutron şi electron este una din componentele tuturor nucleelor. El este singura particulă elementară stabilă acest lucru însemnând că poate exista de unul singur pentru o perioadă mare de timp. Sarcina lor pozitivă este de 1.602 x 10 la -19 coulomb. Sarcina este egală şi de sens opus cu cea a electronului. Ei au o masă de 1.67 x 10 la -27 kg şi alături de neutroni sunt răspunzători pentru cea mai mare parte din masa atomului. Atomii conţin un număr egal de protoni şi neutroni astfel încât fiecare atom au per total o sarcina egala cu zero.

Numărul atomic al unui element este egal cu numărul de protoni din nucleu. Numărul de electroni dintr-un atom neschimbat trebuie să fie egal cu numărul de protoni şi aranjarea acestor electroni determină proprietăţile chimice ale atomului.

• Izotopi: Z1 = Z2 A1 ≠ A2
• Exemple: -(16 izotopi)

- izotopi stabili

Structura si caracteristici:

Protonul este de 1.836 ori mai greu decât electronul. Pentru un atom de hidrogen care conţine un electron şi un proton, protonul asigură 99.95% din masă. Neutronul cântăreşte puţin mai mult decât protonul. Elementele mai grele decât hidrogenul conţin de obicei cam acelaşi număr de protoni şi neutroni în nucleele lor, deci masa atomică sau masa unui atom este de obicei de două ori mai mare decât numărul atomic.

Numărul de protoni conţinut de un atom determină ce element chimic este, pornind de la 1 proton pentru hidrogen până la 92 pentru uraniu. Oamenii de ştiinţă au reuşit totuşi în laboratoare să creeze atomi cu până la 116 protoni.

Protonii sunt si ei afectaţi de cele patru forţe fundamentale ale naturii care guvernează toate interacţiunile dintre particulele şi energia din univers.Forţa electromagnetică face ca protonii încărcaţi pozitiv să atragă electronii încărcaţi negativ şi îi menţine pe orbita nucleului atomic. Această forţă face de asemenea ca protonii strânşi laolaltă în nucleu să se respingă cu o forţă de 100 milioane de ori mai mare decât atracţia electrică care leagă electronii. Repulsia este totuşi contrată de forţa nucleară puternică, cere leagă protonii şi neutronii împreună într-un nucleu compact. Celelalte doua forţe fundamentale, gravitaţie şi forţa nucleară slabă afectează de asemenea protonul.

Neutronul

Structura nucleului atomic

Nucleul atomic este alcătuit din trei elemente fundamentale: neutronul, protonul şi quarcul.

Este particulă elementară cu polaritate neutră, este una din cele mai mici părţi de materie pe care oamenii de ştiinţă o pot izola, numită şi particulă elementară. Neutronul are aproximativ 10 la -13 cm în diametru şi cântăreşte 1.6749 x 10 la -27 kg.

Fiecare atom conţine de obicei cam atâţia neutroni cât şi protoni, dar diferiţi atomi specifici aceluiaşi element pot avea numere diferite de neutroni.

Atomii care diferă doar prin numărul de neutroni se numesc izotopi. De exemplu, cei mai mulţi atomi ai celui mai simplu element, hidrogenul, au un nucleu ce conţine un singur proton. Totuşi, în hidrogenul natural, 0.015% din atomi au un neutron în adiţie la proton. Izotopul se numeşte hidrogen greu sau deuteriu. Un element are de obicei câţiva izotopi, aproape toţi fiind identici în cursul unei reacţii chimice cu alte elemente dar şi cu fiecare dintre ei.

Structura si caracteristici:

Neutronul este sensibil mai greu decât protonul şi de 1.883 ori mai greu decât electronul. Este afectat de cele patru forţe fundamentale ale naturii. Deoarece are masă este afectat de gravitaţie, forţa de atracţie dintre toate obiectele universului. Deşi neutronul nu are încărcătură electrică el este uşor magnetic deci este afectat de forţa electromagnetică, forţa de atracţie sau respingere dintre particule magnetice sau încărcate electric. Acesta este afectat de puternica forţă nucleară, o atracţie care menţine neutronii alături de protoni şi de alţi neutroni în nucleu.Este de asemenea afectat de slaba forţă atomica, o interacţiune dintre componentele neutronului care-i cauzează descompunerea sau ruperea. Izolat de materia nucleară, un neutron liber se descompune intr-un electron încărcat pozitiv şi un electron încărcat negativ, eliberând în acest fel energie. Timpul mediu de existenţă a unui neutron liber este puţin mai mic de 15 minute.

Notiuni introductive

Nucleul atomic

2)Energia de legatura

În cele ce urmează vom considera nucleul în stare fundamentală (caracterizată prin energie internă minimă). Stările de energie superioară se numesc stări excitate.

Toate măsurătorile de masă (cu excepţia hidrogenului) au arătat că:

m(A,Z)< Zmp+(A-Z)mn

Noţiunea de nucleu a fost introdusă de Rutherford în urma experimentelor de difuzie a particulelor α pe foiţe metalice subţiri efectuate de Geiger şi Marsden, colaboratorii săi apropiaţi, între anii 1906 şi 1912, la Universitatea din Manchuster. Pentru a explica deviaţia mare a unor particule, în contradicţie cu modelul atomic Thomson, singurul existent la acea vreme, Rutherford emite în anul 1911 ipoteza că atomul are un „nucleu” cu dimensiuni mult mai mici decât ale atomului în care se concentrează peste 99% din masa atomului . În jurul nucleului, gravitează electronii atomici (ca într-un sistem solar în miniatură).

Definitie:

Nucleul atomului este o regiune foarte densa din centrul sau, constând din protoni si neutroni. Dimensiunea nucleului este mult mai mica decât dimensiunea atomului însusi. Totusi, masa unui atom este determinata în cea mai mare masura doar de masa protonilor si neutronilor si aproape fara nici o contributie din partea electronilor.

Raza nucleara poate fi aproximata prin: R = Ro* A1/3 unde A este numarul de masa si Ro = 1,2 fm.

Raza nucleului reprezinta 0,01% (1/10.000) din raza atomului. În felul acesta, densitatea nucleului este de 1012 ori mari mare decât densitatea atomului. Un cub solid cu latura de 1 mm umplut cu materie nucleara (nucleoni presati împreuna) ar avea o masa de 200.000 tone. Doar stelele neutronice au asemenea densitati.

- hidrogen, deuteron (stabili), tritiu + încă 4 izotopi instabili