Połowa ubiegłego wieku oznaczała narodziny nowej ery w historii ludzkości. Epoka kamienia została kiedyś zastąpiona przez epokę brązu, potem następowały kolejno okresy panowania żelaza, pary i elektryczności. Jesteśmy teraz na samym początku ery atomu. Nawet najbardziej powierzchowna wiedza z zakresu budowy jądra atomowego otwiera przed ludzkością niespotykane dotąd horyzonty.
Co wiemy o jądrze atomowym? Fakt, że stanowi 99,99% masy całego atomu i składa się z cząstek potocznie nazywanych nukleonami. Czym są nukleony, ile ich, czym są, teraz wie każdy licealista, który ma solidną czwórkę z fizyki.
Jak wyobrażamy sobie strukturę atomu
Niestety, niedługo pojawi się technika, która pozwoli Ci zobaczyć cząsteczki, z których składa się atom, jądro atomowe. Pytań o rozmieszczenie materii są tysiące, istnieje też wiele teorii dotyczących budowy cząstek elementarnych. Do tej pory teoria, żeodpowiada na większość pytań, czy planetarny model budowy atomu.
Według niego ujemnie naładowane elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra, utrzymywanego przez przyciąganie elektryczne. Czym są nukleony? Faktem jest, że jądro nie jest monolityczne, składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutronów - cząstek o zerowym ładunku. Są to cząstki, z których zbudowane jest jądro atomowe i zwyczajowo nazywa się je nukleonami.
Skąd wzięła się ta teoria, skoro cząstki są tak małe? Naukowcy doszli do wniosku na temat planetarnej struktury atomu, kierując wiązki różnych mikrocząstek na najcieńsze metalowe płytki.
Jakie są jego wymiary
Wiedza o budowie atomu nie będzie kompletna, jeśli nie wyobrazisz sobie jego elementów w skali. Jądro jest niezwykle małe, nawet w porównaniu z samym atomem. Jeśli wyobrazimy sobie atom, na przykład złoto, w postaci ogromnego balonu o średnicy 200 metrów, to jego rdzeń będzie po prostu… orzechem laskowym. Ale czym są nukleony i dlaczego odgrywają tak ważną rolę? Tak, choćby dlatego, że to w nich skoncentrowana jest cała masa atomu.
W gniazdach sieci krystalicznej atomy złota są rozmieszczone dość gęsto, więc odległość między sąsiednimi "orzechami" w przyjętej przez nas skali wyniesie około 250-300 metrów.
Proton
Naukowcy od dawna podejrzewali, że jądro atomu nie jest jakąś monolityczną substancją. Ogromnie uderzające były wielkości masy i ładunku, rosnące „krokowo” od jednego pierwiastka do drugiego. Logiczne było założenieże istnieją pewne cząstki o stałym ładunku dodatnim, z których „zbierane są jądra wszystkich atomów”. Ile dodatnio naładowanych nukleonów znajduje się w jądrze, to będzie jego ładunek.
Założenia dotyczące złożonej budowy jądra atomowego powstały już w okresie konstruowania przez Mendelejewa jego układu okresowego pierwiastków. Jednak techniczne możliwości eksperymentalnego potwierdzenia przypuszczeń nie istniały w tym czasie. Dopiero na początku XX wieku Ernest Rutherford przeprowadził eksperyment, który potwierdził istnienie protonu.
W wyniku narażenia na działanie substancji przez promieniowanie metali promieniotwórczych od czasu do czasu pojawiała się cząsteczka - kopia jądra atomu wodoru. Miał taką samą wagę (1,67 ∙ 10-27 kg) i ładunek atomowy +1.
Neutron
Wniosek o konieczności poszukiwania innej cząstki, zaocznie zwanej neutronem, przyszedł szybko. Ponieważ pytanie ile nukleonów znajduje się w jądrze i czym one są, polega na nierównomiernym wzroście masy i ładunku wraz ze zmianą liczby porządkowej pierwiastka. Rutherford przyjął założenie o istnieniu protonowego bliźniaka o zerowym ładunku, ale nie udało mu się potwierdzić swoich przypuszczeń.
Ogólnie rzecz biorąc, naukowcy jądrowi mieli już dobre pojęcie o tym, czym są nukleony i jaki jest skład ilościowy jąder atomowych. A nieuchwytna cząstka, ale eksperymentalnie przez nikogo nie odkryta, czekała na skrzydłach. Za jej odkrywcę uważa się Jamesa Chadwicka, któremu udało się wyizolować „niewidzialne” z substancji,poddanie go bombardowaniu jądrami helu przyspieszonymi do ultrawysokich prędkości (cząstki α). Masa cząstki, zgodnie z oczekiwaniami, okazała się równa masie odkrytego wcześniej protonu. Według współczesnych badań neutron jest nieco cięższy.
Trochę więcej o „cegłach” jądra atomowego
Oblicz, ile nukleonów w jądrze pierwiastka chemicznego lub jego izotopu jest łatwe. Wymaga to dwóch rzeczy: układu okresowego pierwiastków i kalkulatora, chociaż możesz obliczyć w swoim umyśle. Przykładem są dwa powszechne izotopy uranu: 235 i 238. Liczby te reprezentują masę atomową. Numer seryjny uranu to 92, zawsze oznacza ładunek jądra.
Jak wiesz, nukleony w jądrze atomu mogą być dodatnio naładowanymi protonami lub neutronami o tej samej masie, ale bez ładunku. Numer seryjny 92 oznacza liczbę w jądrze protonów. Liczba neutronów jest obliczana przez proste odejmowanie:
- - uran 235, liczba neutronów=235 – 92=143;
- - uran 238, liczba neutronów=238 – 92=146.
Ile nukleonów można połączyć jednocześnie? Uważa się, że na pewnym etapie życia gwiazd o wystarczającej masie, gdy reakcja termojądrowa nie jest już w stanie powstrzymać siły grawitacji, ciśnienie w trzewiach gwiazdy wzrasta tak bardzo, że „przykleja” elektrony do protony. W rezultacie ładunek staje się zerowy, a para proton-elektron staje się neutronem. Powstała materia, składająca się z „sprasowanych” neutronów, jest niezwykle gęsta.
Gwiazda ważąca w naszym Słońcu zamienia się w kulękilkadziesiąt kilometrów średnicy. Łyżeczka takiej „owsianki neutronowej” mogłaby ważyć na Ziemi kilkaset ton.
