Ατομικός πυρήνας

Γενικά Στοιχεία για τους πυρήνες

Ο πυρήνας είναι μία πολύ μικρή περιοχή στο κέντρο του ατόμου (αξίζει να σημειωθεί ότι οι διαστάσεις του πυρήνα είναι 5 τάξεις μεγέθους, δηλαδή 100.000 φορές μικρότερες από τις ατομικές διαστάσεις που είναι της τάξης των 10 − 10(m)), η οποία περιέχει σχεδόν το σύνολο της μάζας του ατόμου μιας και τα νουκλεόνια από τα οποία αποτελείται, δηλαδή, τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια και τα ηλεκτρικά ουδέτερα νετρόνια έχουν περίπου 1836 και 1838 φορές αντίστοιχα μεγαλύτερη μάζα από τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που κινούνται (μόνο την πιθανότητα εύρεσης ενός ηλεκτρονίου μπορούμε να γνωρίζουμε γύρω από τον πυρήνα, όπως καθορίζει η κβαντική μηχανική) γύρω του.
Οι πυρήνες δεν συμμετέχουν ενεργά στις χημικές αντιδράσεις, οι οποίες καθορίζονται από τα ηλεκτρόνια, εντούτοις, η έλξη των ηλεκτρονίων από τους πυρήνες των ατόμων παίζει καταλυτικό ρόλο στην πραγματοποίησή τους.
Πέραν τούτου, υπάρχουν άλλου είδους αντιδράσεις οι οποίες αλλάζουν την κατάσταση των πυρήνων, γνωστές ως πυρηνικές αντιδράσεις.

Πειραματική Ανακάλυψη Πυρήνα

Ο πειραματικός εντοπισμός του πυρήνα έγινε τυχαία από τον Rutherford. Το πείραμα έγινε για να επιβεβαιωθεί το μοντέλο του Thomson για το άτομο γνωστό και ως μοντέλο του σταφιδόψωμου κατά το οποίο το άτομο ήταν είχε αρνητικά φορτία (σταφίδες) ανακατεμένα με θετικά (ψωμί). Κατά αυτό το μοντέλο περίμενε ότι αν προσέπιπταν με μεγάλη ταχύτητα ηλεκτρόνια πάνω σε άτομα αυτά θα εκτρέπονταν (σκεδάζονταν) ελαφρώς από την πορεία του. Όμως, κατά το πείραμα είδε ότι κάποια ηλεκτρόνια είχαν πάρα πολύ μεγάλες αποκλίσεις και ότι ακόμα μερικά επέστρεφαν σχεδόν πίσω. Αυτό κατέδειξε την ύπαρξη ενός πυρήνα θετικού φορτίου.
Περισσότερα για το πείραμα του Rutherforf θα βρείτε στο άρθρο της ατομικής φυσικής.
Μάζα, όγκος και πυκνότητα

Θεωρώντας ότι ο πυρήνας είναι σχεδόν σφαιρικά συμμετρικός, η ακτίνα του οποίου εξαρτάται από τη μάζα (m) του η οποία εξαρτάται από τον συνολικό αριθμό των νουκλεονίων, δηλαδή τον μαζικό αριθμό(Α), που αυτός περιέχει κατά τρόπο: , κάτι που είναι απολύτως λογικό. Από πειράματα που έχουν γίνει έχει φανεί να ισχύει η σχέση:, όπου R0 = 1.2 * 10 − 15(m) μία εμπειρική σταθερά.


Ο όγκος (V) μίας σφαίρας υπολογίζεται ότι δίνεται από τη σχέση: , όπου r η ακτίνα της σφαίρας. Θεωρώντας, λοιπόν, τον πυρήνα μία σφαίρα, αυτός έχει όγκο: . Δηλαδή ισχύει ότι .


Άρα για την πυκνότητα του πυρήνα (d), ισχύει: , πράγμα που μας δείχνει ότι η πυκνότητα των πυρήνων είναι ίδια για όλους τους πυρήνες, πράγμα που ισχύει με πάρα πολύ καλή προσέγγιση και στην πραγματικότητα και προφανώς οφείλεται στο ότι τα νουκλεόνια δεν συμπιέζονται.


 Ενέργεια Σύνδεσης


 Ευστάθεια Πυρήνα


Πυρηνική Στροφορμή και Ευστάθεια Πυρήνα


Διάγραμμα Segre. Χρόνοι Ημιζωής των πυρήνων.Τα νουκλεόνια είναι σωματίδια με spin ίσο με και επομένως το μέτρο της στροφορμής του spin είναι: , όπου , όπου h η σταθερά του Planck, ενώ η z συνιστώσα της είναι: .
Επίσης τα νουκλεόνια μπορούν να έχουν και τροχιακή στροφορμή λόγω της κίνησής τους μέσα στον πυρήνα.
Η ολική στροφορμή του πυρήνα έχει μέτρο: και z συνιστώσα: , όπου mj = − j, − j + 1,...,j − 1,j. Όταν ο μαζικός αριθμός είναι άρτιος τότε το j είναι ακέραιος, ενώ όταν είναι περιττός το j είναι ημιπεριττός. Οι πυρήνες με άρτιο αριθμό πρωτονίων και άρτιο αριθμό νετρονίων έχουν ολική στροφρμή ίση με μηδέν πράγμα που υποδηλώνει μία ευστάθεια των πυρήνων αυτών.


Ευστάθεια Πυρήνα και Πυρηνική Δύναμη
Τα νουκλεόνια συγκρατούνται μεταξύ τους λόγω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης (ελκτική δύναμη) η οποία έχει μικρή εμβέλεια, αλλά πολύ μεγάλη ισχύ και έτσι υπερνικά τις απωστικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων και κατά αυτόν το τρόπο επιτρέπεται η ύπαρξη του πυρήνα. Λόγω ακριβώς της μικρής, όμως, εμβέλειας που έχει η ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν μπορεί να καταστήσει ευσταθή έναν πυρήνα που είναι πολύ μεγάλος. Ο μεγαλύτερος πυρήνας που έχει ποτέ παρατηρηθεί και ήταν απολύτως ευσταθής είναι ο μόλυβδος 208 (208Pb).
Θεμελιώδεις Δυνάμεις
Δύναμη Σχετική Ισχύς Εμβέλεια (m) Σωμάτιο Αλληλεπίδρασης
Ισχυρή Πυρηνική 1 10 - 15 Γκλουόνιο, πι
Ηλεκτρομαγνητική Φωτόνιο
Ασθενής Πυρηνική 10 - 6 10 - 18 W + ,W − ,Z0
Βαρύτητα 6 * 10 − 38 Βαρυτόνιο(;) - Δεν έχει ανακαλυφθεί
Ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα που δείχνει την ευστάθεια των πυρήνων είναι το λεγόμενο διάγραμμα Segre. Συνήθως αυτό είναι ένα διάγραμμα στου οποίου τον οριζόντιο άξονα τοποθετείται ο ατομικός αριθμός (Ζ) και στον κατακόρυφο ο αριθμός των νετρονίων (Ν) και όπου απεικονίζονται όλοι οι ανακαλυφθέντες πυρήνες. Σε αυτό το διάγραμμα παρατηρούμε ότι οι περισσότεροι πυρήνες είναι πάνω από την ευθεία N = Z (πάνω στην οποία θα έπρεπε να ήταν σχεδόν όλοι -αν όχι- όλοι οι πυρήνες στην περίπτωση που ΔΕΝ υπήρχαν οι ηλεκτρικές απωστικές δυνάμεις μεταξύ των πρωτονίων). Από όσα ήδη είπαμε για τις δυνάμεις στον πυρήνα, καταλαβαίνουμε ότι αυτό ισχύει για τους εξής δύο λόγους:
1.όσο μεγαλύτερος είναι ο ατομικός αριθμός (απωστικές δυνάμεις) τόσο πρέπει να αυξάνεται και ο αριθμός των νετρονίων (ελκτικές δυνάμεις) και
2.λόγω της περιορισμένης εμβέλειας της ισχυρής πυρηνικής (ελκτικής) δύναμης πρέπει να είναι μεγαλύτερος ο αριθμός των νετρονίων από τον ατομικό.
Στα υπόλοιπα μέρη του διαγράμματος Segre οι πυρήνες δεν είναι ευσταθείς για αυτό και δεν απεικονίζονται. Στην διπλανή εικόνα στην κάτω από της προαναφερθείσα ευθεία περιοχή οι πυρήνες διασπώνται λόγω της ηλεκτρομαγνητικής άπωσης, στην περιοχή Z μεγαλύτερου από 82 λόγω πολύ μεγάλης μάζας εκπέμποντας σωματίδια α και στη περιοχή πάνω από την ευθεία λόγω των πολλών νετρονίων που προκαλούν διάσπαση εκπέμποντας σωματίδια β. Κάτι ακόμα που παρατηρούμε είναι ότι μόνο τέσσερις πυρήνες έχουν περιττό αριθμό πρωτονίων και περιττό αριθμό νετρονίων και αυτό οφείλεται στην αστάθεια αυτού του είδους των πυρήνων, όπως αναφέρθηκε ήδη στην παράγραφο "Πυρηνική Στροφορμή και Ευστάθεια Πυρήνα".