Jądro atomowe

Jądro atomowe
[edytuj]
Z Wikipedii
Skocz do: nawigacji, szukaj
Atom helu (zacieniowany obszar) i jego jądro (powiększenie), czerwone - protony, neutrony - niebieskie.
1
Jądro atomowe to centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądro stanowi niewielką
część objętości całego atomu, jednak to w jądrze skupiona jest prawie cała masa. Przemiany jądrowe mogą prowadzić do powstawania
ogromnych ilości energii. Niewłaściwe ich wykorzystanie moŜe stanowić zagroŜenie dla środowiska.
Spis treści
[ukryj]
•
•
•
•
•
1 Fizyka jądra atomowego
o 1.1 Oznaczanie
o 1.2 Jądro atomowe a atom
o 1.3 Siły jądrowe
2 Modele budowy jądra
o 2.1 Model kroplowy
o 2.2 Model powłokowy
o 2.3 Modele kolektywne
3 Jądra trwałe i nietrwałe
o 3.1 Przemiany jądrowe
o 3.2 Efekty kwantowe
o 3.3 Jądra atomowe w astronomii
4 Zastosowania praktyczne
o 4.1 Energetyka jądrowa
o 4.2 Broń jądrowa
o 4.3 Medycyna nuklearna
o 4.4 Diagnostyka medyczna
o 4.5 Ciemna strona
5 Historia
2
Fizyka jądra atomowego [edytuj]
Oznaczanie [edytuj]
Jądra atomowe oznacza się takim samym symbolem, jak pierwiastek chemiczny odpowiadający temu jądru, dodatkowo na dole umieszcza się
liczbę atomową (Z), a u góry liczbę masową (A), dla przykładu jądro atomowe o 11 protonach i 12 neutronach, jest jądrem atomu sodu i
oznaczamy je symbolem:
.
Jądro atomowe a atom [edytuj]
Własności jądra są determinowane poprzez liczbę znajdujących się w nim nukleonów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra.
Wielkość tego ładunku wyznacza moŜliwe konfiguracje elektronów otaczających jądro, z moŜliwych konfiguracji elektronów wynikają
moŜliwości łączenia się atomów z sobą, a tym samym ich własności chemiczne.
Liczba protonów w jądrze, czyli jego liczba atomowa, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest ten atom. Atomy posiadające jądra o
tej samej liczbie protonów, ale róŜnej neutronów nazywa się izotopami.
O przebiegu reakcji chemicznych decyduje układ elektronów wokół jądra, który jest determinowany wyłącznie liczbą protonów w jądrze. W
reakcjach jądrowych waŜna staje się nie tylko liczba protonów, ale równieŜ liczba neutronów. Liczba neutronów ma teŜ jednak pewien wpływ na
przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy.
Siły jądrowe [edytuj]
Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty są równowaŜone przez oddziaływanie silne
między nukleonami. Oddziaływania silne działają jednak tylko na bardzo krótkich dystansach, zbliŜonych do rozmiarów samych jąder. Przy
większych odległościach przewaŜają siły odpychania elektrycznego.
3
Modele budowy jądra [edytuj]
Jądra atomowe bada się analizując samorzutne rozpady oraz rozpraszając na jądrach cząstki (promieniowanie gama, elektrony, neutrony, protony
itp.), na podstawie charakterystyki rozpraszania. Stwierdzono, Ŝe większość jąder ma kształt zbliŜony kuli, a niektóre są owalne. Gęstość
obszarów wewnątrz jąder jest jednakowa i szybko spada do zera w odległości od środka, którą określamy jako promień jądra.
Jądra mają rozmiary rzędu 10-14 – 10-15 m, co stanowi około 1/100000 rozmiaru atomu. Jednak to w jądrze skupione jest ponad 99,9% masy
atomu. Istnieje prosta zaleŜność pozwalająca oszacować rozmiary jąder atomowych z wyjątkiem kilku najlŜejszych pierwiastków:
gdzie: R - promień jądra, m - metr.
Wzór ten wynika z załoŜeń modelu kroplowego.
Model kroplowy [edytuj]
Jednym z pierwszych modeli budowy jądra był model kroplowy. Zakłada on, Ŝe nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy i w
związku z tym własności jądra jako całości powinny być podobne do własności kropli cieczy. Mikroskopowe oddziaływania, oddziaływanie
silne jądrowe oraz siły elektrostatyczne są w tym modelu przedstawiane przez analogię do sił lepkości i napięcia powierzchniowego.
NajwaŜniejszym załoŜeniem modelu jest to, Ŝe jądra są kuliste. Przez analogię do energii kropli cieczy oblicza się w tym modelu energię
wiązania jąder atomowych z uwzględnieniem poprawki na wysycanie się sił jądrowych wraz z sześcianem odległości. Otrzymane w ten sposób
wzory przewidują stałą energię wiązania na jeden nukleon dla jąder lekkich i mniejszą dla jąder o duŜej masie. Prowadzi to do wniosku, Ŝe w
duŜych jądrach moŜe następować rozdzielenie się na dwa fragmenty, co wyjaśnia zjawiska rozszczepienia jąder atomowych cięŜkich
pierwiastków. Model ten jest bardzo przybliŜony i nie wyjaśnia wszystkich własności jąder.
Model powłokowy [edytuj]
4
Powłokowy model jądra atomowego powstał na zasadzie analogii do powłokowego modelu atomu i zgodnie z obserwacjami poziomów
wzbudzenia jąder atomowych zakłada Ŝe, nukleony nie mogą wewnątrz jądra przyjmować dowolnych stanów energetycznych, lecz tylko te
zgodne z energiami kolejnych powłok. KaŜdą powłokę moŜe zajmować określona liczba nukleonów. Kiedy zostanie ona wypełniona, energia
wiązania dla pierwszego nukleonu na kolejnej powłoce jest wyraźnie mniejsza. Model zakłada, Ŝe nukleony poruszają się w jądrze prawie
niezaleŜnie, a oddziaływanie nukleonu z pozostałymi nukleonami moŜna zastąpić oddziaływaniem tego nukleonu ze średnim polem działającym
na niego. W modelu naleŜy określić rozkład pola w jądrze, tak by poziomy wzbudzeń jądra odpowiadały danym doświadczalnym.
Model wyjaśnia odstępstwa energii wiązania jąder od energii określonej w modelu kroplowym. Wyjaśnia teŜ istnienie ”liczb magicznych”: 2, 8,
20, 28, 50, 82, 126 dla których jądra atomowe są najstabilniejsze. JeŜeli jądro ma jeden nukleon mniej lub więcej, to energia wiązań jest w nim
wyraźnie mniejsza.
Ciekawą cechą modelu powłokowego jądra jest istnienie oddzielnych powłok dla neutronów i protonów. JeŜeli jednocześnie zarówno liczba
neutronów jak i liczba protonów jest równa liczbie magicznej, to jądro jest “podwójnie magiczne” (np. Hel) i cechuje je wyjątkowa trwałość.
Wartości liczby magicznych są pewne tylko do 82. Istnieją hipotezy, według których liczby 126 i 184 są magiczne dla neutronów, a 114 dla
protonów.
Jednym z postulatów wynikających z powłokowego model jądra atomowego jest istnienie wyspy stabilności. Fizycy jądrowi wysunęli hipotezę,
Ŝe jądra o liczbach atomowych powyŜej 184 mogą mieć znacznie większe okresy półrozpadu od większość transuranowców. Najnowsze badania
nad syntezą jąder o liczbie atomowej 116 wskazują na zwiększającą się ich trwałość([1]).
Model powłokowy odnosi się równieŜ do zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. ZauwaŜono zaleŜność poziomów energetycznych jąder
o spinie połówkowym od natęŜenia zewnętrznego pola magnetycznego.
Modele kolektywne [edytuj]
Modele te zakładają, Ŝe nie wszystkie zjawiska jądrowe da się wytłumaczyć jako oddziaływanie nukleonów. Według tych modeli nukleony
łącząc się w grupy tworzą nowe cząstki wewnątrz jądra. Jednym z tego rodzaju modeli jest koncepcja bozonów (en. interacting boson model,
IBM). Opiera się ona na analogii do zjawisk kwantowych występujących w nadprzewodnikach. Cząstki elementarne łączą się w pary uzyskując
nowe własności. Neutrony mają łączyć się z protonami i oddziaływać jako jeden bozon z całkowitym spinem 0, 2 lub 4. Istnieją dwa warianty
tego modelu, czyli IBM-I i IBM-II.
5
Jądra trwałe i nietrwałe [edytuj]
Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania między tworzącymi je nukleonami. Większość jąder atomowych o
liczbie atomowej od 1 (wodór) aŜ do 83 (bizmut) posiada trwałe izotopy. CięŜsze pierwiastki zawsze są nietrwałe, jednak ich okresy półrozpadu
są tak duŜe, Ŝe moŜna znaleźć je w naturze. NajcięŜszym z tych pierwiastków jest posiadający liczbę atomową 94 pluton. CięŜsze pierwiastki nie
występują na Ziemi, jednak moŜna je sztucznie wytworzyć w akceleratorach cząstek. NajcięŜszym obecnie uzyskanym jest pierwiastek o liczbie
atomowej 118, o nazwie Ununoctium, który jest "ostatnim moŜliwym" gazem szlachetnym i który został otrzymany w 1999 r. w liczbie kilkuset
atomów, przez naukowców z Uniwersytetu Berkeley, w USA.
Trwałość jądra moŜna przewidzieć na podstawie energii wiązania, którą da się wyznaczyć doświadczalnie porównując masę jądra z masą
składników hipotetycznego rozpadu (niedoboru masy). Porównując masę jądra z masą hipotetycznych produktów rozpadu moŜna określić
energię, która wydzieliłaby się podczas oderwania od jądra określonej cząstki (protonu, neutronu, elektronu, pozytonu, cząstki alfa). Jeśli energia
wyrwania cząsteczki jest większa od zera, to taka reakcja zazwyczaj zachodzi. Jeśli energia jest mniejsza od zera to reakcja nie zachodzi, a jądro
jest trwałe. Zakładając kształt bariery potencjału (przewidziany na podstawie czasu rozpadu znanych atomów) moŜna oszacować czas rozpadu.
Dla średnich i cięŜkich jąder energia wiązania jest wprost proporcjonalna do liczby nukleonów. Wzrost liczby nukleonów o jeden powoduje
zwykle podniesienie energii o 7-8 MeV. Prawo to jest zachowane dla jąder w zakresie liczb masowych od 30 do 70 nukleonów. Potem następuje
wyraźne odejście od tej zaleŜności. Energie wiązania cięŜszych jąder są w efekcie mniejsze niŜby to wynikało z liczby nukleonów.
Jądra z parzystą ilością neutronów i protonów (parzysto-parzyste) cechują się największą trwałością i moŜna je odnaleźć na Ziemi w znacznych
ilościach. Jądra z nieparzystą liczbą protonów lub neutronów (parzysto-nieparzyste) są juŜ duŜo mniej trwałe. Nieparzysta liczba protonów i
neutronów powoduje nietrwałość jąder, choć od tej reguły są wyjątki (np: jądro wodoru). Zjawisko to wyjaśnia model powłokowy jądra
atomowego.
6
Przemiany jądrowe [edytuj]
Zobacz więcej w osobnym artykule: Przemiana jądrowa.
Powstałe w naturze jądra atomowe podlegają przemianom zwanym przemianami jądrowymi. Przemiany jądrowe mogą być samorzutne (jądra
nietrwałe ulegają rozpadowi) albo są inicjowane przez dostarczenie energii do jądra. Jądro posiadające wyŜszą energię niŜ podstawowe jądro
nazywa się jądrem wzbudzonym. Oznacza to, Ŝe zmiana jądra moŜe być zainicjowana w dwóch następujących przypadkach:
•
•
pochłonięcia cząstki elementarnej,
pobudzenie do wyŜszego stanu kwantowego przez cząstki niosące energię.
Reakcje takie mogą mieć miejsce pomiędzy jądrem, a neutronami, neutrinami czy innymi jądrami atomowymi. Przemiany jądrowe nie podlegają
wszystkim zasadom zachowania. Ze względu na duŜą ilość energii przypadającej na jednostkę masy w przemianach jądrowych nie jest
zachowana masa (tak jak w mechanice klasycznej) zachowana jest jednak suma energii i materii, co jest zgodne z równaniem Einsteina:
E = mc2,
gdzie E – energia, m – masa, c – prędkość światła w próŜni.
Energia wydziela się w postaci promieniowania elektromagnetycznego (gamma) oraz emisji cząstek (jąder helu, elektronów, protonów,
neutronów i neutrin) często o duŜych energiach. Proces rozpadu wielu jąder atomowych prowadzi do powstania promieniowania jonizującego o
duŜym natęŜeniu.
Przemiany jądrowe zapisuje się przez analogię do reakcji chemicznych np.
7
Jądro atomu sodu o liczbie masowej 24 i liczbie atomowej 11 (
atomowej 12 (
) przechodzi w jądro atomu magnezu o liczbie masowej 24 i liczbie
), przy czym zachodzi emisja elektronu (e-) oraz neutrina elektronowego (νe).
8
Efekty kwantowe [edytuj]
Jądra atomowe moŜna w wielkim uproszczeniu traktować jako wirujące ciała naładowane elektrycznie. W kategoriach mechaniki kwantowej
"wirowanie" to określa się terminem spinu i opisuje przy pomocy rachunku tensorowego.
Jądra o parzystej liczbie atomowej mają w stanie podstawowym spin całkowity, a o nieparzystej połówkowy. Spin jąder o parzystej liczbie
protonów i neutronów w stanie podstawowym jest równy zero. Jądra w stanie wzbudzonym mogą mieć spin większy od stanu podstawowego.
Opis pola magnetycznego jądra nie jest pełny, jeŜeli nie uwzględni się jego własności kwantowych. W takiej sytuacji pole magnetyczne jądra
staje się superpozycją wielu pól odpowiadającym poszczególnym stanom kwantowym. DuŜe znaczenie mają tu liczby neutronów i liczby
protonów w jądrze. JeŜeli są one nieparzyste, to spin jądra staje się połówkowy.
Zgodnie z klasycznymi prawami Maxwella obiekt tego typu generuje pole magnetyczne. PrzyłoŜenie zewnętrznego pola magnetycznego
powinno spowodować w takiej sytuacji ustawienie się wektora spinów jąder atomowych zgodnie z wektorem pola. Jednak spin jąder nie jest
prostym wirowaniem mechanicznym, lecz złoŜonym zjawiskiem kwantowym, co powoduje, Ŝe jądra w polu magnetycznym ulegają zjawisku
precesji.
Orientacja biegunów pola magnetycznego dla jąder atomowych jest przewaŜnie przypadkowa. Gdy do jąder atomowych o spinie połówkowym
przyłoŜymy zewnętrzne pole magnetyczne, to nie będą one mogły ustawić się, ani zgodnie z wektorem pola magnetycznego, ani w przeciwnym
kierunku. Jądra ustawione niezgodnie z wektorem zewnętrznego pola magnetycznego, będą zajmować określone kwantowe stany energetyczne.
JeŜeli przyłoŜone pole magnetyczne oscyluje zgodnie z częstotliwością precesji, to jądra atomowe wzmacniają to pole, co prowadzi do zjawiska
magnetycznego rezonansu jądrowego, przydatnego w technikach analitycznych stosowanych w chemii i medycynie.
W kategoriach mechaniki kwantowej częstotliwość oscylacji pola magnetycznego określa energię tworzących je fotonów. Gdy ta energia będzie
zgodna z róŜnicą kwantowych stanów energetycznych jąder, to ich pola magnetyczne będą przechodzić do stanu wzbudzonego. W stanie
wzbudzonym superpozycja stanów kwantowych pól magnetycznych jądra doprowadzi do obrócenia się wynikowego wektora pola
magnetycznego.
9
Przejście na wyŜszy poziom energetyczny, będzie oznaczać, Ŝe następnie jądra atomowe będą powracać do stanu podstawowego Spowoduje to
emisję fotonów. Ich energia będzie zgodna z fotonami wywołującymi pobudzenie. Oznaczać to będzie emisję takich samych fotonów, jak te
wywołujące pobudzenie. JeŜeli energia fotonów zewnętrznego pola magnetycznego zostania odpowiednio dobrana do własności kwantowych
jąder atomowych, to pojawi się zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego.
MoŜe się wydawać, Ŝe opisy rezonansu jądrowego w mechanice klasycznej i kwantowej są skrajnie róŜnie. Jednak w większość przypadków
obliczone na podstawie tych modeli zachowanie jąder atomowych jest podobne. W praktyce podczas pomiarów wykorzystuje się oba opisy
matematyczne dla zwiększenia dokładności czujników.
Cząstki elementarne budujące jądro atomowe w fizyce kwantowej są opisywane czasami poprzez wartość izospinu. Według pewnych koncepcji
neutron i proton to dwa warianty tej samej cząstki róŜniącej się właśnie izospinem. Jest to podejście analogiczne do traktowania spinu
elektronów zajmujących róŜne powłoki w atomie.
Jądra atomowe w astronomii [edytuj]
Występujące we wszechświecie jądra atomowe powstają podczas:
•
•
•
wielkiego wybuchu (wodór z niewielką domieszką helu),
reakcji syntezy jądrowej wewnątrz gwiazd (pierwiastki lŜejsze od Ŝelaza włącznie),
eksplozji supernowych (cięŜsze od Ŝelaza).
Wszystkie istniejące na Ziemi pierwiastki cięŜsze od helu powstały podczas Ŝycia gwiazdy, która potem eksplodowała jako supernowa. W
obłoku, który utworzył się z rozwianej w ten sposób materii, narodziło się Słońce oraz nasz układ planetarny.
Wiedza na temat przemian jądrowych jest podstawą astrofizyki. Dynamika reakcji jądrowych zachodzących w gwiazdach decyduje o ich losie.
Wiek gwiazdy oraz pochodzenie budującego ją materiału moŜna określić na podstawie ilości zawartych w niej róŜnych rodzajów jąder
atomowych. Podczas swojego Ŝycia gwiazdy przekształcają lŜejsze jądra atomowe w cięŜsze. RóŜnica masy tych jąder jest głównym źródłem
energii gwiazd. Słońce jest napędzane reakcją syntezy helu z budującego jądro gwiazdy wodoru. Kiedy to paliwo się wyczerpie, Słońce
pochłonie Ziemię i zamieni się w białego karła.
Radioastronomowie zaobserwowali szczególny rodzaj gwiazd, które mogą przypominać wielkie jądra atomowe. Są to gwiazdy neutronowe.
Grawitacja jest w nich tak silna, Ŝe jądra atomów łączą się tworząc jeden wielki konglomerat. Własności tych egzotycznych obiektów, nie są
10
dokładnie znane. Wiadomo, Ŝe niektóre gwiazdy neutronowe mają niezwykle silne pole magnetyczne. JeŜeli gwiazdy te wirują, to stają się
źródłem potęŜnego promieniowania radiowego, które radioastronomowie obserwują w postaci pulsarów.
Jądra wodoru (protony) oraz helu (czyli jony He2+) są obecne w stanie wolnym w kosmosie, a poruszające się z prędkością bliską c wchodzą w
skład promieniowania kosmicznego.
Zastosowania praktyczne [edytuj]
Energetyka jądrowa [edytuj]
Energetyka jądrowa pozwala na praktyczne wykorzystanie procesu rozpadu jąder atomowych. Uwolniona energia moŜe słuŜyć do rozgrzewania
pary napędzającej turbiny. W technice kosmicznej wykorzystuje się zasilacze izotopowe w sondach kosmicznych badających zewnętrzne planety
Układu Słonecznego. Izotopy promieniotwórcze znalazły teŜ zastosowanie w czujnikach dymu.
Broń jądrowa [edytuj]
Obłok dymu po wybuchu bomby atomowej nad Hirosimą
11
Zjawisko rozpadu jąder stosuje się równieŜ w broni jądrowej, a zjawisko syntezy jądrowej jest podstawą działania bomby wodorowej. Pierwszy
raz uŜyto broni jądrowej podczas II wojny światowej. Dnia 6 sierpnia 1945 roku USA zrzuciły bombę atomową na japońskie miasto Hiroshima.
W ułamku sekundy ponad 200-tysięczne miasto zostało zamienione w morze ruin. Zginęło ponad 80 tysięcy ludzi. Wielu innych przez całe lata
walczyło ze skutkami choroby popromiennej.
Wynalezienie broni atomowej doprowadziło po wojnie do wybuchu zimnej wojny. USA i ZSRR rozpoczęły budowę ogromny arsenałów broni
jądrowej. Do lat 70. wyprodukowano tyle głowic, Ŝe obie strony mogły zabić wszystkich swoich wrogów kilka razy. Reaktory jądrowe
wykorzystano do budowy atomowych okrętów podwodnych, które stały się kolejnym nośnikiem broni masowej zagłady. W roku 1962 świat
stanął najbliŜej atomowej apokalipsy, kiedy ZSRR umieściło swoje głowice na Kubie. Jednak konflikt kubański udało się rozwiązać dzięki
nawiązaniu współpracy pomiędzy prezydentem USA Kennedym oraz premierem ZSRR Chruszczowem.
Gdy 1991 roku ZSRR się rozpadło, zimna wojna została zakończona. Jednak po tym gorącym okresie pozostały ogromne magazyny broni
jądrowej. Kiedy 11 września roku 2001 terroryści zniszczyli WTC pojawiło się zagroŜenie wykorzystaniem tych magazynów przez islamskich
radykałów. Al Kaida podjęła wysiłki, aby zdobyć bomby atomowe lub tylko materiały radioaktywne. Przedstawiciele zachodnich krajów
postanowili przeciwdziałać tym zamierzeniem. Obawiano się, Ŝe w europejskich czy amerykańskich miastach moŜe znaleźć się brudna bomba,
która wywoła skaŜenie napromieniowując znaczą liczbę ludzi.
Medycyna nuklearna [edytuj]
W radioterapii wykorzystuje się promieniowanie wysyłane przez jądra atomowe do niszczenia komórek nowotworowych. Przykładem mogą być
bomby kobaltowe wykorzystywane jako źródło promieniowania gamma. Najnowsza technika radioterapii opiera się na akceleratorach cząstek.
Rozpędzają one cząstki elementarne naładowane elektrycznie bądź jony do prędkości podświetlnych. Tak wytworzona wiązka promieniowania
moŜe zostać skupiona na niewielkim fragmencie ciała, gdzie znajduje się nowotwór. Właściwości rozpędzonych jonów sprawiają, Ŝe moŜliwe
jest ich przenikanie do głębiej połoŜonych partii ciała, bez niszczenia warstw powierzchniowych. W Polsce w Świerku niedaleko Warszawy
znajduje się reaktor atomowy Maria, który pozwala na wytwarzanie izotopów promieniotwórczych wykorzystywanych w medycynie.
12
Diagnostyka medyczna [edytuj]
fMRI - obraz mózgu
Techniki jądrowe wykorzystuje się w diagnostyce medycznej. Dziedzina nauki zajmująca się tego typu badaniami to radiologia. Izotopy
promieniotwórcze mają szerokie zastosowania diagnostyczne oraz naukowe. Izotopy promieniotwórcze wprowadza się do badanego organizmu i
mierzy się promieniowanie, w ten sposób moŜna określić rozprzestrzenianie się danego pierwiastka w organizmie. JeŜeli teraz wykonany
zostanie pomiar promieniowania poszczególnych partii ludzkiego ciała, moŜna w ten sposób uzyskać obraz normalnie niewidocznych struktur
anatomicznych.
Dodatkowo wykorzystanie promieniotwórczych znaczników pozwala na obrazowanie procesów fizjologicznych organizmu. Przykładem moŜe
być tutaj zwierająca izotop radioaktywny glukoza. Po jej podaniu cukier zbiera się w tkankach o największym metabolizmie. Emitowane przez
radioizotop pozytony mogą być rejestrowane w odpowiednim czujniku. W ten sposób da się określić miejsce, gdzie znajduje się ognisko raka lub
stwierdzić, jakimi czynnościami zajmuje się w tej chwili kresomózgowie pacjenta.
Najpopularniejsze metody diagnostyki medycznej oparte na technice jądrowej:
•
•
•
•
tomografia komputerowa osiowa (ang. computed tomography, CT, computed axial tomography, CAT)
tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości (ang. high resolution computed tomography, HRCT)
spiralna tomografia komputerowa (ang. spiral computed tomography, sCT),
magnetyczny rezonans jądrowy (ang. nuclear magnetic resonance NMR, magnetic resonanse imaging, MRI),
13
•
pozytonowa tomografia emisyjna (ang. positron emission tomography, PET).
Wykorzystanie wszystkich tych technik pozwala na szybkie i precyzyjne diagnozowanie wielu powaŜnych uszkodzeń organów wewnętrznych.
Obserwacja fizjologii ludzkiego ciała przyczynia się teŜ do postępu w badaniach nad człowiekiem. Dzięki moŜliwości "podglądania" ludzkiego
mózgu podczas pracy naukowcy stają o krok bliŜej do zrozumienia fenomenu inteligencji. Z wyjątkiem magnetycznego rezonansu jądrowego
kaŜda z technik radiologicznych wiąŜe się z napromieniowaniem pacjenta. Oznacza to, Ŝe w przypadku kumulacji dawki promieniowania
jonizującego mogą pojawić się skutki uboczne. Istnienie tych skutków ubocznych nie moŜe być bagatelizowane, ale obecnie przewaŜa strach
przed kaŜdym rodzajem promieniowania nawet w najmniejszych dawkach, które są uŜywane w diagnostyce.
Ciemna strona [edytuj]
Znak ostrzegający przed skaŜeniem radioaktywnym
Ubocznym skutkiem wykorzystania technologii nuklearnej moŜe się stać uwolnienie do środowiska naturalnego substancji zawierających
nietrwałe jądra czyli odpadów promieniotwórczych, a wywołane nimi zanieczyszczenie środowiska to skaŜenie radioaktywne. SkaŜenie
promieniotwórcze jest bardzo trudne do usunięcia, gdyŜ izotopy promieniotwórcze danego pierwiastka, tylko bardzo nieznacznie róŜnią się
chemicznie i fizycznie od izotopów trwałych. Podczas pracy reaktorów jądrowych powstają bardzo radioaktywne odpady. Ich promieniowanie
jest tak silne, Ŝe bez chłodzenia rozgrzewają się. Odpady z elektrowni jądrowych trzeba przez kilka lat przechowywać w pobliŜu elektrowni,
gdyŜ ich transport jest zbyt niebezpieczny, następnie są w specjalnych zakładach przetwarzane w celu odzyskania cennych izotopów, a
pozostałości zostają złoŜone w mogilniku, zapobiegającym wydostaniu się promieniotwórczych substancji do środowiska.
Podczas budowy pierwszej broni jądrowej oraz przez cały okres jej gromadzenia państwa posiadające głowice nuklearne dokonywały wielu prób
tej broni. Próby te polegały zwykle na detonacji głowic próbnych w rozmaitych warunkach: wykonywano próbne detonacje pod ziemia, na ziemi
14
i w powietrzu oraz w stratosferze. Ubocznym efektem tych prób było uwolnienie do środowiska duŜej ilości materiałów promieniotwórczych co
znacząco podwyŜszyło promieniowanie naturalne. Średnie roczne, na obszarze Europy, skaŜenie promieniotwórcze wynikające z awarii w
Czarnobylu stanowiło zaledwie 1% promieniowania "naturalnego".
Przetwarzanie odpadów radioaktywnych wywołuje w Europie bardzo burzliwe protesty ruchów zielonych. Podczas przewozu kontenerów z
utylizowanym paliwem przez Niemcy więcej kosztuje organizacja kordonów policji broniącej odpady przed ekologami niŜ sam transport. W
latach 80. w Polsce w śarnowcu budowano elektrownię jądrową. Jednak protesty okolicznej ludności i "ekologów" spowodowały zarzucenie
projektu. Poprawnie przeprowadzony proces utylizacji odpadów radioaktywnych nie powoduje skaŜenia środowiska. Więcej radioaktywnych
odpadów wyrzucają do otoczenia elektrownie węglowe niŜ jądrowe, popiół ze spalania węgla zawiera spore ilości pierwiastków radioaktywnych,
a jest składowany na wolnym powietrzu.
Historia [edytuj]
Istnienie jądra atomowego zostało pierwszy raz eksperymentalnie stwierdzone przez fizyka E. Rutherforda w 1911 roku. Rutherford
bombardował złotą folię dodatnio naładowanymi cząstkami alfa. Badając rozkład kątowy promieniowania rozproszonego na folii doszedł do
wniosku, Ŝe cały dodatni ładunek i masa atomu skupione są w bardzo niewielkiej objętości nazwanej później jądrem atomowym.
Źródło: "http://pl.wikipedia.org/wiki/J%C4%85dro_atomowe"
Kategorie: Fizyka jądrowa • Chemia
•
•
•
•
•
Tę stronę ostatnio zmodyfikowano 17:28, 27 kwi 2008.
Tekst udostępniany na licencji GNU Free Documentation License. (patrz: Prawa autorskie)
Wikipedia® jest zarejestrowanym znakiem towarowym Wikimedia Foundation. MoŜesz przekazać dary pienięŜne Fundacji Wikimedia.
Zasady ochrony prywatności
O Wikipedii
Informacje prawne
15
Atomic nucleus
From Wikipedia, the free encyclopedia
• Interested in contributing to Wikipedia? •
Jump to: navigation, search
The nucleus of an atom is the very small dense region of an atom, in its center consisting of nucleons (protons and neutrons). The size (diameter)
of the nucleus is in the range of 1.6 fm (10-15 m) (for a proton in light hydrogen) to about 15 fm (for the heaviest atoms, such as uranium). These
dimensions are much smaller than the size of the atom itself by a factor of about 23,000 (uranium) to about 145,000 (hydrogen). Almost all of the
mass in an atom is made up from the protons and neutrons in the nucleus with a very small contribution from the orbiting electrons. The
etymology of the term nucleus is from 1704 meaning “kernel of a nut”. In 1844, Michael Faraday used the term to refer to the “central point of an
atom”. The modern atomic meaning was proposed by Ernest Rutherford in 1912.[1] The adoption of the term “nucleus” to atomic theory,
however, was not immediate. In 1916, for example, Gilbert N. Lewis stated, in his famous article The Atom and the Molecule, that “the atom is
composed of the kernel and an outer atom or shell”.
16
A semi-accurate depiction of the helium atom. In the nucleus, the protons are in red and neutrons are in blue. In reality, the nucleus is also
spherically symmetrical.
Contents
[hide]
•
•
•
•
1 Introduction
o 1.1 Nuclear makeup
o 1.2 Isotopes and nuclides
2 History
3 Modern nuclear physics
4 Modern topics in nuclear physics
o 4.1 Spontaneous changes from one nuclide to another: nuclear decay
o 4.2 Nuclear fusion
17
4.3 Nuclear fission
4.4 Production of heavy elements
5 See also
6 References
7 External links
o
o
•
•
•
[edit] Introduction
[edit] Nuclear makeup
The nucleus of an atom consists of protons and neutrons (two types of baryons) bound by the nuclear force. These baryons are further composed
of sub-atomic fundamental particles known as quarks bound by the strong interaction.
[edit] Isotopes and nuclides
The isotope of an atom is determined by the number of neutrons in the nucleus. Different isotopes of the same element have very similar
chemical properties. Different isotopes in a sample of a particular chemical can be separated by using a centrifuge or by using a mass
spectrometer. The first method is used in producing enriched uranium from a sample of regular uranium, and the second is used in carbon dating.
The number of protons and neutrons together determine the nuclide (type of nucleus). Protons and neutrons have nearly equal masses, and their
combined number, the mass number, is approximately equal to the atomic mass of an atom. The combined mass of the electrons is very small in
comparison to the mass of the nucleus, since protons and neutrons weigh roughly 2000 times more than electrons.
[edit] History
The discovery of the electron by J. J. Thomson was the first indication that the atom had internal structure. At the turn of the 20th century the
accepted model of the atom was J. J. Thomson's "plum pudding" model in which the atom was a large positively charged ball with small
negatively charged electrons embedded inside of it. By the turn of the century physicists had also discovered three types of radiation coming
from atoms, which they named alpha, beta, and gamma radiation. Experiments in 1911 by Lise Meitner and Otto Hahn, and by James Chadwick
in 1914 discovered that the beta decay spectrum was continuous rather than discrete. That is, electrons were ejected from the atom with a range
18
of energies, rather than the discrete amounts of energies that were observed in gamma and alpha decays. This was a problem for nuclear physics
at the time, because it indicated that energy was not conserved in these decays. The problem would later lead to the discovery of the neutrino (see
below).
In 1906 Ernest Rutherford published "Radiation of the α Particle from Radium in passing through Matter" in Philosophical Magazine (12, p 13446). Geiger expanded on this work in a communication to the Royal Society (Proc. Roy. Soc. July 17, 1908) with experiments he and Rutherford
had done passing α particles through air, aluminum foil and gold foil. More work was published in 1909 by Geiger and Marsden (Proc. Roy. Soc.
A82 p 495-500) and further greatly expanded work was published in 1910 by Geiger (Proc. Roy. Soc. Feb. 1, 1910). In 1911-2 Rutherford went
before the Royal Society to explain the experiments and propound the new theory of the atomic nucleus as we now understand it.
Around the same time that this was happening (1909) Ernest Rutherford performed a remarkable experiment in which Hans Geiger and Ernest
Marsden under his supervision fired alpha particles (helium nuclei) at a thin film of gold foil. The plum pudding model predicted that the alpha
particles should come out of the foil with their trajectories being at most slightly bent. He was shocked to discover that a few particles were
scattered through large angles, even completely backwards in some cases. The discovery, beginning with Rutherford's analysis of the data in
1911, eventually led to the Rutherford model of the atom, in which the atom has a very small, very dense nucleus consisting of heavy positively
charged particles with embedded electrons in order to balance out the charge. As an example, in this model nitrogen-14 consisted of a nucleus
with 14 protons and 7 electrons, and the nucleus was surrounded by 7 more orbiting electrons.
The Rutherford model worked quite well until studies of nuclear spin were carried out by Franco Rasetti at the California Institute of Technology
in 1929. By 1925 it was known that protons and electrons had a spin of 1/2, and in the Rutherford model of nitrogen-14 the 14 protons and six of
the electrons should have paired up to cancel each others spin, and the final electron should have left the nucleus with a spin of 1/2. Rasetti
discovered, however, that nitrogen-14 has a spin of one.
In 1930 Wolfgang Pauli was unable to attend a meeting in Tübingen, and instead sent a famous letter with the classic introduction "Dear
Radioactive Ladies and Gentlemen". In his letter Pauli suggested that perhaps there was a third particle in the nucleus which he named the
"neutron". He suggested that it was very light (lighter than an electron), had no charge, and that it did not readily interact with matter (which is
why it hadn't yet been detected). This desperate way out solved both the problem of energy conservation and the spin of nitrogen-14, the first
because Pauli's "neutron" was carrying away the extra energy and the second because an extra "neutron" paired off with the electron in the
nitrogen-14 nucleus giving it spin one. Pauli's "neutron" was renamed the neutrino (Italian for little neutral one) by Enrico Fermi in 1931, and
after about thirty years it was finally demonstrated that a neutrino really is emitted during beta decay.
19
In 1932 Chadwick realized that radiation that had been observed by Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène and Frédéric Joliot-Curie was
actually due to a massive particle that he called the neutron. In the same year Dmitri Ivanenko suggested that neutrons were in fact spin 1/2
particles and that the nucleus contained neutrons and that there were no electrons in it, and Francis Perrin suggested that neutrinos were not
nuclear particles but were created during beta decay. To cap the year off, Fermi submitted a theory of the neutrino to Nature (which the editors
rejected for being "too remote from reality"). Fermi continued working on his theory and published a paper in 1934 which placed the neutrino on
solid theoretical footing. In the same year Hideki Yukawa proposed the first significant theory of the strong force to explain how the nucleus
holds together.
With Fermi and Yukawa's papers the modern model of the atom was complete. The center of the atom contains a tight ball of neutrons and
protons, which is held together by the strong nuclear force. Unstable nuclei may undergo alpha decay, in which they emit an energetic helium
nucleus, or beta decay, in which they eject an electron (or positron). After one of these decays the resultant nucleus may be left in an excited
state, and in this case it decays to its ground state by emitting high energy photons (gamma decay).
The study of the strong and weak nuclear forces led physicists to collide nuclei and electrons at ever higher energies. This research became the
science of particle physics, the crown jewel of which is the standard model of particle physics which unifies the strong, weak, and
electromagnetic forces.
[edit] Modern nuclear physics
A light nucleus can contain hundreds of nucleons which means that with some approximation it can be treated as a classical system, rather than a
quantum-mechanical one. In the resulting liquid-drop model, the nucleus has an energy which arises partly from surface tension and partly from
electrical repulsion of the protons. The liquid-drop model is able to reproduce many features of nuclei, including the general trend of binding
energy with respect to mass number, as well as the phenomenon of nuclear fission.
Superimposed on this classical picture, however, are quantum-mechanical effects, which can be described using the nuclear shell model,
developed in large part by Maria Goeppert-Mayer. Nuclei with certain numbers of neutrons and protons (the magic numbers 2, 8, 20, 50, 82, 126,
...) are particularly stable, because their shells are filled.
Much of current research in nuclear physics relates to the study of nuclei under extreme conditions such as high spin and excitation energy.
Nuclei may also have extreme shapes (similar to that of American footballs) or extreme neutron-to-proton ratios. Experimenters can create such
nuclei using artificially induced fusion or nucleon transfer reactions, employing ion beams from an accelerator. Beams with even higher energies
can be used to create nuclei at very high temperatures, and there are signs that these experiments have produced a phase transition from normal
20
nuclear matter to a new state, the quark-gluon plasma, in which the quarks mingle with one another, rather than being segregated in triplets as
they are in neutrons and protons.
[edit] Modern topics in nuclear physics
[edit] Spontaneous changes from one nuclide to another: nuclear decay
If a nucleus has too few or too many neutrons it may be unstable, and will decay after some period of time. For example, nitrogen-16 atoms (7
protons, 9 neutrons) beta decay to oxygen-16 atoms (8 protons, 8 neutrons) within a few seconds of being created. In this decay a neutron in the
nitrogen nucleus is turned into a proton and an electron by the weak nuclear force. The element of the atom changes because while it previously
had seven protons (which makes it nitrogen) it now has eight (which makes it oxygen). Many elements have multiple isotopes which are stable
for weeks, years, or even billions of years.
[edit] Nuclear fusion
Main article: Nuclear fusion
When two light nuclei come into very close contact with each other it is possible for the strong force to fuse the two together. It takes a great deal
of energy to push the nuclei close enough together for the strong force to have an effect, so the process of nuclear fusion can only take place at
very high temperatures or high densities. Once the nuclei are close enough together the strong force overcomes their electromagnetic repulsion
and squishes them into a new nucleus. A very large amount of energy is released when light nuclei fuse together because the binding energy per
nucleon increases with mass number up until nickel-62. Stars like our sun are powered by the fusion of four protons into a helium nucleus, two
positrons, and two neutrinos. The uncontrolled fusion of hydrogen into helium is known as a thermonuclear weapon. Research to find an
economically viable method of using energy from a controlled fusion reaction is currently being undertaken by various research establishments
(see JET and ITER).
21
[edit] Nuclear fission
Main article: Nuclear fission
For nuclei heavier than nickel-62 the binding energy per nucleon decreases with the mass number. It is therefore possible for energy to be
released if a heavy nucleus breaks apart into two lighter ones. This splitting of atoms is known as nuclear fission.
The process of alpha decay may be thought of as a special type of spontaneous nuclear fission. This process produces a highly asymmetrical
fission because the four particles which make up the alpha particle are especially tightly bound to each other, making production of this nucleus
in fission particularly likely.
For certain of the heaviest nuclei which produce neutrons on fission, and which also easily absorb neutrons to initiate fission, a self-igniting type
of neutron-initiated fission can be obtained, in a so-called chain reaction. [Chain reactions were known in chemistry before physics, and in fact
many familiar processes like fires and chemical explosions are chemical chain reactions]. The fission or "nuclear" chain-reaction, using fissionproduced neutrons, is the source of energy for nuclear power plants and fission type nuclear bombs such as the two that the United States used
against Hiroshima and Nagasaki at the end of World War II. Heavy nuclei such as uranium and thorium may undergo spontaneous fission, but
they are much more likely to undergo decay by alpha decay.
For a neutron-initiated chain-reaction to occur, there must be a critical mass of the element present in a certain space under certain conditions
(these conditions slow and conserve neutrons for the reactions). There is one known example of a natural nuclear fission reactor, which was
active in two regions of Oklo, Gabon, Africa, over 1.5 billion years ago. Measurements of natural neutrino emission have demonstrated that
around half of the heat emanating from the earth's core results from radioactive decay. However, it is not known if any of this results from fission
chain-reactions.
[edit] Production of heavy elements
As the Universe cooled after the big bang it eventually became possible for particles as we know them to exist. The most common particles
created in the big bang which are still easily observable to us today were protons (hydrogen) and electrons (in equal numbers). Some heavier
22
elements were created as the protons collided with each other, but most of the heavy elements we see today were created inside of stars during a
series of fusion stages, such as the proton-proton chain, the CNO cycle and the triple-alpha process. Progressively heavier elements are created
during the evolution of a star. Since the binding energy per nucleon peaks around iron, energy is only released in fusion processes occurring
below this point. Since the creation of heavier nuclei by fusion costs energy, nature resorts to the process of neutron capture. Neutrons (due to
their lack of charge) are readily absorbed by a nucleus. The heavy elements are created by either a slow neutron capture process (the so-called s
process) or by the rapid, or r process. The s process occurs in thermally pulsing stars (called AGB, or asymptotic giant branch stars) and takes
hundreds to thousands of years to reach the heaviest elements of lead and bismuth. The r process is thought to occur in supernova explosions due
to the fact that the conditions of high temperature, high neutron flux and ejected matter are present. These stellar conditions make the successive
neutron captures very fast, involving very neutron-rich species which then beta-decay to heavier elements, especially at the so-called waiting
points that correspond to more stable nuclides with closed neutron shells (magic numbers). The r process duration is typically in the range of a
few seconds.
[edit] See also
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
List of particles
Radioactivity
Nuclear fusion
Nuclear fission
Nuclear medicine
Nuclear physics
Atomic number
Atomic mass
Isotope
Liquid drop model
Semi-empirical mass formula
[edit] References
1. ^ Nucleus – Online Etymology Dictionary
[edit] External links
23
•
•
The Nucleus - a chapter from an online textbook
- Study of the NUCLEAR STRUCTURE by R. Kolessin
[show]
v•d•e
Particles in physics
eµτeµτ
[show]
v•d•e
Nuclear technology
Core topics
Reactor technology · Radioactive waste · Fusion power ·
Energy development · Nuclear propulsion (Nuclear thermal
rocket) · Radioisotope thermoelectric generator
Reactor types
Inertial fusion · Pressurized water (PWR) · Boiling water
(BWR) · Generation IV · Fast breeder (FBR) · Fast neutron
(FNR) · Magnox · Advanced gas-cooled (AGR) · Gas-cooled
fast (GFR) · Molten salt (MSR) · Liquid-metal-cooled
(LMFR) · Lead-cooled fast (LFR) · Sodium-cooled fast
(SFR) · Supercritical water (SCWR) · Very high temperature
(VHTR) · Pebble bed · Integral Fast (IFR) · SSTAR
Imaging
Positron emission tomography (PET) · Single photon emission
computed tomography (SPECT) · Gamma (Anger) camera
Therapies
Radiation therapy · Tomotherapy · Proton therapy ·
Brachytherapy · Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)
Retrieved from "http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_nucleus"
Categories: Nuclear chemistry | Nuclear physics | Subatomic particles | Radiochemistry
24