Atomové jádro - Atomic nucleus

Model atomového jádra, který jej ukazuje jako kompaktní svazek dvou typů nukleonů : protonů (červený) a neutronů (modrý). V tomto diagramu vypadají protony a neutrony jako malé kuličky slepené k sobě, ale skutečné jádro (jak jej chápe moderní jaderná fyzika ) nelze vysvětlit takto, ale pouze pomocí kvantové mechaniky . V jádru, které zaujímá určitou energetickou úroveň (například základní stav ), lze říci, že každý nukleon zaujímá řadu míst.

Atomové jádro je malý, hustá oblast se skládá z protonů a neutronů v centru s atomem , objeven v roce 1911 Ernest Rutherford , vztaženo na 1909 Geiger-Marsden zlaté fólie experiment . Po objevu neutronu v roce 1932 Dmitri Ivanenko a Werner Heisenberg rychle vyvinuli modely pro jádro složené z protonů a neutronů . Atom se skládá z kladně nabitého jádra a obklopuje ho oblak záporně nabitých elektronů , spojených dohromady elektrostatickou silou . Téměř veškerá hmotnost atomu se nachází v jádře, s velmi malým příspěvkem elektronového oblaku . Protony a neutrony jsou spojeny dohromady, aby vytvořily jádro jadernou silou .

Průměr jádra je v rozmezí 1,7566  fm (1,7566 × 10 −15  m ) pro vodík (průměr jednoho protonu) do asi11,7142  fm pro uran . Tyto rozměry jsou mnohem menší než průměr samotného atomu (jádro + elektronový oblak), faktorem asi 26 634 (atomový poloměr uranu je asi156  hod. (156 × 10 −12  m )) až asi 60 250 ( atomový poloměr vodíku je asi52,92  hodin ).

Obor fyziky zabývající se studiem a porozuměním atomovému jádru, včetně jeho složení a sil, které jej spojují, se nazývá jaderná fyzika .

Úvod

Dějiny

Jádro bylo objeveno v roce 1911 v důsledku úsilí Ernesta Rutherforda otestovat Thomsonův „ model švestkového pudinku “ atomu. Elektron už objevil JJ Thomson . Věděl, že atomy jsou elektricky neutrální, JJThomson předpokládal, že musí existovat také kladný náboj. Ve svém modelu švestkového pudinku Thomson navrhl, aby atom sestával z negativních elektronů náhodně rozptýlených ve sféře kladného náboje. Ernest Rutherford později vymyslel experiment se svým výzkumným partnerem Hansem Geigerem a pomocí Ernesta Marsdena , který zahrnoval vychýlení částic alfa (jádra hélia) namířených na tenkou vrstvu kovové fólie. Odůvodnil to tím, že pokud by byl model JJ Thomsona správný, kladně nabité částice alfa by snadno prošly fólií s velmi malou odchylkou v jejich dráhách, protože fólie by měla působit jako elektricky neutrální, pokud jsou záporné a kladné náboje tak důkladně smíchány, aby vypadá to neutrálně. K jeho překvapení bylo mnoho částic odkloněno ve velmi velkých úhlech. Protože hmotnost částice alfa je asi 8 000krát větší než hmotnosti elektronu, ukázalo se, že musí být přítomna velmi silná síla, pokud by mohla odklonit masivní a rychle se pohybující částice alfa. Uvědomil si, že model švestkového pudinku nemůže být přesný a výchylky alfa částic lze vysvětlit pouze tehdy, pokud jsou od sebe oddělené kladné a záporné náboje a že hmotnost atomu je koncentrovaným bodem kladného náboje. To odůvodnilo myšlenku jaderného atomu s hustým středem kladného náboje a hmotnosti.

Etymologie

Termín jádro pochází z latinského slova nucleus , zdrobnělina nux („ořech“), což znamená „jádro“ (tj. „Malý ořech“) uvnitř vodnatého druhu ovoce (jako broskev ). V roce 1844 Michael Faraday použil tento termín k označení „centrálního bodu atomu“. Moderní atomový význam navrhl Ernest Rutherford v roce 1912. Přijetí pojmu „jádro“ v atomové teorii však nebylo okamžité. V roce 1916 například Gilbert N. Lewis ve svém slavném článku Atom a molekula uvedl, že „atom se skládá z jádra a vnějšího atomu nebo obalu

Nukleární makeup

Obrazové zobrazení atomu helia -4 s elektronovým mrakem v odstínech šedé. V jádře jsou dva protony a dva neutrony znázorněny červeně a modře. Toto zobrazení ukazuje částice jako oddělené, zatímco ve skutečném atomu hélia jsou protony superponovány v prostoru a pravděpodobně se nacházejí v samém středu jádra a totéž platí pro dva neutrony. Všechny čtyři částice se tedy s největší pravděpodobností nacházejí v přesně stejném prostoru, v centrálním bodě. Klasické obrazy oddělených částic nedokáží modelovat známé distribuce náboje ve velmi malých jádrech. Přesnější obraz je, že prostorová distribuce nukleonů v jádru helia je mnohem blíže zde zobrazenému elektronovému oblaku hélia , i když v mnohem menším měřítku, než fantastickému obrazu jádra. Atom helia i jeho jádro jsou sféricky symetrické .

Jádro atomu se skládá z neutronů a protonů, což jsou zase projevy elementárnějších částic, nazývaných kvarky , které jsou v jistých stabilních kombinacích hadronů , nazývaných baryony, drženy ve spojení se silnou jadernou silou . Silná jaderná síla se rozprostírá dostatečně daleko od každého baryonu, aby spojila neutrony a protony dohromady proti odpudivé elektrické síle mezi kladně nabitými protony. Silná jaderná síla má velmi krátký dosah a v podstatě klesá na nulu těsně za okraj jádra. Společným působením kladně nabitého jádra je držet elektricky záporně nabité elektrony na oběžných drahách kolem jádra. Sbírka negativně nabitých elektronů obíhajících kolem jádra vykazuje afinitu k určitým konfiguracím a počtům elektronů, díky nimž jsou jejich dráhy stabilní. Který chemický prvek atom představuje, je určen počtem protonů v jádře; neutrální atom bude mít stejný počet elektronů obíhajících kolem tohoto jádra. Jednotlivé chemické prvky mohou vytvářet stabilnější elektronové konfigurace kombinací sdílení svých elektronů. Sdílení elektronů za účelem vytvoření stabilních elektronických oběžných drah kolem jader se nám jeví jako chemie našeho makrosvěta.

Protony definují celý náboj jádra, a tím i jeho chemickou identitu . Neutrony jsou elektricky neutrální, ale přispívají k hmotnosti jádra téměř ve stejné míře jako protony. Neutrony mohou vysvětlit jev izotopů (stejné atomové číslo s různou atomovou hmotností). Hlavní úlohou neutronů je snížit elektrostatické odpuzování uvnitř jádra.

Složení a tvar

Protony a neutrony jsou fermiony s různými hodnotami silného kvantového čísla isospinu , takže dva protony a dva neutrony mohou sdílet stejnou funkci vesmírných vln, protože nejsou identickými kvantovými entitami. Někdy jsou považovány za dva různé kvantové stavy stejné částice, nukleonu . Dva fermiony, jako jsou dva protony nebo dva neutrony nebo proton + neutron (deuteron), mohou vykazovat bosonické chování, když se stanou volně vázanými v párech, které mají celé číslo.

V ojedinělém případě hypernucleus může vlnovou funkci sdílet i třetí baryon zvaný hyperon obsahující jeden nebo více podivných kvarků a/nebo jiných neobvyklých kvarků. Tento typ jádra je však extrémně nestabilní a nenachází se na Zemi, s výjimkou experimentů fyziky vysokých energií.

Neutron má kladně nabité jádro o poloměru ≈ 0,3 fm obklopené kompenzačním záporným nábojem o poloměru mezi 0,3 fm a 2 fm. Proton má přibližně exponenciálně se rozpadající kladnou distribuci náboje se středním čtvercovým poloměrem asi 0,8 fm.

Jádra mohou být sférická, ragbyová ve tvaru koule (prolátová deformace), disková (zploštělá deformace), triaxiální (kombinace zploštělé a prolátové deformace) nebo hruškovitá.

Síly

Jádra jsou spojena zbytkovou silnou silou ( jadernou silou ). Zbytková silná síla je malým zbytkem silné interakce, která spojuje kvarky dohromady za vzniku protonů a neutronů. Tato síla je mezi neutrony a protony mnohem slabší, protože je v nich většinou neutralizována stejným způsobem, jakým jsou elektromagnetické síly mezi neutrálními atomy (jako jsou van der Waalsovy síly působící mezi dvěma atomy inertního plynu) mnohem slabší než elektromagnetické síly, které držet části atomů pohromadě vnitřně (například síly, které drží elektrony v atomu inertního plynu vázaném na jeho jádro).

Jaderná síla je velmi atraktivní ve vzdálenosti typické separace nukleonů, a to přemáhá odpuzování mezi protony v důsledku elektromagnetické síly, což umožňuje existenci jader. Zbytková silná síla má však omezený dosah, protože se se vzdáleností rychle rozpadá (viz potenciál Yukawa ); zcela stabilní mohou být tedy pouze jádra menší než určitá velikost. Největší známé zcela stabilní jádro (tj. Stabilní vůči rozpadu alfa, beta a gama ) je olovo-208, které obsahuje celkem 208 nukleonů (126 neutronů a 82 protonů). Jádra větší než toto maximum jsou nestabilní a mají tendenci být stále krátkodobější s větším počtem nukleonů. Nicméně, bismut-209 je také stabilní vůči rozpadu beta a má nejdelší poločas na alfa rozpad jakéhokoli známého izotopu, odhaduje na miliardu krát delší než věk vesmíru.

Zbytková silná síla je účinná ve velmi krátkém rozsahu (obvykle pouze několik femtometrů (fm); zhruba jeden nebo dva průměry nukleonů) a způsobuje přitažlivost mezi jakýmkoli párem nukleonů. Například mezi protony a neutrony za vzniku [NP] deuteronu a také mezi protony a protony a neutrony a neutrony.

Halo jádra a limity rozsahu jaderné síly

Efektivní absolutní limit rozsahu jaderné síly (také známý jako zbytková silná síla ) je představován halo jádry, jako je lithium-11 nebo bor-14 , ve kterých obíhají dineutrony nebo jiné sbírky neutronů ve vzdálenostech asi10 fm (zhruba podobné8 fm poloměr jádra uranu-238). Tato jádra nejsou maximálně hustá. Halo jádra se tvoří na extrémních okrajích grafu nuklidů- odkapávací čára neutronů a odkapávací linie protonů-a jsou nestabilní s krátkými poločasy rozpadu, měřenými v milisekundách ; například lithium-11 má poločas rozpadu8,8 ms .

Haló ve skutečnosti představují vzrušený stav s nukleony ve vnějším kvantovém obalu, který má nevyplněné energetické hladiny „pod“ ním (jak z hlediska poloměru, tak z hlediska energie). Halogen může být vyroben buď z neutronů [NN, NNN] nebo z protonů [PP, PPP]. Jádra, která mají jeden neutronový halo, zahrnují 11 Be a 19 C. Halo se dvěma neutrony je vystaveno 6 He, 11 Li, 17 B, 19 B a 22 C. Dvě neutronová halo jádra se rozpadají na tři fragmenty, nikdy ne dva, a jsou nazývány borromejskými jádry kvůli tomuto chování (odkazující na systém tří vzájemně propojených prstenců, ve kterých zlomení jakéhokoli kruhu uvolní oba ostatní). 8 He a 14 Be oba vykazují halo se čtyřmi neutrony. Jádra, která mají protonový halo, zahrnují 8 B a 26 P. Dvouprotonový halo je vystaven 17 Ne a 27 S. Očekává se, že protonové halo budou vzácnější a nestabilnější než příklady neutronů, kvůli odpudivým elektromagnetickým silám přebytečný proton (y).

Jaderné modely

Ačkoli se obecně věří, že standardní model fyziky zcela popisuje složení a chování jádra, generování předpovědí z teorie je mnohem obtížnější než pro většinu ostatních oblastí fyziky částic . To je způsobeno dvěma důvody:

  • V zásadě lze fyziku v jádru zcela odvodit z kvantové chromodynamiky (QCD). V praxi jsou však současné výpočetní a matematické přístupy pro řešení QCD v nízkoenergetických systémech, jako jsou jádra, extrémně omezené. To je způsobeno fázovým přechodem, který nastává mezi vysokoenergetickou kvarkovou hmotou a nízkoenergetickou hadronickou hmotou, což činí poruchové techniky nepoužitelnými, což ztěžuje konstrukci přesného modelu sil mezi nukleony odvozeného od QCD . Současné přístupy jsou omezeny buď na fenomenologické modely, jako je potenciál Argonne v18, nebo teorie chirálně efektivního pole .
  • I když je jaderná síla dobře omezena, k přesnému výpočtu vlastností jader ab initio je zapotřebí značné množství výpočetní síly . Vývoj v teorii mnoha těles to umožnil mnoha nízkohmotným a relativně stabilním jádrům, ale než je možné řešit těžká jádra nebo vysoce nestabilní jádra, je nutné další zlepšení výpočetní síly a matematických přístupů.

Historicky byly experimenty srovnávány s relativně hrubými modely, které jsou nutně nedokonalé. Žádný z těchto modelů nedokáže zcela vysvětlit experimentální data o jaderné struktuře.

Nukleární poloměr ( R ), je považován za jeden ze základních veličin, že každý model musí předpovídat. U stabilních jader (nikoli halo jader nebo jiných nestabilních zkreslených jader) je jaderný poloměr zhruba úměrný odmocnině z hmotnostního čísla ( A ) jádra, a zejména v jádrech obsahujících mnoho nukleonů, protože jsou uspořádána ve sférických konfiguracích:

Stabilní jádro má přibližně konstantní hustotu, a proto lze jaderný poloměr R aproximovat následujícím vzorcem,

kde A = číslo atomové hmotnosti (počet protonů Z plus počet neutronů N ) a r 0  = 1,25 fm = 1,25 × 10 −15  m. V této rovnici se „konstanta“ r 0 mění o 0,2 fm, v závislosti na dotyčném jádru, ale to je méně než 20% změna od konstanty.

Jinými slovy, zabalení protonů a neutronů do jádra poskytuje přibližně stejný výsledek celkové velikosti jako zabalení tvrdých kuliček konstantní velikosti (jako kuličky) do těsného sférického nebo téměř sférického vaku (některá stabilní jádra nejsou zcela sférická, ale jsou známá být prelátem ).

Modely jaderné struktury zahrnují:

Kapalný model

Rané modely jádra považovaly jádro za rotující kapku kapaliny. V tomto modelu kompromis elektromagnetických sil dlouhého dosahu a jaderných sil relativně krátkého dosahu společně způsobují chování, které se podobalo silám povrchového napětí v kapalných kapkách různých velikostí. Tento vzorec je úspěšný při vysvětlování mnoha důležitých jevů jader, jako je jejich měnící se množství vazebné energie, jak se mění jejich velikost a složení (viz semi-empirický hmotnostní vzorec ), ale nevysvětluje zvláštní stabilitu, ke které dochází, když mají jádra speciální " magická čísla “protonů nebo neutronů.

Termíny v semi-empirickém hmotnostním vzorci, které lze použít k aproximaci vazebné energie mnoha jader, jsou považovány za součet pěti typů energií (viz níže). Pak obrázek jádra jako kapky nestlačitelné kapaliny zhruba odpovídá pozorované změně vazebné energie jádra:

Kapalný model. Svg

Objemová energie . Když je sestava nukleonů stejné velikosti zabalena dohromady do nejmenšího objemu, každý vnitřní nukleon má s ním v kontaktu určitý počet dalších nukleonů. Tato jaderná energie je tedy úměrná objemu.

Povrchová energie . Nukleon na povrchu jádra interaguje s méně jinými nukleony než s jedním ve vnitřku jádra, a proto je jeho vazebná energie menší. Tento termín povrchové energie to bere v úvahu, a je tedy záporný a je úměrný ploše povrchu.

Coulombova energie . Elektrický odpor mezi každým párem protonů v jádru přispívá ke snížení jeho vazebné energie.

Energie asymetrie (také nazývaná Pauli Energy). Energie spojená s Pauliho vylučovacím principem . Nebýt Coulombovy energie, nejstabilnější forma jaderné hmoty by měla stejný počet neutronů jako protony, protože nestejný počet neutronů a protonů znamená naplnění vyšších energetických hladin pro jeden typ částic, zatímco nižší energetické hladiny zůstanou prázdné pro druhý typ.

Spárování energie . Energie, což je opravný termín, který vyplývá z tendence výskytu protonových párů a neutronových párů. Sudý počet částic je stabilnější než lichý počet.

Modely skořepin a další kvantové modely

Byla také navržena řada modelů pro jádro, ve kterých nukleony zaujímají orbitaly, podobně jako atomové orbitaly v teorii atomové fyziky . Tyto vlnové modely si představují, že nukleony jsou buď bezrozměrné bodové částice v potenciálních jamkách, nebo také pravděpodobnostní vlny jako v „optickém modelu“, bez tření obíhající vysokou rychlostí v potenciálních jamkách.

Ve výše uvedených modelech mohou nukleony obsazovat orbitaly ve dvojicích, protože jde o fermiony, což umožňuje vysvětlení sudých/lichých efektů Z a N dobře známých z experimentů. Přesná povaha a kapacita jaderných obalů se liší od elektronů v atomových orbitálech, a to především proto, že potenciální jamka, ve které se nukleony pohybují (zejména ve větších jádrech), je zcela odlišná od centrální elektromagnetické potenciální studny, která váže elektrony v atomech. Určitou podobnost s atomovými orbitálními modely lze pozorovat v malém atomovém jádru, jako je helium-4 , ve kterém dva protony a dva neutrony zaujímají odděleně 1s orbitaly analogické orbitálu 1s pro dva elektrony v atomu helia a dosahují neobvyklých stabilita ze stejného důvodu. Jádra s 5 nukleony jsou extrémně nestabilní a krátkodobá, ale helium-3 se 3 nukleony je velmi stabilní i bez uzavřeného orbitálního obalu 1 s. Další jádro se 3 nukleony, tritonový vodík-3 je nestabilní a při izolaci se rozpadne na helium-3. Slabá jaderná stabilita se 2 nukleony {NP} v orbitálu 1 s se nachází v deuteronovém vodíku-2 , přičemž v každé z protonových a neutronových potenciálních jamek je pouze jeden nukleon. Zatímco každý nukleon je fermion, {NP} deuteron je boson, a proto se neřídí vyloučením Pauliho pro těsné zabalení do skořápek. Lithium-6 se 6 nukleony je vysoce stabilní bez uzavřeného druhého orbitálu 1p. U lehkých jader s celkovým počtem nukleonů 1 až 6 nevykazují pouze ta s 5 nukleotidy nějaký důkaz stability. Pozorování beta-stability lehkých jader mimo uzavřené skořápky naznačují, že jaderná stabilita je mnohem složitější než jednoduché uzavírání skořepinových orbitálů magickými počty protonů a neutronů.

U větších jader se skořápky obsazené nukleony začínají výrazně lišit od obalů elektronů, nicméně současná jaderná teorie předpovídá magická čísla naplněných jaderných obalů pro protony i neutrony. Uzavření stabilních skořepin předpovídá neobvykle stabilní konfigurace, analogické s ušlechtilou skupinou téměř inertních plynů v chemii. Příkladem je stabilita uzavřeného obalu 50 protonů, což umožňuje cínu mít 10 stabilních izotopů, více než kterýkoli jiný prvek. Podobně vzdálenost od uzavření skořepiny vysvětluje neobvyklou nestabilitu izotopů, které mají daleko od stabilního počtu těchto částic, jako jsou radioaktivní prvky 43 ( technecium ) a 61 ( promethium ), z nichž každému předchází 17 a více stabilní prvky.

Při pokusu o zohlednění jaderných vlastností v dostatečné vzdálenosti od uzavřených skořepin však existují problémy s modelem skořepiny. To vedlo ke složitým post hoc deformacím tvaru potenciální studny, aby odpovídala experimentálním datům, otázkou však zůstává, zda tyto matematické manipulace skutečně odpovídají prostorovým deformacím ve skutečných jádrech. Problémy s modelem skořápky vedly některé k tomu, aby navrhli realistické efekty dvou a tří tělesných jaderných sil zahrnující klastry nukleonů a poté na tomto základě vytvořili jádro. Tři takovéto klastrové modely jsou model rezonující skupinové struktury Johna Wheelera z roku 1936, uzavřený sferonový model Linuse Paulinga a 2D Isingův model MacGregora.

Konzistence mezi modely

Atomová jádra jsou stejně jako v případě superfluidního kapalného hélia příkladem stavu, ve kterém platí jak (1) „obyčejná“ fyzikální pravidla částic pro objem, tak (2) neintuitivní kvantově mechanická pravidla pro vlnovitou povahu. V supratekutém héliu mají atomy hélia objem a v podstatě se navzájem „dotýkají“, ale zároveň vykazují podivné objemové vlastnosti v souladu s Bose -Einsteinovou kondenzací . Nukleony v atomových jádrech také vykazují vlnovitou povahu a postrádají standardní tekuté vlastnosti, jako je tření. U jader vyrobených z hadronů, které jsou fermiony , nedochází ke kondenzaci Bose-Einsteina, přesto lze mnoho jaderných vlastností vysvětlit podobně pouze kombinací vlastností částic s objemem, kromě pohybu bez tření charakteristického pro vlnovité chování objektů zachycených v Erwin Schrödinger ‚s kvantové orbitalů .

Viz také

Poznámky

Reference

externí odkazy