Δευτέρα, 05 Μαρτίου 2012 01:51

πυρήνας, ατομικός

Written by
Rate this item
(0 votes)
πυρήνας, ατομικός (Φυσ.). Το κεντρικό, εξαιρετικά συμπαγές και θετικά φορτισμένο μέρος του ατόμου. Γύρω από τον π., ο οποίος περιέχει όλο το θετικό φορτίο του ατόμου και πάνω από το 99,5% της ολικής του μάζας, κινούνται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Οι διαστάσεις των π. είναι της τάξης μεγέθους 10-13 εκ. (κλάσμα ίσο με ένα εκατομμυριοστό του εκατομμυριοστού του εκατοστού), ενώ οι διαστάσεις των ατόμων είναι της τάξης 10-8 εκ., δηλαδή εκατό χιλιάδες φορές μεγαλύτερες.
Η ιδέα ότι το άτομο θα μπορούσε να έχει έναν π. ήταν συνέπεια της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου και της διαπίστωσης ότι η δομή του ατόμου πρέπει να είναι πολύπλοκη. Ο Ζαν-Μπατίστ Περέν διατύπωσε πρώτος (1904) την ιδέα ότι το άτομο μπορεί να έχει δομή όμοια προς ένα ηλιακό σύστημα σε μικρογραφία, με τον π. στη θέση του Ήλιου και τα ηλεκτρόνια στη θέση των πλανητών· ο Ράδερφορντ όμως ήταν ο πρώτος που προσπάθησε να εξερευνήσει την εσωτερική δομή του ατόμου πειραματικά. Τα έτη 1910 και 1911 προχώρησε, μαζί με τους μαθητές του, Γκάιγκερ και Μάρσντεν, στα περίφημα πειράματα σκέδασης που φέρουν το όνομά του. Ακολούθως ο Μπορ (1913) επεξεργάστηκε σε κβαντικές βάσεις το ατομικό πρότυπο του Ράδερφορντ, εξομαλύνοντας σε θεωρητική βάση τα προβλήματα που παρουσίαζε. Αυτά ήταν κάποια σοβαρότατα ερωτήματα, όπως, για παράδειγμα, το τι κρατούσε τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις (10-8 εκ.) από τον π. που, σύμφωνα με το παραπάνω πρότυπο, είναι θετικά φορτισμένος. Στα χρόνια που ακολούθησαν, ο Ράδερφορντ και οι συνεργάτες του συνέβαλαν αποφασιστικά στη γνώση της δομής του π., ανιχνεύοντας μεταξύ των συστατικών του το πρωτόνιο (Ράδερφορντ, 1920) και ακολούθως το νετρόνιο (Τσάντγουικ, 1932).
Η ανακάλυψη και η μελέτη των θεμελιωδών συστατικών του π. –πρωτόνια και νετρόνια– επέτρεψαν να δοθεί το πρώτο ικανοποιητικό πρότυπο του π., το οποίο ισχύει έως σήμερα σε πρώτη προσέγγιση. Σύμφωνα με το πρότυπο αυτό, οι π. των διαφόρων στοιχείων διαφέρουν μεταξύ τους κατά τον αριθμό των πρωτονίων που περιέχουν, ο οποίος στα φυσικά στοιχεία αρχίζει από το 1 για το υδρογόνο και φτάνει στο 92 για το ουράνιο (ένας μεγαλύτερος αριθμός πρωτονίων χαρακτηρίζει τα λεγόμενα υπερουράνια στοιχεία)· ο αριθμός αυτός αντιστοιχεί στον αριθμό τάξης του στοιχείου στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων, παίρνει το όνομα του ατομικού αριθμού και συμβολίζεται με το γράμμα Ζ. Σε κάθε πρωτόνιο του π. αντιστοιχεί ένα ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω από αυτόν. Επειδή από τον αριθμό και από τη διάταξη των ηλεκτρονίων εξαρτώνται οι ιδιότητες του ατόμου (χημικές, φασματοσκοπικές, εκπομπές ακτίνων Χ κλπ.), προκύπτει τελικά ότι οι ιδιότητες αυτές εξαρτώνται από τον αριθμό των πρωτονίων που περιέχονται στον π. Όλοι οι π., με εξαίρεση τον π. του κανονικού υδρογόνου (ο οποίος αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο), περιλαμβάνουν έναν αριθμό νετρονίων· το άθροισμα των πρωτονίων (Ζ) και των νετρονίων (Ν) δίνει τον μαζικό αριθμό και συμβολίζεται με το γράμμα Α· συνεπώς Α = Ζ+Ν. Οι π. που περιέχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων (δηλαδή έχουν ίσο ατομικό αριθμό) και διαφορετικό αριθμό νετρονίων (και συνεπώς διάφορο μαζικό αριθμό) καλούνται ισότοποι και χαρακτηρίζονται από τις ίδιες χημικές ιδιότητες: τα φυσικά στοιχεία είναι μείγματα ισοτόπων. Οι π. που έχουν ίσο μαζικό αριθμό (Α), αλλά διαφορετικό αριθμό πρωτονίων (δηλαδή ανήκουν σε διάφορα στοιχεία) ονομάζονται ισοβαρείς· αντίθετα, οι π. που έχουν ίσο αριθμό νετρονίων ορίζονται ως ισότονοι. Για να διακρίνουμε μεταξύ αυτών τους διάφορους τύπους των π., θέτουμε αριστερά και χαμηλά του χημικού συμβόλου τον ατομικό αριθμό του π. και δεξιά και ψηλά τον μαζικό αριθμό: συνεπώς, αν συμβολίσουμε με Χ οποιοδήποτε χημικό σύμβολο, έχουμε ΖΧΑ· έτσι, για παράδειγμα, το 8Ο16 συμβολίζει το οξυγόνο ατομικού αριθμού 8 και μαζικού 16, ενώ το 8Ο18 συμβολίζει το ισότοπο μαζικού αριθμού 18. Η σημειογραφία μπορεί να απλοποιηθεί με την απαλοιφή του ατομικού αριθμού, ο οποίος περιλαμβάνεται στο σύμβολο του στοιχείου· αρκεί λοιπόν να γράψουμε Ο16 και Ο18 για να σημειώσουμε τα δύο προηγούμενα ισότοπα. Η συμβολική αυτή γραφή κάθε νουκλιδίου εμφανίζεται –κάποιες φορές– στη βιβλιογραφία ελαφρώς διαφοροποιημένη. Ο μαζικός αριθμός γράφεται και αυτός αριστερά του συμβόλου του στοιχείου και επάνω από τον ατομικό. Αυτό τον συμβολισμό θα χρησιμοποιήσουμε παρακάτω (δηλαδή, στο προαναφερθέν παράδειγμα 16Ο και 18Ο, αντίστοιχα). Το πρότυπο του π. το οποίο χαρακτηρίστηκε με τον τρόπο αυτό επέτρεπε μια ικανοποιητική ερμηνεία των χημικών και φασματοσκοπικών ιδιοτήτων των στοιχείων και διευκρίνιζε την ισοτοπία, αφήνοντας όμως ανοιχτό το πρόβλημα της ερμηνείας των δυνάμεων που εξασφάλιζαν τη συνοχή του π., υπερνικώντας τις απωστικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις μεταξύ των ομόσημων πρωτονίων.
Για να υπερνικηθεί το εμπόδιο, έπρεπε να γίνει αποδεκτή η ύπαρξη πυρηνικών δυνάμεων, η λεπτομερής γνώση των οποίων ήταν ακόμα αβέβαιη. Τα δεδομένα, όμως, επέτρεπαν τη διαπίστωση ότι πρόκειται για ελκτικές δυνάμεις, οι οποίες δρουν μεταξύ των σωματίων, με εμβέλεια αρκετά μικρή (της τάξης του fermi, 1fm = 10-15 μ.) και έντασης πολύ μεγάλης ως προς τις δυνάμεις βαρύτητας που ασκούνται μεταξύ των μαζών των πρωτονίων και των νετρονίων και ως προς τις απωστικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις κουλόμπ (συγκεκριμένα, η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι περίπου εκατό φορές ισχυρότερη από την ηλεκτρομαγνητική και 1038 φορές ισχυρότερη από τη βαρυτική). Από αυτά προκύπτει ότι οι πυρηνικές δυνάμεις που δρουν μεταξύ των ζευγών πρωτόνιο-πρωτόνιο, πρωτόνιο-νετρόνιο, νετρόνιο-νετρόνιο, είναι πρακτικά ίσες καθώς μπορούμε να αγνοήσουμε –χωρίς σημαντικό σφάλμα– την ηλεκτρομαγνητική και βαρυτική τους αλληλεπίδραση. Το γεγονός ότι οι πυρηνικές δυνάμεις δεν εξαρτώνται από το φορτίο επιτρέπει να μη θεωρήσουμε το πρωτόνιο και το νετρόνιο ως διαφορετικά σωμάτια, αλλά ως δύο διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις ενός και του αυτού σωματίου, του νουκλεονίου. Για να περιγράψουμε κατάλληλα τις συνθήκες ισορροπίας ενός π., πρέπει να παραδεχτούμε επίσης ότι οι πυρηνικές δυνάμεις είναι ελκτικές μέχρι μιας ορισμένης απόστασης, πέρα από την οποία γίνονται απωστικές· η παραδοχή αυτή είναι αναγκαία για να εξηγηθεί το γεγονός ότι τα νουκλεόνια δεν προσπίπτουν το ένα επί του άλλου, αλλά βρίσκονται στον π. σε μια ορισμένη απόσταση μεταξύ τους. Επιπλέον οι πυρηνικές δυνάμεις παρουσιάζουν την ιδιότητα του κορεσμού, και σε αυτό διαφέρουν από τις ηλεκτροστατικές και τις δυνάμεις βαρύτητας. Η ιδιότητα αυτή συνίσταται στο γεγονός ότι η ενέργεια του δεσμού ενός νουκλεονίου στο εσωτερικό του π., αντί να είναι ανάλογη προς τον συνολικό αριθμό των νουκλεονίων που περιλαμβάνονται σε αυτόν (όπως θα έπρεπε αν θεωρούσαμε ότι το σωμάτιο αλληλεπιδρά με όλα τα άλλα συγχρόνως), προκύπτει περίπου σταθερή. Αυτό έχει ως συνέπεια ο όγκος του π. να είναι ανάλογος προς τον μαζικό αριθμό και η ακτίνα να είναι περίπου ανάλογη προς την κυβική ρίζα αυτού του αριθμού.
Ως προς τη φυσική έννοια των πυρηνικών δυνάμεων και τα αίτιά τους, οι θεωρίες του μεσονικού πεδίου παραδέχονται ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ νουκλεονίων οφείλονται στα μεσόνια π, τα οποία, για μια μάζα 300 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του ηλεκτρονίου, έχουν ακτίνα δράσης 10-13 εκ.

Ευστάθεια των πυρήνων. Μια μέτρηση της ευστάθειας ενός π. μπορεί να γίνει πειραματικά –με την προσέγγιση που επιτρέπουν τα μέσα και οι μέθοδοι έρευνας– στηριζόμενη στη ραδιενέργεια. Θεωρούνται ευσταθείς οι π. που δεν διασπώνται σε άλλους, δηλαδή δεν είναι ραδιενεργοί. Ένα πιο αυστηρό και ποσοτικό κριτήριο εκτίμησης της ευστάθειας ενός π. δίνεται από τη μέτρηση του ελλείμματος μάζας (βλ. λ. έλλειμμα μάζας), δηλαδή της διαφοράς μεταξύ της μάζας του π. και της μάζας που λαμβάνεται αν αθροιστούν οι μάζες των στοιχείων –δηλαδή των πρωτονίων και νετρονίων– που τον συνιστούν.
Ακριβείς προσδιορισμοί, που έγιναν με τον φασματογράφο μάζας, έδειξαν καθαρά ότι η μάζα των π. είναι μικρότερη εκείνης που λαμβάνουμε εάν αθροίσουμε τη μάζα των στοιχείων που τον συνιστούν. Με βάση τον τύπο του Αϊνστάιν, η ελλείπουσα μάζα –η οποία αποτελεί ακριβώς το έλλειμμα μάζας– πρέπει να θεωρηθεί ότι μετατράπηκε σε ενέργεια κατά τη διαδικασία του σχηματισμού του π. Προκύπτει προφανώς ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σχηματισμού του π., δηλαδή όσο μεγαλύτερο είναι το έλλειμμα μάζας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ευστάθεια του π. αυτού. Ένας δείκτης αυτής της ευστάθειας δίνεται από τη μέση ενέργεια σύνδεσης που ορίζεται από τον λόγο: 



όπου ΔW η ενέργεια σύνδεσης του π. και Α ο μαζικός αριθμός αυτού. Από το διάγραμμα της μέσης ενέργειας σύνδεσης σε συνάρτηση με τον μαζικό αριθμό Α, οδηγούμαστε σε σημαντικά συμπεράσματα για τον συγκεκριμένο π. Αν το συνολικό έλλειμμα μάζας, το οποίο προκύπτει από τα στοιχεία ενός π., είναι μεγαλύτερο από το έλλειμμα του θεωρούμενου π., αυτό σημαίνει ότι ο π. αυτός τείνει να αποσυντεθεί, γιατί έχει φτάσει στο επίπεδο όπου το έλλειμμα μάζας γίνεται μέγιστο. Από το γεγονός ότι οι πυρηνικές δυνάμεις ασκούν τη δράση τους σε πολύ βραχεία ακτίνα και παύουν να δρουν πέρα από αυτή (εδώ διαφέρουν από τις δυνάμεις βαρύτητας, τις ηλεκτρομαγνητικές, οι οποίες ελαττώνονται κατά το τετράγωνο της απόστασης, αλλά μπορεί να θεωρηθεί ότι η εμβέλειά τους φθάνει σε αποστάσεις πολύ μεγάλες), πρέπει να συμπεράνουμε ότι ο π. περιβάλλεται από ένα φράγμα δυναμικού, το οποίο τα νουκλεόνια πρέπει να υπερνικήσουν για να εγκαταλείψουν τον π. Σχηματική απεικόνιση, η οποία εξάλλου δικαιολογείται από τη γραφική παράσταση της μεταβολής του δυναμικού σε συνάρτηση με την απόσταση από το κέντρο του π., δίνεται αν θεωρήσουμε τον π. τοποθετημένο στον πυθμένα ενός πηγαδιού ενέργειας. Για να βγει από τον π. ένα σωμάτιο, πρέπει να αποκτήσει ενέργεια αρκούντως μεγάλη ώστε να μπορέσει να υπερβεί το χείλος του πηγαδιού. Στην πραγματικότητα, με ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο το οποίο μελέτησε ο Τζορτζ Γκάμοου, τα σωμάτια, υπό ιδιαίτερες συνθήκες, μπορούν να εισέλθουν και να εξέλθουν από έναν π. μέσω του φράγματος ακόμα και αν η ενέργειά τους είναι μικρότερη από την τιμή του φραγμού δυναμικού· το φαινόμενο παίρνει την ονομασία φαινόμενο σήραγγας ή κβαντικού φιλτραρίσματος. Οι μελέτες για την ευστάθεια των π. επέτρεψαν να προσδιοριστούν ορισμένες κανονικές συνθήκες, που τελικά διατυπώθηκαν σε κανόνες μεγάλης σημασίας. Γενικά συμπεραίνεται ότι μπορούν να υπάρχουν τέσσερις τύποι π. με βάση κατάταξης τον αριθμό των πρωτονίων και των νετρονίων τους: π. με άρτιο αριθμό πρωτονίων και άρτιο αριθμό νετρονίων (π. άρτιοι-άρτιοι), οι οποίοι είναι οι πιο σταθεροί και οι πιο πολυάριθμοι (περισσότερο από το μισό των γνωστών π.)· π. περιττοί-περιττοί, των οποίων η ύπαρξη δεν ευνοείται ενεργειακά (είναι γνωστοί μόνο τέσσερις σταθεροί, οι 21Η, 63Li, 105Β και 147Ν, ενώ οι υπόλοιποι διασπώνται με βήτα διάσπαση σε άρτιους-άρτιους)· π. άρτιοι-περιττοί (περίπου το 20% των γνωστών π., για παράδειγμα 136C)· τέλος, π. περιττοί-άρτιοι (περίπου το 16% των γνωστών π., για παράδειγμα 197F).
Ειδικότερα, είναι γνωστό ότι π. που περιλαμβάνουν 2, 8, 20, 28, 50, 82 και 126 πρωτόνια ή νετρόνια έχουν ιδιαίτερη ευστάθεια (ασυνήθιστα μεγάλη ενέργεια σύνδεσης) και συνεπώς βρίσκονται σε μεγαλύτερα ποσά στη φύση. Οι αριθμοί αυτοί, προτού δοθεί μια θεωρητική ερμηνεία της έννοιάς τους, ονομάστηκαν μαγικοί αριθμοί. Η εξήγηση δόθηκε αργότερα, με την εφαρμογή του πυρηνικού προτύπου των φλοιών.
Read 649 times

Leave a comment

Make sure you enter all the required information, indicated by an asterisk (*). HTML code is not allowed.