mały|Atom helu (zacieniowany obszar) i jego jądro (powiększenie), czerwone – protony, błękitne – neutrony. Jądro atomowe – centralna część atomu składająca się z protonów i neutronów, powiązanych siłami jądrowymi, stanowiąca niewielką część objętości całego atomu, skupiona jest w nim prawie cała masa.

Jądro atomowe jest charakteryzowane przez jego liczbę atomową i liczbę masową.

Liczba atomowa wynika z liczby protonów w jądrze, określa ładunek elektryczny jądra, który jest głównym czynnikiem określającym strukturę poziomów energetycznych elektronów w atomie.

Liczba masowa jest równa sumie liczby protonów i neutronów w jądrze i decyduje o masie danego atomu.

Badaniem jąder atomowych zajmuje się dział fizyki zwany fizyką jądrową.

Odkrycie Istnienie jądra atomowego zostało zaproponowane przez Ernesta Rutherforda w 1911 roku jako uzasadnienie głównie do rozpraszania wstecznego cząstek alfa w eksperymencie przeprowadzonym w 1909 r. W doświadczeniu bombardowano folię złota, później innych pierwiastków cząstkami alfa. Badając rozkład kątowy promieniowania rozproszonego na folii, doszedł do wniosku, że w atomie w niewielkiej objętości jest masa znacznie większa niż masa cząstki alfa, nazwanej później jądrem atomowym. Rutherford zauważył, że centralny ładunek, równy 100 ładunkom elektronów, jest w przybliżeniu równy połowie masy 49 cząstek alfa, sugeruje że atomy składają się z połówek cząstek alfa. Z dużej energii emitowanych przez atomy cząstek alfa wnioskuje, że jądro ma ładunek dodatni. Miesiąc po ukazaniu się artykułu Rutherforda, w „Nature” został opublikowany list Antoniusa van den Broka, w którym wskazał, że ładunek jądra atomowego jest tożsamy z liczbą ładunków w jądrze atomowym i jest równoważny liczbie atomowej. Obliczył, że od wodoru do uranu jest 120 pierwiastków. W kolejnej pracy stwierdził, że w ciągu atomów ułożonych w kolejności ich mas atomowych, każdemu atomowi odpowiada kolejny ładunek jądra, który decyduje o właściwościach atomu. Koncepcje te, doprecyzowujące model atomu Rutherforda, zostały uznane przez naukowców. W efekcie zaproponowano liczne modele jądra atomowego, w których jądro atomowe składało się z protonów i elektronów. Modele te funkcjonowały aż do odkrycia w 1932 roku neutronu i zaproponowania modelu protonowo-neutronowego przez Dmytra Iwanenkę i Wernera Heisenberga.

Fizyka jądra atomowego

Oznaczanie Jądra atomowe oznacza się takim samym symbolem, jak pierwiastek chemiczny odpowiadający temu jądru, dodatkowo przed symbolem w indeksie górnym podaje się liczbę masową (A), a w indeksie dolnym można podać liczbę atomową (Z). Przykładowo jądro atomowe o 11 protonach i 13 neutronach, jest jądrem nietrwałego izotopu sodu-24 i oznacza się je symbolem lub .

Jądro atomowe a atom Własności jądra, w jego stanie podstawowym, są determinowane poprzez liczbę znajdujących się w nim nukleonów. Liczba protonów, określa ładunek elektryczny jądra. Wielkość tego ładunku wyznacza możliwe konfiguracje elektronów otaczających jądro, z możliwych konfiguracji elektronów wynikają możliwości łączenia się atomów z sobą, a tym samym ich własności chemiczne, co decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest ten atom, określając tym samym liczbę atomową. Atomy o jądrach o tej samej liczbie protonów, ale różnej neutronów nazywa się izotopami. Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy.

W reakcjach jądrowych ważna jest nie tylko liczba protonów, ale również liczba neutronów.

Siły jądrowe Między dodatnio naładowanymi protonami występuje odpychanie elektryczne, którego efekty są równoważone przez oddziaływanie silne między nukleonami. Oddziaływania silne działają jednak tylko na bardzo krótkich dystansach, zbliżonych do rozmiarów samych jąder. Przy większych odległościach przeważają siły odpychania elektrycznego.

Modele budowy jądra Jądra atomowe bada się, analizując samorzutne i wymuszone rozpady jąder, a także badając rozpraszanie cząstek na jądrach (promieniowanie gamma, elektrony, neutrony, protony itp.). Stwierdzono, że większość jąder ma kształt zbliżony do kuli, a niektóre są owalne. Gęstość wewnątrz jąder jest jednakowa i szybko spada do zera w pewnej odległości od środka, którą określa się jako promień jądra.

Jądra mają rozmiary rzędu 10−14 – 10−15 m, co stanowi około jedną stutysięczną rozmiaru atomu. Jednak to w jądrze skupione jest ponad 99,9% masy atomu.

Zakładając jednakową gęstość jąder atomowych, tak jak określa to model kroplowy jądra atomowego, rozmiar jądra zależny od jego liczby masowej z wyjątkiem kilku najlżejszych jąder określa zależność:

gdzie: – liczba masowa, – promień jądra, – metr.

Model kroplowy Jednym z pierwszych modeli budowy jądra był model kroplowy. Zakłada on, że nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w kropli 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. Najważniejszym założeniem modelu jest to, że jądra są kuliste. Przez analogię do energii kropli cieczy, w tym modelu energię wiązania jąder atomowych oblicza się 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 dużej masie. Prowadzi to do wniosku, że w dużych jądrach może następować rozdzielenie się na dwa fragmenty, co wyjaśnia zjawiska rozszczepienia jąder atomowych ciężkich pierwiastków. Model ten jest bardzo przybliżony i nie wyjaśnia wszystkich własności jąder.

Model powłokowy Powłokowy model jądra atomowego powstał na zasadzie analogii do powłokowego modelu atomu i zgodnie z obserwacjami poziomów wzbudzenia jąder atomowych zakłada że, nukleony nie mogą wewnątrz jądra przyjmować dowolnych stanów energetycznych, lecz tylko te zgodne z energiami kolejnych powłok. Każdą powłokę może zajmować określona liczba nukleonów. Kiedy zostanie ona wypełniona, energia wiązania dla pierwszego nukleonu na kolejnej powłoce jest wyraźnie mniejsza. Model zakłada, że nukleony poruszają się w jądrze prawie niezależnie, a oddziaływanie nukleonu z pozostałymi nukleonami można zastąpić oddziaływaniem tego nukleonu ze średnim polem działającym na niego. W modelu określa się 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 też istnienie „liczb magicznych”: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 dla których jądra atomowe są najstabilniejsze. Jeżeli jądro ma jeden nukleon mniej lub więcej, to energia wiązań jest w nim wyraźnie mniejsza.

Cechą modelu powłokowego jądra jest istnienie oddzielnych powłok dla neutronów i protonów. Jeżeli 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 modelu jądra atomowego jest istnienie wyspy stabilności. Fizycy jądrowi wysunęli hipotezę, że jądra o liczbach atomowych powyżej 184 mogą mieć znacznie większe okresy półrozpadu od większości transuranowców. Badania nad syntezą jąder o liczbie atomowej 116 wskazują na zwiększającą się ich trwałość.

Model powłokowy odnosi się również do zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Zauważono zależność poziomów energetycznych jąder o spinie połówkowym od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego.

Modele kolektywne Modele te zakładają, że 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 (, 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.

Jądra trwałe i nietrwałe Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania między tworzącymi je nukleonami. Dla wszystkich jąder atomowych o liczbie atomowej od 1 (wodór) aż do 83 (bizmut); 80 z nich ma trwałe lub bardzo długożyciowe izotopy (wyjątki to technet i promet). Cięższe pierwiastki nie mają trwałych izotopów, jednak mają izotopy o czasie połowicznego rozpadu tak dużym, że można znaleźć je w naturze. Najcięższym z tych pierwiastków jest pluton o liczbie atomowej 94. Cięższe pierwiastki nie występują na Ziemi, jednak można je sztucznie wytworzyć w akceleratorach cząstek. Najcięższym obecnie uzyskanym pierwiastkiem jest oganeson o liczbie atomowej 118, który może być gazem szlachetnym; został otrzymany w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej w 2006 r.

Trwałość jądra można 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, można 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), można oszacować czas rozpadu.

Dla średnich i ciężkich 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. Potem następuje wyraźne odejście od tej zależności. Energie wiązania cięższych jąder są w efekcie mniejsze niżby to wynikało z liczby nukleonów.

Jądra z parzystą liczbą neutronów i protonów (parzysto-parzyste) cechują się największą trwałością i można je odnaleźć na Ziemi w znacznych ilościach. Jądra z nieparzystą liczbą protonów lub neutronów (parzysto-nieparzyste) są już dużo 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.

Przemiany jądrowe

Zarówno występujące w naturze, jak i sztuczne jądra atomowe podlegają przemianom zwanym reakcjami lub przemianami jądrowymi. Przemiany jądrowe mogą być samorzutne (jądra nietrwałe ulegają rozpadowi) albo są inicjowane przez dostarczenie energii do jądra. Jądro posiadające wyższą energię niż podstawowe jądro nazywa się jądrem wzbudzonym. Oznacza to, że zmiana jądra może być zainicjowana w dwóch następujących przypadkach: pochłonięcia cząstki elementarnej, pobudzenie do wyższego 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 dużą 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: , gdzie: – energia, – masa, – prędkość światła w próżni.

Energia wydziela się w postaci promieniowania elektromagnetycznego (gamma) oraz emisji cząstek (jąder helu, elektronów, protonów, neutronów i neutrin) często o dużych energiach. Proces rozpadu wielu jąder atomowych prowadzi do powstania promieniowania jonizującego o dużym natężeniu.