мини|Визуелни приказ хелијумовог атома према квантномеханичком моделу. У језгру, протони су ружичасти а неутрони љубичасти. Реално језгро хелијума је сферно симетрично. Густина сивог облака око језгра пропорционална је вероватноћи налажења електрона. 1 Fermi = 10-15 m. 1 Ангстрем = 10-10 m Атомско језгро је центар атома, огромне густине који се састоји од нуклеона – протона и неутрона. Број протона у атомском језгру се зове атомски број, и одређује ком хемијском елементу атом припада (на пример водоник, угљеник, кисеоник, итд.). Број неутрона одређује изотоп елемента. Протони и неутрони имају скоро једнаке масе, и њихов заједнички број масени број, је приближно једнак атомској маси атома (сваки изотоп елемента има јединствену атомску масу). Маса електрона је мала и не доприноси значајно атомској маси.С. Мацура, Ј. Радић-Перић, АТОМИСТИКА, Факултет за физичку хемију Универзитета у Београду/Службени лист.

Историја

Било је много хипотеза о грађи атома које су биле више плод маште него систематских и чињеницама поткрепљених истраживања. Први, на експериментима заснован модел био је Томпсонов модел „пудинга од шљива“, 1903. г, (пудинг од шљива: електрони у атому распоређени су као суво грожђе у пудингу). По овом моделу електрони су распоређени по запремини атома. Фреквенција осциловања електрона око тих равнотежних положаја одговара фреквенцији зрачења које атом емитује. Овај модел није могао да опише квантитативно ниједан експеримент, али није био ни у противуречности са до тада познатим експериментима. Новим експериментима које је започео Радерфорд, а који нису могли да се протумаче Томпсоновим моделом, постављени су темељи савременог схватања нуклеарне структуре атома: 1906. г. Е. Радерфорд је испитивао расејавање алфа честица на металним листићима, с циљем да испита продорност алфа зрака. 1910. г. Х. Гајгер и Е. Марсден, Радерфордови сарадници, опазили су случајеве расејавања алфа честица у којима је угао расејавања био скоро 180°. 1911. г. Е. Радерфорд поставља планетарни модел атома: унутар атома налази се позитивно наелектрисано језгро, малих димензија, у којем је усредсређена практично целокупна маса атома, а око језгра круже електрони. 1911 - 1912. г. Х. Гајгер и Е. Марсден експериментално су потврдили исправност Радерфордове поставке. 1912. г. П. Блекет, помоћу тек откривене Вилсонове коморе, добио је фотографије трагова алфа честица који су имали оштре преломе. Преломи потичу од једноструких судара (расејавања) алфа честица са атомима гаса у комори. 1913. г. А. ван ден Брук приметио је да подаци о расејавању алфа честица могу најлакше да се објасне ако се претпостави да је наелектрисање језгра умножак елементарног наелектрисања електрона и редног броја елемента -{Ze}-. 1914. г. Х. Мозли, мерећи фреквенције карактеристичног X зрачења, потврдио је Ван ден Брукову хипотезу.

Откриће електрона је била прва назнака да атом има унутрашњу структуру. На почетку 20. века био је прихваћен модел пудинг са вишњама Џозефа Џона Томсона по ком је атом велика позитивно наелектрисана лопта са малим негативно наелектрисаним електронима уроњеним у њу. До почетка 20. века физичари су такође открили три типа зрачења која су долазила из атома, која су названа алфа, бета и гама зрачење. Експерименти из 1911. Лисе Мајтнер и Ота Хана и Џејмса Чедвика из 1914. су открили да је спектар бета распада био континуалан, а не дискретан, тј. електрони су били избачени из атома са распоном енергије, а не са дискретним количинама енергије која су уочена код гама и алфа распада. Ово је представљало проблем за ондашњу нуклеарну физику, пошто је наговештавало да укупна количина енергије није одржана у овим распадима. Проблем ће касније довести до открића неутрина.

Отприлике у исто време (1909), Гајгер и Марсден изводе експеримент у ком испаљују алфа честице (језгра хелијума) у танку златну фолију. Модел пудинга од шљива је предвиђао да алфа честице излазе из фолије са незнатно искривљеним путањама. Радерфорд је био шокиран када је открио да се неколико честица одбило под великим углом, а неке су се чак вратиле назад. Ово откриће је довело до Радефордовог модела атома, у ком атом има врло мало густо позитивно наелектрисано језгро које привлачи електроне како би атом остао електрично неутрална.

Модели атомског језгра

Пошто је атомско језгро, као и већина појава и објеката на микроскопском нивоу, по особинама потпуно различито од свега што видимо у свету око нас, за његово разумевање користимо се моделима. Модели микроскопских појава и објеката обично су врло грубе апроксимације стварног стања и због тога могу да опишу предмет моделирања само делимично и то у једном врло уском сегменту. Најбољи опис пружа апарат квантне механике (квантна електродинамика и хромодинамика), али је из њега тешко наслутити физичку слику. Код атомског језгра најпознатији су модели капи и љуске. Први може добро да опише стабилност језгра и енергетику нуклеарних трансмутација а други магнетне особине и електромагнетни спектар језгра.

Скоро сви модели језгра који пружају физичку слику о језгру заснивају се на једном од два приступа: модел јаких интеракција, када се посматра ансамбл јако спрегнутих језгара модел независне честице, када се интеракције између језгара могу занемарити и посматра се да се индивидуално језгро креће у усредњеном пољу од дејстава осталих језгара

Модел капи

Модел капи описује атомско језгро као капљицу нуклеарне „течности“. Овакав модел је оправдан због аналогије која се може повући између капљице течности и атомског језгра: густина језгра за велики опсег језгара износи око 2*1014 -{g/cm³}- и не зависи од величине језгра везивна енергија по нуклеону је константна за све, осим за јако мала језгра, као што је константна и везивна енергија по молекулу молекулске силе су краткодометне и привлачне су на већим растојањима, док су одбојне на растојањима мањим од димензија капи. Слично томе, нуклеарне силе су краткодометне и имају слично понашање на растојањима већим и мањим од димензија језгра средњи слободан пут молекула је мали у поређењу са димензијама капи, а аналогно је и средњи слободан пут нуклеона мали у поређењу са димензијама језгра ако су нуклеони јако спрегнути енергија прелаз нуклеона из слободног у везано стање може се упоредити са енергијом потребном за кондензацију капи

С друге стране, постоје и суштинске разлике између капљице и језгра атома, као што су: молекулске силе су електромагнетне природе, те су суштински различите од нуклеарних сила које су резидуалне силе јаких интеракција кретање молекула у капи се објашњава класичном физиком, док је кретање нуклеона у језгру квантне природе

Вајсцакерова формула

Везивна енергија језгра може се описати Вајсцакеровом полуемпиријском формулом:

Први члан, пропорционалан броју нуклеона, представља унутрашњу енергију језгра. Члан пропорционалан A2/3 описује „површинску“ енергију и узима у обзир то да површински нуклеони имају мањи број суседа и стога мање доприносе везивној енергији. Члан пропорционалан квадрату наелектрисања, Z2, описује електростатичко одбијање међу протонима, а члан који зависи од (A-2Z)2 представља енергију асиметрије и узима у обзир да је код лаких језгара број протона и број неутрона у језгру приближно исти. Последњи члан представља енергију спаривања којом се описује емпиријски налаз да су језгра с парним бројем протона и парним бројем неутрона стабилнија од парно-непарних и непарно-парних.

Вредности основних параметара у горњој формули одређене су на основу познатих особина језгара и износе:. Benjamin)

w0 15,56 -{MeV}- w1 17,2 -{MeV}- w2 0,698 -{MeV}- w3 23,3 -{MeV}- w4 33,5 -{MeV}-

Треба уочити да само први члан доприноси стабилности језгра (што више нуклеона тим више нуклеарних привлачних сила док остали стабилност смањују (што више протона тим је веће одбијање међу њима и тим мања стабилност језгра). Укупан резултат је да највећу енергију по нуклеону имају атомска језгра у близини гвожђа. Дакле, језгра са масом доста мањом и доста већом од масе гвожђа имају мању енергију везивања по нуклеону. То не значи да су та језгра обавезно радиоактивна, али значи да стапањем лакших (фузијом) и цепањем тежих (фисијом) при чему настају језгра средњих атомских маса, може да се добије корисна енергија. На том принципу раде савремене фисионе нуклеарне централе и истражује могућност за грађење фузионих.

Модел љуске

Модел течне капи одлично је послужио да опише енергијске особине језгра (рецимо енергију везивања по нуклеону), али није могао ни најмање да помогне да се објасни дискретна природа електромагнетног (гама) зрачења из атомског језгра. То је пошло за руком моделу љуске који је формулисан у потпуној аналогији са моделом електронских љуски у атомском омотачу. По том моделу у језгру постоје дискретни енергијски нивои у којима долази, по аналогији са електронима у електронском омотачу, до спаривања протона са протонима и неутрона са неутронима. Сваки енергијски ниво има одређени број парова које може да садржи пре него што дође до попуњавања виших нивоа. за неке специјалне, „магичне“ бројеве протона или неутрона: 2, 8, 20, 28, 50, 82 или 126, језгра су посебно стабилна.

Поред објашњења спектра гама зрачења, модел љуске је у стању да предвиди и магнетне особине језгра (видети НМР).

Модел Фермијевог гаса Код овог модела полази се од схватања да се нуклеони могу посматрати као независне честице. Према овом моделу нуклеони се у језгру крећу скоро независно, као у гасовима. Основно схватање о интеракцији међу нуклеонима код овог модела се суштински разликује од модела капљице. Показало се да је овај модел најадекватнији за језгра при ниским енергијама. Према овом моделу доказује се да међу нуклеонима постоје и одбојне силе, а не само привлачне. Да постоје само привлачне силе језгро би морало бити гушће, а и енергија везе би била већа него што је експериментално утврђено. У складу са тиме, претпоставља се да се један нуклеон може везивати само за одређен број нуклеона и то релативно мали број. Урачунавају се још и парови нуклеона према спину и према просторној симетрији, где могу постојати и силе привлачења и силе одбијања. Помоћу овог модела језгра се успешно израчунавају многа својства језгра при ниским и средњим енергијама везе, али за оне са више енергије, овај модел није ефикасан.

Оптички модел Један од основних проблема у нуклеарној физици јесте природа нуклеарних реакција, односно начин на који интерагују нуклеони и језгра у међусобним сударима. Интересантно је бавити се питањем расподеле енергије упадне честице на поједине нуклеоне језгра. Продукти оваквих реакција често имају већу енергију него што би се очекивало према равномерној расподели енергије упадне честице на поједине нуклеоне. Супротно од хипотезе о независности честица, као код модела Фермијевог гаса, постоји и хипотеза заснована на статичком методу третирања нуклеарних реакција. Према овом схватању, сложено језгро настаје одмах чим упадна честица наиђе на површину језгра, без чекања на накнадне промене и интеракције. Овај модел усваја и једно и друго схватање. Према овом моделу језгро делује на упадну честицу као нека врста потенцијалне јаме. У језгру се апсорбују упадни таласи и на тај начин се формира сложено језгро. Одавде се према овом моделу језгро не формира ни тренутно ни са потпуном сигурношћу. Пошто је корпускуларно-таласне природе, честица се после уласка у језгро одбија према законима одбијања таласа. Средња дужина слободног пута неутрона при наилажењу на језгро и при формирању сложеног језгра је већа од димензија језгра, па постоји велика вероватноћа да неутрон пролети кроз језгро без губитка енергије. Тако код овог модела језгро може имати улогу неке средине, која може и да апсорбује, а и да пропусти честице, односно таласе. На основу овога можемо узети у обзир величину аналогну индексу преламања и остале величине аналогне онима у оптици. На основу овога је модел и добио име.