ΣΥΝΟΨΗ 3ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

Ο πυρήνας του ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και έχει ακτίνα μερικές δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερη από την ακτίνα του ατόμου. Η ταυτότητα ενός πυρήνα είναι ο ατομικός του αριθμός Ζ και ο μαζικός του αριθμός Α. Πυρήνες με ίδιους ατομικούς αριθμούς λέγονται ισότοποι. Η μάζα ενός πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των ελεύθερων νουκλεονίων που τον αποτελούν. Η διαφορά αυτή των μαζών ονομάζεται έλλειμμα μάζας. Δηλαδή ισχύει: ΔΜ = Ζmp+Nmn ΜΠ Η ισοδύναμη ενέργεια ΕΒ που αντιστοιχεί στο έλλειμμα μάζας ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης του πυρήνα. Δηλαδή ισχύει: ΕΒ=(ΔΜ)c2 Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο σε έναν πυρήνα τόσο σταθερότερος είναι ο πυρήνας αυτός. Η δύναμη που συγκρατεί τα νουκλεόνια στον πυρήνα είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που δρα μόνο σε πολύ κοντινές αποστάσεις μεταξύ των γειτονικών νουκλεονίων. Η ενέργεια του πυρήνα είναι κβαντωμένο μέγεθος. Ο πυρήνας έχει διακριτές ενεργειακές στάθμες. Σε κάθε σωμάτιο αντιστοιχεί το αντισωμάτιό του. Όταν αυτά συνενωθούν, εξαϋλώνονται και μετατρέπονται σε φωτόνια ή δημιουργούνται άλλα σωμάτια. Τα νουκλεόνια αποτελούνται από quarks up και down, που φέρουν ως φορτία κλάσματα του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Τα quarks δεν εμφανίζονται ελεύθερα. Τα λεπτόνια είναι 6 σωματίδια που δεν εκδηλώνουν ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Στην ομάδα αυτή ανήκουν το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο. Οι θεμελιώδεις δυνάμεις είναι: η ισχυρή, η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η βαρυτική. Οι αλληλεπιδράσεις σε θεμελιώδες επίπεδο ερμηνεύονται με ανταλλαγή σωματιδίων που είναι φορείς των δυνάμεων. Οι πιο πολλοί πυρήνες είναι ασταθείς και μεταπίπτουν σε σταθερούς πυρήνες με διασπάσεις α, β και γ. Το φαινόμενο ονομάζεται ραδιενέργεια. Στην πυρηνική σχάση ένας βαρύς πυρήνας με απορρόφηση νετρονίων χωρίζεται σε δύο μεγάλα θραύσματα και ελευθερώνονται νέα νετρόνια. Η σχάση είναι αντίδραση εξώθερμη. Στην πυρηνική σύντηξη δύο ελαφροί πυρήνες συνενώνονται, για να σχηματίσουν ένα βαρύτερο. Η αντίδραση αυτή είναι εξώθερμη. Οι πυρηνικές ακτινοβολίες προκαλούν βλάβες, αλλά βρίσκουν και πολλές χρήσεις στην Ιατρική, στη βιομηχανία, στη Γεωπονία κτλ.

ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Τι ονομάζουμε ισότοπους πυρήνες; Σε τι μοιάζουν τα ισότοπα ενός στοιχείου Χ; 2. i. Ποιοι από τους παρακάτω πυρήνες περιέχουν τον ίδιο αριθμό: • πρωτονίων, • νετρονίων, • νουκλεονίων; ii. Ποιοι περιστοιχίζονται από τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων στο ουδέτερο άτομο; iii. Ποιοι είναι ισότοπα του ίδιου στοιχείου; (α) 12C, (β) 14C, (γ) 13C, (δ) 14N, (ε) 16O, (ζ) 17O 3. Τι ονομάζουμε ενέργεια σύνδεσης ενός πυρήνα; 4. Ο πυρήνας Χ έχει ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο 8,8MeV, ενώ ο πυρήνας Y έχει ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο 7,6MeV. Ποιος από τους δύο είναι πιο σταθερός; 5. Συμπληρώστε τα κενά στο παρακάτω κείμενο: Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο εμφανίζει τις μεγαλύτερες τιμές για πυρήνες ……………. μαζικών αριθμών. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σύνδεσης ενός πυρήνα τόσο …………… είναι ο πυρήνας. Ένας πυρήνας με μεγάλο μαζικό αριθμό έχει …………. ενέργεια σύνδεσης από έναν πυρήνα μεσαίου μαζικού αριθμού και μπορεί να ………….. σε δύο μεσαίους πυρήνες ………………. ενέργεια υπό μορφή …………….. …………… των θραυσμάτων. 6. Στο πείραμα του Rutherford υποθέστε ότι ένα σωμάτιο α μικρής κινητικής ενέργειας κατευθύνεται μετωπικά προς τον πυρήνα ενός ατόμου. Γιατί το σωμάτιο δεν έρχεται σε επαφή με τον πυρήνα; 7. Πώς εξηγείται το ότι ένας πυρήνας δε διασπάται, αν και τα πρωτόνιά του απωθούνται αμοιβαία μεταξύ τους; 8. Ποιες είναι οι σημαντικότερες ιδιότητες της ισχυρής πυρηνικής δύναμης; 9. Να αντιστοιχίσετε τις διάφορες αλληλεπιδράσεις με τα σωματίδια φορείς τους: (α) ισχυρή (Α) φωτόνιο (β) ασθενής (Β) βαρυτόνιο (γ) βαρυτική (Γ) W+, W, Ζ0 (δ) ηλεκτρομαγνητική (Δ) γκλουόνιο 10. Το περιεχόμενο σε quarks του νετρονίου είναι udd. Ποιο είναι το περιεχόμενο σε quarks του αντινετρονίου; Το νετρόνιο και το αντινετρόνιο ταυτίζονται; 11. Ποια στοιχειώδη σωματίδια υπάρχουν στην ύλη που παρατηρούμε σήμερα στο Σύμπαν; 12. Χαρακτηρίστε καθεμιά από τις παρακάτω προτάσεις ως σωστή ή λάθος: α. Ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο εξαϋλώνονται και στη θέση τους παράγεται ένα φωτόνιο. β. Ένα λεπτόνιο (μ) αλληλεπιδρά με ένα πρωτόνιο με ισχυρή αλληλεπίδραση ανταλλάσσοντας ένα γκλουόνιο. γ. Τα λεπτόνια είναι συνολικά έξι, εκ των οποίων τα τρία μόνο έχουν ηλεκτρικό φορτίο. δ. Ένα αδρόνιο αποτελείται από τα παρακάτω quarks: (u, d). ε. Σε κάθε στοιχειώδες σωματίδιο αντιστοιχεί και ένα αντισωματίδιο. 13. Ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο με αμελητέες κινητικές ενέργειες εξαϋλώνονται και σχηματίζονται δύο φωτόνια. Πόση ενέργεια έχουν συνολικά τα δύο φωτόνια; 14. Συμπληρώστε τα κενά στο παρακάτω κείμενο: Τα νουκλεόνια δομούνται από ………….. Τα λεπτόνια είναι μια ξεχωριστή κατηγορία στοιχειωδών σωματιδίων, που δε συμμετέχουν σε …………… αλληλεπιδράσεις. Τα ……………… είναι οι φορείς των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Δύο quarks αλληλεπιδρούν ισχυρά ανταλλάσσοντας ένα ………. 15. Τι είναι η μεταστοιχείωση; 16. Ποιο φαινόμενο ονομάζεται ραδιενέργεια; Ποια είδη ραδιενεργών ακτινοβολιών υπάρχουν; 17. Τι ονομάζουμε χρόνο ημιζωής ενός ραδιενεργού πυρήνα; 18. Γιατί, όσο αυξάνεται ο ατομικός αριθμός των πυρήνων, χρειάζεται να υπάρχουν όλο και περισσότερα νετρόνια, για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα των πυρήνων; 19. Ένα φιλμ που βρίσκεται μέσα σε ένα κουτάκι από παχύ χαρτόνι κινδυνεύει να προσβληθεί από παρακείμενες πηγές: i. ακτίνων α ii. ακτίνων γ iii. ακτίνων β 20. Υποθέστε ότι μία δέσμη περιέχει σωματίδια α, β και γ, τα οποία θέλουμε να διαχωρίσουμε. Υποδείξετε κατάλληλο πειραματικό τρόπο. 21. Ποιος πυρήνας θα προέλθει από τη διάσπαση β ενός ενός πυρήνα 14C 6 ; 22. Το παρακάτω σχήμα δείχνει διαφορετικές διασπάσεις μιας αρχικά διεγερμένης κατάστασης του πυρήνα 164 Ho , 67 η οποία διασπάται κατά διάφορους τρόπους: α. Χαρακτηρίστε καθεμιά από αυτές ως διάσπαση α, διάσπαση β και διάσπαση γ. β. Για όποιες από αυτές είναι διασπάσεις γ υπολογίστε τις αντίστοιχες ενέργειες των φωτονίων που παράγονται. γ. Για όποιες από αυτές είναι διασπάσεις β συμπληρώστε τις αντίστοιχες αντιδράσεις. 23. Ποιες πυρηνικές αντιδράσεις ονομάζουμε σχάσεις και ποιες συντήξεις; 24. Σε τι διαφέρει ο μηχανισμός σχάσης που γίνεται σε έναν αντιδραστήρα από το μηχανισμό σχάσης σε μια πυρηνική βόμβα; 25. Σε οποιαδήποτε πυρηνική αντίδραση ισχύουν οι παρακάτω ιδιότητες: α. Το άθροισμα των ατομικών αριθμών στο πρώτο και στο δεύτερο μέλος της αντίδρασης είναι ίσο. β. Το άθροισμα των μαζικών αριθμών στο πρώτο και στο δεύτερο μέλος της αντίδρασης είναι ίσο. Εξηγήστε ποιοι βασικοί νόμοι διατήρησης δικαιολογούν τις ιδιότητες αυτές. 26. Ποιες από τις παρακάτω αντιδράσεις είναι πυρηνικές συντήξεις και ποιες πυρηνικές σχάσεις;