Το μέγεθος και η δομή των πυρήνων

Το πρότυπο του Rutherford για το άτομο είναι όμοιο με αυτό του ηλιακού μας συστήματος. Μετά από επίπονα πειράματα μετρήθηκαν οι ακτίνες του ατόμου και του πυρήνα και βρέθηκε ότι: η ακτίνα του ατόμου είναι της τάξης των 1010m και η ακτίνα του πυρήνα της τάξης μεγέθους μεταξύ των 1015m και 1014m. Ο πυρήνας λοιπόν έχει ακτίνα μερικές δεκάδες χιλιάδες φορές μικρότερη από την ακτίνα του ατόμου. Για να γίνει αυτό αντιληπτό, μπορούμε να κάνουμε την εξής παρομοίωση: το άτομο σαν ένα μεγάλο στάδιο και τον πυρήνα σαν ένα κεράσι στο κέντρο του. Άρα το άτομο είναι σχεδόν άδειο στο εσωτερικό του.

Όλοι οι πυρήνες των ατόμων αποτελούνται από πιο μικροσκοπικά σωματίδια, τα νουκλεόνια, που τα διακρίνουμε σε πρωτόνια και νετρόνια. Ο πυρήνας του υδρογόνου είναι μόνο ένα πρωτόνιο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα μπορούμε να τα φανταστούμε σαν ένα τσαμπί από σταφύλια, σφαιρικού περίπου σχήματος, του οποίου οι ρώγες, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια, έχουν το ίδιο μέγεθος και την ίδια περίπου μάζα, αλλά διαφέρουν ως προς το ηλεκτρικό φορτίο (σχήμα 3-5). Το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή έχει μηδενικό φορτίο, ενώ το πρωτόνιο φέρει το στοιχειώδες θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Το συνολικό φορτίο του πυρήνα είναι ίσο με το άθροισμα των φορτίων των πρωτονίων του. Στο σημείο αυτό πάντως θα πρέπει να τονιστεί ότι, ενώ στον κόσμο το δικό μας, το μακρόκοσμο, η ακινησία είναι συνηθισμένο φαινόμενο, στο μικρόκοσμο οι στοιχειώδεις δομικές μονάδες της ύλης δεν είναι δυνατό να ακινητοποιηθούν. Εκδηλώνουν μια αέναη κίνηση, δηλαδή κινούνται συνεχώς και έχουν κινητική ενέργεια.

3-5 Ένας πυρήνας μοιάζει με ένα τσαμπί, του οποίου οι ρώγες είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

3-4 Οι σημερινές ενδείξεις μάς λένε ότι το Σύμπαν γεννήθηκε σε μια γιγαντιαία έκρηξη, το Bing-Bang, πριν από 15 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το μέγεθος όλου του Σύμπαντος ήταν μικρότερο από αυτό ενός ατόμου. Σήμερα παρόμοιες συνθήκες αναπαράγονται στο εργαστήριο με συγκρούσεις στοιχειωδών σωματιδίων στους επιταχυντές.

Πρωτόνιο Νετρόνιο

Τη συγκρότηση κάθε πυρήνα περιγράφουμε χρησιμοποιώντας τους παρακάτω αριθμούς: Τον ατομικό αριθμό Ζ, που είναι ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα. Τον αριθμό νετρονίων Ν. Το μαζικό αριθμό Α, που είναι ο αριθμός των νουκλεονίων (νετρονίων και πρωτονίων) του πυρήνα. Ισχύει δηλαδή: A=Z+N Συμβολικά ένας πυρήνας θα παριστάνεται ως X AZ, όπου το Χ παριστάνει το χημικό σύμβολο του στοιχείου. Έτσι, για παράδειγμα, ο Fe 56/26 έχει μαζικό αριθμό 56 και ατομικό αριθμό 26, δηλαδή περιέχει 26 πρωτόνια και 30 νετρόνια. Πυρήνες που ανήκουν στο ίδιο χημικό στοιχείο και έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων Ζ αλλά όχι και τον ίδιο αριθμό νετρονίων Ν ονομάζονται ισότοποι. Γίνεται φανερό ότι οι ισότοποι πυρήνες έχουν διαφορετικό μαζικό αριθμό Α. Τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων, αφού αυτός, στα ουδέτερα άτομα, είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων. Συνεπώς τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες, επειδή αυτές καθορίζονται από το πλήθος των ατομικών ηλεκτρονίων. Γι΄ αυτό το λόγο στη Χημεία το όνομα κάθε στοιχείου συνοδεύεται μόνο από τον ατομικό του αριθμό Ζ. Τα ισότοπα ενός στοιχείου δε βρίσκονται με την ίδια αφθονία στη φύση. Έτσι το ισότοπο C 12 6 του άνθρακα βρίσκεται σε ποσοστό περίπου 99% στη φύση, ενώ τα ισότοπα 13C 6 και 14C 6 βρίσκονται σε πολύ μικρότερα ποσοστά. Για τη μέτρηση των μαζών των πυρήνων χρησιμοποιούμε την ατομική μονάδα μάζας u, η οποία ορίζεται ως το 1/12 της μάζας του ατόμου του 12C 6 . Αυτό σημαίνει ότι η μάζα ενός ατόμου 12C 6 μαζί με τα 6 ηλεκτρόνιά του είναι 12u. Για τη μέτρηση των μαζών των πυρήνων προτιμάμε να χρησιμοποιούμε τις ατομικές μονάδες μάζας αντί για kg, γιατί η ατομική μονάδα μάζας είναι πολύ μικρότερη από το kg και έτσι η σύγκριση μεταξύ των μαζών των πυρήνων γίνεται με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η μάζα οποιουδήποτε σώματος είναι ισοδύναμη με κάποια ποσότητα ενέργειας, όπως καθορίζεται από τη σχέση: E = m c 2 (3.1)

Σύμφωνα με τη σχέση αυτή, μπορούμε να μετράμε τη μάζα ενός σωματιδίου και σε μονάδες ενέργειας. Συνήθως στην Πυρηνική χρησιμοποιούμε τη μονάδα 1MeV.

Σχέσεις των διάφορων μονάδων μάζας και ενέργειας: 1u = 1,66055x1027 kg 1eV = 1,602x1019 Joule 1MeV = 1,602x1013 Joule 1u = 931,48 MeV

Πίνακας 3.1 Μάζες ηρεμίας και φορτίο του πρωτονίου, του νετρονίου και του ηλεκτρονίου σε διάφορες μονάδες.

MAZA ΦΟΡΤΙΟ Σωματίδιο kg u MeV/c2 C Πρωτόνιο 1,6726x1027 1,007276 938,28 1,602177x1019 Νετρόνιο 1,6750x1027 1,008665 939,57 0,000000 Ηλεκτρόνιο 9,109x1031 5,486x104 0,511 1,602177x1019