1.1.3  Jądro atomowe

Doświadczenia Rutherforda (1911 r.) polegające na przepuszczaniu cząstek a przez blaszki metalu wykazały, że atom posiada jądro o średnicy ok. 10^-14 m. Stanowi ono bardzo niewielką część średnicy atomu, która jest rzędu 10^-10 – 10^-9 m. Oznacza to, że przestrzeń wewnątrzatomowa jest praktycznie pusta. Prawie cała masa atomu zawarta w jądrze atomowym jest skoncentrowana w bardzo małej objętości. Stąd gęstość materii jądrowej jest rzędu 10¹⁵ kg/m³. W skład jądra wchodzą protony i neutrony. Jednakże masa jądra atomu nie jest równa sumie mas nukleonów wchodzących w jego skład. Np. masa atomowa tlenu wynosi 15,994915 j.m.a., a masa składników atomu tzn. 16 nukleonów (8 protonów i 8 neutronów) i 8 elektronów 16,131920 j.m.a. Różnica wynosi ok. 0,137 j.m.a.. i nosi nazwę defektu masy. Defekt masy charakterystyczny dla atomu helu tzn. różnica między masą atomową, a masą 2 protonów, 2 neutronów i 2 elektronów wynosi ok. 0,031 j.m.a. Im większy atom, tym większy jest defekt masy. Defekt masy (przeliczony zgodnie z równaniem Einsteina) odniesiony do 1 nukleonu nosi nazwę energii wiązania. Wartość ta jest miarą trwałości jądra. Im większa jest energia wiązania nukleonów w jądrze, tym większa jest trwałość jądra. Im większa jest energia wiązania, tym więcej energochłonne jest rozbicie atomów na części składowe. Jest to energia niezbędna do utrzymywanie nukleonów w jądrze. Siła wiążąca nukleony w jądrze musi pokonać siły elektrostatycznego odpychania jednoimiennych ładunków protonów. Jednocześnie zasięg działania tych sił musi być ograniczony, bowiem bardzo duże jądra są nietrwałe, o czym świadczy zjawisko rozpadu promieniotwórczego. Za istnienie sił jądrowych działających wewnątrz jądra atomowego, wiążących składniki jądra w jedną całość jest odpowiedzialna energia wiązania. Zależność energii wiązania od liczby nukleonów w jądrze (liczby masowej) przedstawiono na rys.2.

Rysunek 2. Energia wiązania nukleonów w zależności od liczby masowej pierwiastków.

Z przedstawionego wykresu można zauważyć, że energia wiązania nukleonów w jądrze zmienia się wraz z liczbą masową. Początkowo silnie wzrasta, osiąga wartości bliskie maksymalnej dla pierwiastków o liczbach masowych 52 – 88, a potem łagodnie maleje. Maksimum energii odpowiada pierwiastkom leżącym między chromem a strontem w układzie okresowym. Konsekwencją tego faktu jest konstatacja, że zarówno synteza nuklearna cięższych pierwiastków z lżejszych (np. H, D, He), jak i rozpad najcięższych pierwiastków (U, Pu) są procesami egzoenergetycznymi prowadzącymi do powstania dużych ilości energii.