3. Jądro atomowe

Energia wiązania nukleonów w jądrze

Jądro atomowe

Grafika: Siły przyciągania pomiędzy nukleonami*. Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Siły elektrostatycznego odpychania między protonami znajdującymi się w małych odległościach od siebie są znaczne, mimo to większość jąder stanowi układy bardzo trwałe. Wynika to z istnienia sił jądrowych, którym podlegają wszystkie nukleony niezależnie od ich ładunku elektrycznego.

Cechą charakterystyczną sił jądrowych jest to, że bardzo szybko zanikają w miarę wzrostu odległości, a duże wartości przyjmują tylko wtedy, gdy nukleony znajdują się w odległościach nie przekraczających rozmiarów jąder. Są to zatem siły krótko-zasięgowe.

Energia wiązania jądra jest przedstawiana w odniesieniu do energii wiązania jednego nukleonu w jadrze (energia separacji nukleonu). Energia wiązania nukleonu dla większości nuklidów jest rzędu 7-8,7 MeV. Maksymalną wartość osiąga dla jąder o liczbie masowej 56.

Energia wiązania nukleonów w jądrze atomowym w przeliczeniu na jeden nukleon w funkcji liczby masowej jądra.

Grafika: Energia wiązania na jeden nukleon w zależności od liczby nukleonów w jądrzeŹródło: Persino, Binding energy curve - common isotopes-pl.svg, licencja: CC BY 3.0.

Defekt masy to różnica między sumą mas poszczególnych składników jądra, a masą jądra jako całości.

Zatem jeśli dodamy do siebie masy poszczególnych neutronów i protonów występujących w jądrze atomowym w celu otrzymania masy tego jądra, to wynik będzie większy od rzeczywistej masy jądra jako układu. Ubytek masy, który obserwujemy wynika z przetworzenia masy w energię wiązania jądra i można go wyjaśnić za pomocą podanej przez A. Einsteina zależności między masą, a energią: E = mc2.

Warunki trwałości jąder atomowych

Zależność liczby neutronów w jądrach izotopów, występujących w przyrodzie, od liczby atomowej pierwiastka

Grafika: Zależność liczby neutronów w jądrach izotopów, występujących w przyrodzie, od liczby atomowej pierwiastka*. 
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Najtrwalsze są jądra atomowe o takiej samej liczbie protonów i neutronów, szczególnie wtedy gdy liczba ta jest parzysta. Sytuacje taką obserwujemy w jądrach o liczbach atomowych nie przekraczających 20 gdzie stosunek liczby neutronów do liczby protonów jest bliski jedności; w miarę zwiększania się liczby atomowej stosunek ten wzrasta do wartości ok. 1,6; i może się zmieniać dla izotopów danego pierwiastka tylko w wąskich granicach.

Zarówno nadmierny wzrost liczby neutronów w stosunku do liczby protonów, jak i nadmierne jej zmniejszenie, powoduje, że jądro staje się nietrwałe i wcześniej lub później ulega przemianie lub nawet serii przemian prowadzących do utworzenia trwałego jądra. Stąd niektóre pierwiastki charakteryzuje zdolność do samorzutnego rozpadu ich jąder – są to pierwiastki promieniotwórcze (radioaktywne).

audiobook

Chcesz wiedzieć więcej! Posłuchaj! "Dlaczego niektóre izotopy emitują promieniowanie?"

Audiobook: Dlaczego niektóre izotopy emitują promieniowanie?Źródło: Agata Jarszak-Tyl, Patrycja Męcik, opracowano na podstawie: Cieśliński P., Majewski J., Śladami Marii Skłodowskiej-Curie, Warszawa 2011. 
Wielkie Biografie 3, Encyklopedia PWN, Warszawa 2008. 
Petelenz B., Pozytywizm, racjonalizm i ... romantyzm Marii Skłodowskiej-Curie, Zagadnienia Filozoficzne w Nauce, LIX, 2015. 
Michael F. L'Annunziata, Radioactivity: Introduction and History, Amsterdam, Netherlands 2007., licencja: CC BY-SA 3.0.

_________________
* Wykorzystano grafiki zamieszczone na Zintegrowanej Platformie Edukacyjnej.