Atomsko jezgro

Jezgro atoma čine protoni i neutroni, koji se jednim imenom nazivaju nukleoni. Nukleoni su u atomskom jezgru vezani jakom nuklearnom silom, koja ima veoma kratak domet i van jezgra se ne može opaziti.

Nukleus

Gotovo sva masa atoma je skoncentrisana u jezgru atoma. Latinski izraz za jezgro je “nukleus” te se čestice koje čine jezgro atoma nazivaju jednim imenom nukleoni. Postoje dva tipa nukleona: protoni i neutroni. Protoni i neutroni nisu elementarne čestice, jer se sastoje od još manjih čestica koje se nazivaju kvarkovi. Sagledavanje strukture protona i neutrona objašnjava njihovu veliku sličnost, jer se i proton i neutron se sastoje od po tri kvarka.

u – kvark (up) je čestica čije naelektrisanje iznosi +2/3 (e) dok je  d-kvark (down) čestica čije je naelektrisanje -1/3 (e).  Kako proton sadrži 2 “u” kvarka i jedan “d” kvark, njegovo naelektrisanje je 2/3+2/3-1/3 = 1e, dok je naelektrisanje neutrona posledica činjenice da se on sastoji od dva “d” kvarka i jednog “u” kvarka: 2/3-1/3-1/3 = 0, odnosno neutron je električki neutralna čestica.

Nukleone u jezgru drži zajedno jaka nuklearna sila, koja deluje privlačno između svih nukleona. Budući da je ova sila izuzetno snažna, ona uspeva da nadvlada odbojnu elektrostatičku silu između protona u jezgru. Jaka nuklearna sila je sila izuzetno kratkog dometa, te se njeno delovanje van jezgra ne oseća. Osim toga, kratak domet jake nuklearne sile rezultuje nestabilnošću teških i velikih jezgara.

Broj protona u jezgru definiše hemijski element. Atom može izgubiti elektron, ali i nakon toga ostaje isti hemijski element. Ukoliko se promeni broj protona u jezgru, atom se pretvara u sasvim drugi hemijski element. Broj protona u jezgru se naziva “atomski broj” i piše se pored oznake hemijskog elementa. Broj neutrona u jezgru ne određuje hemijski element, već doprinosi atomskoj masi tog atoma. Da ne bi došlo do zabune koji broj, pored simbola hemijskog elementa, predstavlja broj protona a koji broj neutrona, pored oznake hemijskog elementa se piše ukupan broj nukleona u jezgru (protoni + neutroni) i naziva se “maseni broj”. Atomi koji u jezgru imaju isti broj protona a različit broj neutrona, zauzimaju isto mesto u periodnom sistemu elemenata (izo = “isto”, topos = “mesto”) i nazivaju se izotopi.

Primeri hemijskih oznaka su:

$$C^{12}_{6}\quad,O^{16}_{8}\quad ,Fe^{56}_{26}$$

Primeri oznaka hemijskih izotopa su:

$$C^{12}_{6}\quad C^{14}_{6},\quad U^{234}_{92}\quad U^{235}_{92}\quad U^{238}_{92}$$

Defekt mase i energija veze

Masa jezgra je manja od zbira masa nukleona koji ga tvore. U klasičnoj fizici ovakva tvrdnja bila bi u suprotnosti sa zakonom održanja mese, jer bi značila da je deo mase u procesu formiranja jezgra nestao. U kvantnoj fizici, koja se bavi fenomenima na nivou čestica, ova tvrdnja znači da se deo mase nukleona prilikom formiranja jezgra pretvorio u energiju. Ova transformacija mase u energiju se odvija u skladu sa Ajnštajnovom formulom:

$$E = mc^2 $$

Prilikom formiranja jezgra deo mase nukleona se trasformiše u energiju veze nukleona u jezgru. Energija veze je rad koji bi trebalo izvršiti da se čestice vezane u jezgro pretvore u slobodne čestice. U slučaju nukleona ovaj rad je izuzetno veliki, te promena mase nukleona postaje primetna.

Energija veze svih nukleona u jezgru ne raste linearno sa povećanjem broja nukleona. Uočeno je da jezgra čiji broj nukleona (bilo protona ili neutrona) ima određene vrednost (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 – magic numbers) iskazuju posebnu stabilnost, koja je posledica veće energije veze. Ova činjenica je uz druga opažanja sugerisala da su nukleoni u jezgru organizovani na sličan način kao i elektroni u atomskom omotaču – po eneregetskim nivoima. Inertni gasovi su posebno stabilni atomi zato što su im popunjeni svi elektronski energetski nivoi (za dati broj elektrona). Tako su i jezgra sa brojem nukleona koji odgovara nekom od magičnih brojeva posebno stabilna. Dobar primer za ovo su veoma rasprostranjeni elementi u prirodi:

$$He^{4}_{2};\quad O^{16}_{8};\quad Ca^{28}_{20};\quad Pb^{206}_{82}…$$

Ova opažanja su dovela do predlaganja modela jezgra “Shell model”, koji podrazumeva raspodelu nukleona u jezgru po energetskim nivoima. Kada je neki od energetskih nivoa popunjen nukleonima, jezgro je posebno stabilno. Magični brojevi predstavljaju brojeve nukleona potrebne da se popune prvi (2), prvi + drugi (8), prvi + drugi+ treći (20) itd Ovaj model isključuje ponašanje nukleona po uzoru na kretanje molekula gasa, gde se molekuli gasa stalno sudaraju i razmenjuju energiju, već predlaže diskretna energetska stanja nukleona.
Pa ipak, nemogućnost egzaktnih eksperimenata pri niskim energijama (zbog izuzetno snažne jake nuklearne sile) i istovremeni razni mogući procesi u eksperimentima pri visokim energijama, ostavljaju mogućnost modeliranja drugačijeg ustrojstva atomskog jezgra.