Núcleo atômico

O núcleo de um átomo é a região muito pequena de um átomo denso, no seu centro que consiste núcleons ( prótons e nêutrons ). O tamanho (diâmetro) do núcleo está na gama de 1,6 FM (10 ^-15 m) (por um protão de hidrogénio em de luz) de cerca de 15 fm (para os átomos mais pesados, tais como o urânio). Estas dimensões são muito menores do que o tamanho do próprio átomo por um factor de cerca de 23.000 (urânio) e cerca de 145,000 (hidrogénio). Quase toda a massa em um átomo é composto de prótons e nêutrons no núcleo com uma pequena contribuição dos orbitando elétrons . A etimologia do termo núcleo é de 1704 significa "semente de uma noz". Em 1844, Michael Faraday usou o termo para se referir ao "ponto central de um átomo". O significado atômica moderna foi proposto por Ernest Rutherford em 1912. A adoção do termo "núcleo" a teoria atômica, no entanto, não foi imediata. Em 1916, por exemplo, Gilbert N. Lewis afirmou, em seu famoso artigo O átomo e a molécula, que "é o átomo de composto do núcleo e um átomo ou concha exterior".

Introdução

Maquiagem Nuclear

O núcleo de um átomo é composto de prótons e nêutrons (dois tipos de bárions) vinculados pelo força nuclear. Estes bárions são ainda compostos de partículas sub-atômicas fundamentais conhecidas como quarks vinculados pelo interação forte.

Isótopos e nuclides

O isótopo de um átomo é determinada pelo número de neutrões no núcleo. Diferentes isótopos do mesmo elemento têm muito semelhantes químicas propriedades. Diferentes isótopos numa amostra de um produto químico particular pode ser separado utilizando um centrifugação ou por meio de um espectrómetro de massa . O primeiro método é utilizado na produção urânio enriquecido a partir de uma amostra de urânio regular, e o segundo é utilizada em datação por carbono.

O número de prótons e nêutrons em conjunto a nuclide (tipo de núcleo). Prótons e nêutrons têm massas quase iguais, e seu número combinado, o número de massa, é aproximadamente igual ao massa atômica de um átomo. A massa combinada de electrões é muito pequena em comparação com a massa do núcleo, desde protões e neutrões pesar cerca de 2000 vezes mais de electrões.

História

A descoberta do electrão por JJ Thomson foi a primeira indicação de que o átomo tinha estrutura interna. Na virada do século 20, o modelo aceito do átomo era JJ Thomson de "Pudim de ameixa" modelo em que o átomo era uma bola carregada positivamente grande com pequenos elétrons carregados negativamente embutidas dentro dela. Na virada do século os físicos tiveram também descobriram três tipos de radiação proveniente de átomos, que deram o nome alfa, beta, e radiação gama. Experimentos em 1911 por Lise Meitner e Otto Hahn, e pela James Chadwick em 1914 descobriu que o decaimento beta espectro era contínua, em vez de discreta. Isto é, os electrões foram ejectado do átomo com uma gama de energias, em vez das quantidades discretas de energias que foram observados na gama e alfa decai. Este era um problema para a física nuclear na época, porque ele indicou que energia não foi conservado nestas decaimentos. O problema mais tarde levar à descoberta do neutrino (ver abaixo).

Em 1906, Ernest Rutherford publicado "A radiação da partícula α do Radium, de passagem, através da matéria" em Philosophical Magazine (12, p 134-46). Geiger ampliou esse trabalho em uma comunicação para a Royal Society (Proc. Roy. Soc. 17 de julho de 1908), com experiências que ele e Rutherford tinham feito passando partículas α através do ar, folha de alumínio e folha de ouro. Mais trabalho foi publicado em 1909 por Geiger e Marsden (Proc. Roy. Soc. A82 p 495-500) e trabalhar ainda mais amplamente expandido foi publicado em 1910 pelo Geiger (Proc. Roy. Soc. 01 de fevereiro de 1910). Em 1911-2 Rutherford foi antes da Royal Society de explicar as experiências e propor a nova teoria do núcleo atômico como agora entendemos isso.

Em torno do mesmo tempo em que isso estava acontecendo ( 1909 ) Ernest Rutherford realizou um notável experimento em que Hans Geiger e Ernest Marsden sob sua supervisão disparou partículas alfa (núcleos de hélio) em uma fina película de ouro folha. O modelo de pudim de ameixa previu que as partículas alfa deve sair da folha com suas trajetórias sendo no máximo levemente dobrados. Ele ficou chocado ao descobrir que algumas partículas foram espalhados através de ângulos grandes, mesmo completamente para trás em alguns casos. A descoberta, a começar com a análise de Rutherford dos dados em 1911, levou ao modelo de Rutherford do átomo, em que o átomo tem um muito pequeno núcleo, muito denso que consiste em pesadas partículas carregadas positivamente com electrões incorporados, a fim de equilibrar o carga. Como um exemplo, neste modelo de azoto-14 consistiu de um núcleo 14 com protões e sete electrões, e o núcleo foi rodeado por mais sete electrões em órbita.

O modelo de Rutherford trabalhou muito bem até que estudos de spin nuclear foram realizadas por Franco Rasetti no California Institute of Technology, em 1929 . Por 1925 era sabido que prótons e elétrons teve um giro de 1/2, e no modelo de Rutherford de nitrogênio-14 as 14 prótons e seis dos elétrons devem se uniram para cancelar uns aos outros girar, eo final de elétrons deve ter deixou o núcleo com uma rotação de 1/2. Rasetti descoberto, no entanto, que o azoto-14 tem uma rotação de um.

Em 1930 Wolfgang Pauli era incapaz de participar de uma reunião em Tübingen, e em vez disso enviou uma carta famosa com a introdução clássico "Caro radioativo Senhoras e Senhores". Em sua carta Pauli sugeriu que talvez houvesse uma terceira partícula no núcleo que deu o nome de "nêutrons". Ele sugeriu que era muito leve (mais leve do que um elétron), não tinha carga, e que não prontamente interagem com a matéria (que é por isso que ainda não tinha sido detectado). Desta forma desesperada para resolver tanto o problema da conservação de energia e do spin de nitrogênio-14, o primeiro porque "nêutron" de Pauli estava levando embora a energia extra ea segunda porque um "nêutron" extra emparelhados com o elétron no azoto 14 núcleo dando-lhe girar um. "Nêutron" de Pauli foi rebatizado o neutrino (italiano para um pouco neutro) por Enrico Fermi, em 1931 , e após cerca de 30 anos foi finalmente demonstrado que um neutrino realmente é emitido durante o decaimento beta.

Em 1932 Chadwick percebeu que a radiação que tinha sido observado pelos Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène e Frédéric Joliot-Curie foi realmente devido a uma partícula massiva que ele chamou de o nêutron. No mesmo ano Dmitri Ivanenko neutrões sugeriu que eram, de facto, as partículas de spin 1/2 e que o núcleo continha neutrões e que não houve electrões nele, e Francis Perrin sugeriu que os neutrinos não eram partículas nucleares, mas foram criados durante o decaimento beta. Para coroar o ano fora, Fermi apresentou uma teoria do neutrino para Natureza (que os editores rejeitada por ser "muito remota da realidade"). Fermi continuou trabalhando em sua teoria e publicou um artigo em 1934 que colocou o neutrino no fundamento teórico sólido. No mesmo ano Hideki Yukawa propôs a primeira teoria significativa da força forte para explicar como o núcleo mantém juntos.

Com papéis de Fermi e Yukawa é o modelo moderno do átomo estava completa. O centro do átomo contém uma bola de nêutrons e prótons, que é realizada em conjunto pela força nuclear forte. Núcleos instáveis podem sofrer decaimento alfa, em que eles emitem um núcleo de hélio energético, ou decaimento beta, em que ejetar um elétron (ou positrões). Depois de uma dessas decaimentos do núcleo resultante pode ser deixado num estado animado, e neste caso ele decai para o estado fundamental ao emitir fotões de alta energia (decaimento gama).

O estudo das forças nucleares fortes e fracos levou os físicos a colidir núcleos e elétrons a energias cada vez maiores. Esta pesquisa tornou-se a ciência da física de partículas , a jóia da coroa que é o modelo padrão da física de partículas que unifica as forças forte, fraca e eletromagnética.

Física nuclear moderno

Um núcleo de luz pode conter centenas de núcleos o que significa que com alguma aproximação que pode ser tratado como um sistema clássico , em vez de um quantum-mecânica um. Na resultante modelo líquido-drop, o núcleo tem uma energia que surge em parte da tensão superficial e em parte de repulsão elétrica dos prótons. O modelo de líquido-drop é capaz de reproduzir muitas características de núcleos, incluindo a tendência geral de energia de ligação com respeito a número de massa, bem como o fenómeno de cisão nuclear .

Sobreposta a esta imagem clássica, contudo, são efeitos de mecânica quântica, as quais podem ser descritas usando o nuclear shell modelo, desenvolvido em grande parte pela Maria Goeppert-Mayer. Núcleos com determinados números de nêutrons e prótons (o números mágicos 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) são particularmente estáveis, porque suas conchas são preenchidos.

Grande parte da investigação actual na física nuclear relaciona-se com o estudo de núcleos, em condições extremas, tais como alta rotação e energia de excitação. Os núcleos também podem ter formas extremas (semelhante à de futebol americano ) ou extremos rácios de neutrões-a-protão. Experimentadores podem criar esses núcleos usando fusão ou de transferência nucleon reações induzidas artificialmente, utilizando feixes de íons de uma acelerador. Feixes com energias ainda mais altos podem ser usados para criar núcleos em temperaturas muito altas, e há sinais de que esses experimentos produziram um transição de fase da matéria nuclear normal a um novo estado, o plasma quark-glúon, em que os quarks se misturam uns com os outros, em vez de serem segregados em trigêmeos como eles estão em prótons e nêutrons.

Temas modernos em física nuclear

Mudanças espontâneas de um nuclide para outro: decadência nuclear

Se um núcleo tem muito poucos ou demasiados neutrões pode ser instável, e irá decair depois de algum período de tempo. Por exemplo, nitrogênio -16 átomos (7 prótons, nêutrons 9) decaimento beta de oxigênio -16 átomos (8 prótons, nêutrons 8) dentro de alguns segundos de que está sendo criado. Neste decadência um nêutron no núcleo de nitrogênio é transformado em um próton e um elétron pelo força nuclear fraca. O elemento das mudanças atômicas porque enquanto ele anteriormente tinha sete prótons (que torna nitrogênio) que agora tem oito (o que torna mais oxigênio). Muitos elementos têm vários isótopos que são estáveis por semanas, anos ou até bilhões de anos.

A fusão nuclear

Quando dois núcleos leves entrar em contato muito próximo com o outro, é possível que a força forte para fundir os dois em conjunto. É preciso uma grande quantidade de energia para empurrar os núcleos perto o suficiente juntos pela força forte para ter um efeito, de modo que o processo de fusão nuclear só pode ter lugar a temperaturas muito elevadas ou altas densidades. Uma vez que os núcleos estão perto o suficiente juntos a força forte supera sua repulsão eletromagnética e espreme-los em um novo núcleo. Uma grande quantidade de energia é liberada quando núcleos leves se fundem porque o energia por núcleo aumenta de ligação com número de massa até níquel -62. estrelas como o nosso Sol são alimentadas pela fusão de quatro prótons em um núcleo de hélio, dois pósitrons, e dois neutrinos. A fusão descontrolada de hidrogénio em hélio é conhecido como um arma termonuclear. Pesquisa para encontrar um método economicamente viável de usar a energia de uma reação de fusão controlada está sendo realizado por diversas instituições de investigação (ver JET e ITER).

Fissão nuclear

Para núcleos mais pesados do que níquel -62 a energia de ligação por nucleão diminui com o número de massa. Portanto, é possível para a energia a ser lançado se um núcleo pesado se divide em dois mais leves. Essa divisão de átomos é conhecida como a fissão nuclear.

O processo de decaimento alfa pode ser pensado como um tipo especial de espontânea fissão nuclear . Este processo produz uma fissão altamente assimétrico por causa das quatro partículas que formam a partícula alfa são especialmente firmemente ligados uns aos outros, fazendo com que a produção desse núcleo na fissão particularmente susceptíveis.

Para alguns dos núcleos mais pesados que produzem neutrões de fissão, e que também absorvem facilmente neutrões de fissão para iniciar, um tipo de auto-ignição da fissão de neutrões-iniciado pode ser obtido, em uma assim chamada reação em cadeia. [Cadeia de reações eram conhecidos em química antes de física , e de fato muitos processos conhecidos, como incêndios e explosões químicas são reações em cadeia químicos]. A fissão ou de reação em cadeia "nuclear", usando nêutrons produzidos em fissão, é a fonte de energia para a energia nuclear plantas e tipo fissão bombas nucleares, tais como os dois que o Estados Unidos usado contra Hiroshima e Nagasaki no final da Segunda Guerra Mundial . Núcleos pesados como o urânio e tório pode sofrer fissão espontânea, mas eles são muito mais propensos a sofrer deterioração pelo decaimento alfa.

Para uma reacção em cadeia iniciada por neutrões de ocorrer, deve haver um massa crítica do elemento presente em um determinado espaço, em determinadas condições (estas condições lenta e conservar neutrões para as reacções). Há um exemplo conhecido de um reator de fissão nuclear natural, que era ativo em duas regiões do Oklo, no Gabão, África, mais de 1,5 bilhões de anos atrás. As medições da emissão de neutrinos naturais têm demonstrado que cerca de metade do calor que emana do núcleo resultados da Terra a partir de decaimento radioativo. No entanto, não é conhecido qualquer caso deste resulta da cisão da cadeia de reacções.

Produção de elementos pesados

Como o universo esfriou após o big bang , eventualmente, tornou-se possível para partículas como sabemos que eles existam. As partículas mais comuns criados no big bang que ainda são facilmente observáveis para nós hoje eram prótons ( hidrogênio ) e elétrons (em igual número). Alguns elementos mais pesados foram criados como os protões colidiu um com o outro, mas a maioria dos elementos pesados que vemos hoje foram criadas dentro de estrelas durante uma série de estágios de fusão, tais como o cadeia próton-próton, o E o ciclo de CNO processo triplo alfa. Progressivamente elementos mais pesados são criados durante a evolução de uma estrela. Uma vez que a energia de ligação por picos nucleônicas em torno de ferro, a energia é liberado somente em processos de fusão que ocorrem abaixo deste ponto. Desde a criação de núcleos mais pesados por fusão custos de energia, resorts natureza para o processo de captura de nêutrons. Nêutrons (devido à sua falta de carga) são facilmente absorvidos por um núcleo. Os elementos pesados são criadas por qualquer um processo de captura de neutrões lentos (o chamado processo s) ou pela, ou processo de r rápida. O processo ocorre em s pulsando termicamente estrelas (chamado AGB, ou assintótica estrelas gigantes do ramo) e leva centenas de milhares de anos para alcançar os elementos mais pesados de chumbo e bismuto. O processo r é pensado para ocorrer no supernovas devido ao facto de as condições de alta temperatura, alta fluxo de neutrões e ejectado matéria estão presentes. Estas condições estelares fazer o nêutron sucessiva captura muito rápido, envolvendo espécie muito nêutron-ricos, que, em seguida, beta-decaimento de elementos mais pesados, especialmente em os chamados pontos de espera que correspondem a mais nuclides estáveis com conchas de nêutrons fechada ( números mágicos). A duração do processo de r é tipicamente no intervalo de poucos segundos.