Što se nalazi u atomskoj jezgri?
Ernest Rutherford je 1911. godine, na osnovu pokusa s raspršenjem α-čestica na atomima zlata zaključio da atom nije cjelovit djelić materije, već je građen od električki pozitivne jezgre i električki negativnih elektrona koji, po njegovoj pretpostavci, kruže oko nje.
Atomska jezgra je građena od protona i neutrona. Proton je čestica pozitivnog električnog naboja, a neutron bez električnog naboja. Naboj protona iznosi približno 1,6 ⋅ 10-19 C, a masa mu iznosi 1,6726 ⋅ 10-27 kg. Jezgra najmanjeg atoma, atoma vodika građena je od samo jednog protona. Masa neutrona iznosi 1,6749 ⋅ 10-27 kg.
Ernest Rutherford zaslužan je i za otkriće protona 1919. godine, a 1920. godine je teorijski predvidio postojanje neutrona. Njegovu pretpostavku o neutronu je eksperimentalno potvrdio James Chadwick 1932. godine.
Ernest Rutherford je 1911. godine na osnovu pokusa s raspršenjem α-čestica na atomima zlata zaključio:
- atom nije cjelovit djelić materije
- atom je građen od električki pozitivne jezgre i električki negativnih elektrona
- elektroni kruže oko jezgre.
Atomska jezgra je građena od:
- protona
- neutrona.
Proton je čestica pozitivnog (+) električnog naboja.
Neutron je čestica bez električnog naboja.
Naboj protona iznosi približno 1,6 ⋅ 10-19 C.
Masa mu iznosi 1,6726 ⋅ 10-27 kg.
Jezgra najmanjeg atoma, atoma vodika, građena je od samo jednog protona.
Masa neutrona iznosi 1,6749 ⋅ 10-27 kg.
Ernest Rutherford zaslužan je i za otkriće protona 1919. godine.
1920. godine je teorijski predvidio postojanje neutrona.
Njegovu pretpostavku o neutronu je eksperimentalno potvrdio James Chadwick 1932. godine.
Nuklidi i izotopi
Nuklidi
Najvažnija su svojstva jezgre njezin naboj i masa. Naboj jezgre određen je brojem protona Z i iznosi Z·e, gdje je e naboj jednog protona. Masa jezgre određena je brojem protona i neutrona. Ukupni broj nukleona (protona i neutrona) zove se maseni broj jezgre, oznaka A. Broj neutrona u jezgri je N. Tada je:
Najvažnija svojstva jezgre su njezin naboj i masa.
Naboj jezgre određen je brojem protona Z. Iznosi Z·e.
Masa jezgre određena je brojem protona i neutrona.
Ukupni broj nukleona (protona i neutrona) zove se maseni broj jezgre, oznaka A.
Broj neutrona u jezgri je N.
Tada je:
[latex]A=Z+N[/latex]
Jezgre nazivamo i nuklidima. Svaki nuklid je jednoznačno određen brojevima Z i N. Promijeni li se jedan od tih brojeva, promijeni se i nuklid.
Određeni kemijski element karakterizira broj protona Z. To je redni ili atomski broj elementa.
Uobičajena oznaka nuklida kemijskog elementa X je:
Jezgre nazivamo i nuklidima.
Svaki nuklid je jednoznačno određen brojevima Z i N.
Promijeni li se jedan od tih brojeva, promijeni se i nuklid.
Određeni kemijski element karakterizira broj protona Z.
To je redni ili atomski broj elementa.
Uobičajena oznaka nuklida kemijskog elementa X je:
[latex]{^A_ZX}[/latex]
U fizici i kemiji je iznimno dopuštena izvansustavna mjerna jedinica mase nazvana atomska jedinica mase (oznaka u) ili dalton (oznaka Da), a definirana je kao dvanaestina mase atoma ugljika 12C što je približno jednako masi protona ili neutrona 1 u = 1,660 539 · 10–27 kg.
U fizici i kemiji je iznimno dopuštena izvansustavna mjerna jedinica mase nazvana atomska jedinica mase (oznaka u) ili dalton (oznaka Da).
Definirana je kao dvanaestina mase atoma ugljika 12C.
To je približno jednako masi protona ili neutrona 1 u = 1,660 539 · 10–27 kg
Izotopi
Element je određen svojim rednim (atomskim) brojem Z. Ako se promijeni Z, promijeni se i element. No, atomi istog elementa mogu imati različit broj neutrona N.
Element je određen svojim rednim (atomskim) brojem Z.
Ako se promijeni Z, promijeni se i element.
Atomi istog elementa mogu imati različit broj neutrona N.
Izotopi su nuklidi s jednakim brojem protona, a različitim brojem neutrona, i stoga različitim masenim brojem A.
Izotopi su nuklidi.
Imaju:
- jednak broj protona,
- različit broj neutrona,
- različiti maseni broj A.
Na primjer, vodik ima tri izotopa. Oni su ilustrirani na slici dolje. Plavim kružićima prikazani su elektroni u elektronskom omotaču. Crvenim kružićima prikazani su protoni u jezgri, a žutim neutroni u jezgri. Pogledamo li pobliže njihove jezgre, vidimo da svaki od njih sadrži samo jedan proton u jezgri. Jezgra deuterija - deuteron, sadrži osim protona i jedan neutron, a jezgra tricija - triton, sadrži uz proton i dva neutrona.
Na primjer, vodik ima tri izotopa.
Oni su ilustrirani na slici dolje.
Plavim kružićima prikazani su elektroni u elektronskom omotaču.
Crvenim kružićima prikazani su protoni u jezgri.
Žutim kružićima prikazani su neutroni u jezgri.
Pogledajmo pobliže njihove jezgre.
Vidimo da svaki od njih sadrži samo jedan proton u jezgri.
Jezgra deuterija - deuteron, sadrži osim protona i jedan neutron.
Jezgra tricija - triton, sadrži uz proton i dva neutrona.
Kviz
Svi izotopi istog elementa imaju jednaka kemijska svojstva jer kemijsko djelovanje ovisi o elektronskom omotaču, a on je isti za sve izotope određenog elementa. Neka su fizikalna svojstva (npr. masa) za razne izotope istog elementa različita.
Svi izotopi istog elementa imaju jednaka kemijska svojstva.
Kemijsko djelovanje ovisi o elektronskom omotaču.
On je isti za sve izotope određenog elementa.
Neka su fizikalna svojstva (npr. masa) za razne izotope različita.
Stabilnost atomske jezgre
U prirodi postoje stabilne i nestabilne jezgre.
Protoni u atomskoj jezgri su međusobno vrlo blizu što znači da se odbijaju vrlo jakom električnom silom. Što drži jezgru da se ne razleti?
Nukleone u jezgri drži na okupu . Mnoga su obilježja jake nuklearne sile dobro poznata. Na primjer, neovisna je o električnom naboju, a iznos privlačne nuklearne sile između dva protona, dva neutrona ili između protona i neutrona je gotovo jednak. Doseg djelovanja jake nuklearne sile vrlo je kratak, iznos jake nuklearne sile je vrlo velik kad su dva nukleona blizu, na udaljenosti do 10 -15 m, no brzo opada prema nuli na većim udaljenostima. Suprotno tome, električna sila između dva protona se postupno smanjuje kako se udaljenost razdvajanja povećava na velike vrijednosti i ima relativno velik doseg djelovanja u odnosu na jaku nuklearnu silu.
Ograničeni opseg djelovanja jake nuklearne sile igra važnu ulogu za stabilnost atomske jezgre. Da bi jezgra bila stabilna, električno odbijanje među protonima mora biti uravnoteženo privlačenjem između nukleona. Proton ili neutron privlače samo svoje najbliže susjede jakom nuklearnom silom zbog njenog kratkog dosega,ali jedan proton odbija sve ostale protone unutar jezgre. Kada se broj protona Z u jezgri povećava, broj neutrona N mora se još više povećati kako bi se održala stabilnost.
To se vidi na nuklearnoj karti (slika dolje). U nuklearnu kartu unose se sve poznate atomske jezgre. Položaj svake atomske jezgre određen je njenim protonskim brojem Z (vodoravno) i neutronskim brojem N (okomito). Stabilne jezgre su na karti označene tamnim točkama, a područje u kojem se nalaze naziva se pojas stabilnosti.
Male stabilne jezgre imaju približno jednak broj protona i neutrona, a kod velikih jezgri broj neutrona raste brže od broja protona, pa pojas stabilnosti sve više odstupa od pravca Z = N.
Jezgra je građena od:
- protona pozitivnog električnog naboja (+)
- neutrona bez električnog naboja.
Oni su međusobno vrlo blizu.
To znači da se protoni odbijaju vrlo jakom električnom silom.
U prirodi postoje mnoge stabilne atomske jezgre.
Što drži jezgru da se ne razleti?
Zaključak je da neka privlačna sila drži nukleone na okupu.
Privlačna gravitacijska sila nije odgovorna za stabilnost atomske jezgre.
Gravitacijska privlačna sila između dva protona puno je manja od njihovog električnog odbojnog međudjelovanja.
Nukleone u jezgri drži na okupu jaka nuklearna sila.
Obilježja jake nuklearne sile:
- neovisna je o električnom naboju,
- iznos privlačne nuklearne sile između dva protona, dva neutrona ili između protona i neutrona je gotovo jednak,
- doseg djelovanja jake nuklearne sile vrlo je kratak,
- iznos jake nuklearne sile vrlo je velik kad su dva nukleona blizu, na udaljenosti do 10 -15 m (brzo opada prema nuli na većim udaljenostima).
Suprotno tome, električna sila:
- između dva protona se postupno smanjuje kako se udaljenost razdvajanja povećava na velike vrijednosti
- ima relativno velik doseg djelovanja u odnosu na jaku nuklearnu silu.
Ograničeni opseg djelovanja jake nuklearne sile igra važnu ulogu za stabilnost atomske jezgre.
Električno odbijanje među protonima mora biti uravnoteženo privlačenjem između nukleona da bi jezgra bila stabilna.
Proton ili neutron privlače samo svoje najbliže susjede jakom nuklearnom silom zbog njenog kratkog dosega.
Jedan proton odbija sve ostale protone unutar jezgre.
Kako bi se održala stabilnost:
- broj protona Z u jezgri povećava,
- broj neutrona N mora se još više povećati.
Postoji granica u broju protona nakon koje se ravnoteža odbojne i privlačne sile ne može postići povećanjem brojem neutrona. Stabilna jezgra s najvećim brojem protona (Z=83) je bizmut, [latex]{^{209}_{83}Bi}[/latex], koji sadrži 126 neutrona. Sve jezgre sa više od 83 protona (npr. uranij, Z=92) su nestabilne.Vremenom, one se spontano raspadaju ili preuređuju unutarnju strukturu. Ovu pojavu nazivamo . O radioaktivnosti će biti više govora kasnije u ovome modulu.
Postoji granica u broju protona nakon koje se ravnoteža odbojne i privlačne sile ne može postići povećanjem brojem neutrona.
Stabilna jezgra s najvećim brojem protona (Z=83) je bizmut, [latex]{^{209}_{83}Bi}[/latex].
On sadrži 126 neutrona.
Sve jezgre sa više od 83 protona (npr. Uran, Z=92) su nestabilne.
Vremenom one se spontano raspadaju ili preuređuju unutarnju strukturu.
Ovu pojavu nazivamo radioaktivnost.
1896. godine otkrio ju je francuski fizičar Henri Becquerel (1852. - 1908.).
Polumjer atomske jezgre
Atomsku jezgru možemo zamisliti kao područje približno sferičnog oblika. Na osnovu prethodnog razmatranja možemo zaključiti da zbog dosega jakog nuklearnog međudjelovanja red veličine atomske jezgre ne prelazi 10-15 m.
Atomsku jezgru možemo zamisliti kao područje približno sferičnog oblika.
Zbog dosega jakog nuklearnog međudjelovanja red veličine atomske jezgre ne prelazi 10-15 m.
Energija vezanja
Zbog jake nuklearne sile nukleoni su u stabilnoj atomskoj jezgri čvrsto povezani. Stoga je potrebna energija kako bi se stabilna jezgra razdvojila na protone i neutrone od kojih je građena. Što je jezgra stabilnija, veća je količina energije potrebna za razdvajanje nukleona. Potrebna energija naziva se nuklearna energija vezanja.
Nukleoni su u stabilnoj atomskoj jezgri čvrsto povezani zbog jake nuklearne sile.
Stoga je potrebna energija kako bi se stabilna jezgra razdvojila na protone i neutrone od kojih je građena.
Što je jezgra stabilnija, veća je količina energije potrebna za razdvajanje nukleona.
Potrebna energija naziva se nuklearna energija vezanja.
Energija vezanja Eb nukleona u jezgri je energija potrebna da se razdvoje nukleoni iz jezgre na udaljenost na kojoj više ne djeluju nuklearne sile.
Ili: to je energija koja bi se oslobodila pri sastavljanju jezgre od pojedinačnih nukleona.
Ili: nuklearna energija vezanja je energija koju je potrebno dovesti atomskoj jezgri da bi se ona raspala na odvojene nukleone.
Energija vezanja Eb nukleona u jezgri je energija potrebna da se razdvoje nukleoni iz jezgre na udaljenost na kojoj više ne djeluju nuklearne sile.
Ili: to je energija koja bi se oslobodila pri sastavljanju jezgre od pojedinačnih nukleona.
Ili: nuklearna energija vezanja je energija koju je potrebno dovesti atomskoj jezgri da bi se ona raspala na odvojene nukleone.
Može se pokazati da je masa svakog nuklida uvijek manja od zbroja masa neutrona i protona od kojih je nuklid sastavljen. Razlika između ukupne mase protona i neutrona (Zmp+Nmn) i mase nuklida (mA) zove se defekt mase, oznaka Δm
[latex]\Delta m=Zm_p+Nm_n-m_A[/latex]
Pri nastanku atomske jezgre dio mase prijeđe u energiju potrebnu za međusobno vezanje nukleona u jezgri.
Eb=mc2
Defekt mase u skladu je s Einsteinovim postulatom specijalne teorije relativnosti o ekvivalentnosti mase i energije (1905.). Iznosi približno do 1% mase atoma, što je mnogo veća količina energije od one kod ionizacije atoma ili kod cijepanja molekula.
Masa svakog nuklida uvijek je manja (<) od zbroja (+) masa neutrona i protona od kojih je nuklid sastavljen.
Razlika (-) između ukupne mase protona i neutrona (Zmp+Nmn) i mase nuklida (mA) zove se defekt mase.
Oznaka defekta mase je Δm.
Kada se promatra stabilnost jezgre, obično se razmatra srednja energija vezanja po nukleonu, tj. kvocijent energije vezanja i broja nukleona Eb/A. Na slici je prikazana energija vezanja po nukleonu u ovisnosti o masenom broju A.
Obično se razmatra srednja energija vezanja po nukleonu.
To jest, kvocijent energije vezanja i broja nukleona Eb/A.
Na slici je prikazana energija vezanja po nukleonu u ovisnosti o masenom broju A.
Za lakše jezgre (A<50) energija vezanja po nukleonu povećava se s brojem nukleona, za srednje teške jezgre (50<A<120) Eb/A poprima vrijednost od 8,8 do 8,5 MeV, a za teške (A > 120) se ponovno smanjuje s porastom A i postiže vrijednost 7,6 MeV za jezgru uranija.
Iz krivulje se vidi da jezgra helija (α čestica) ima jako veliku energiju vezanja i osobito je stabilna. Najveću energiju vezanja ima željezo-56 pa je njegova jezgra najstabilnija.
Za lakše jezgre (A<50), energija vezanja po nukleonu povećava se s brojem nukleona.
Za srednje teške jezgre (50<A<120) Eb/A energija vezanja poprima vrijednost od 8,8 do 8,5 MeV.
Za teške jezgre (A < 120) energija vezanja se ponovno smanjuje s porastom A i postiže vrijednost 7,6MeV za jezgru uranija.
Iz krivulje se vidi da jezgra helija (α čestica) ima jako veliku energiju vezanja.
Osobito je stabilna.
Najveću energiju vezanja ima željezo-56.
Njegova je jezgra najstabilnija.
Primjeri i zadatci
Koliki je energijski ekvivalent mase 1 u izražen u elektronvoltima?
Izračunat ćemo koliko se energije dobije pri pretvorbi mase 1 u
Eb=Δm·c2
Eb=1,66054·10-27 kg·(2997924580)2 (ms-1)2 = 1,492441843·10-27 J
Eb=9,315022·108 eV
Eb=931,5022 MeV
Masa atoma ugljika [latex]{^{12}_6C}[/latex] jednaka je 12 u.
Odgovori samostalno na sljedeća pitanja, a potom provjeri rješenja.
a) Koliko iznosi masa tog nuklida u kilogramima?
b) Koliko [latex]{^{12}_6C}[/latex] sadrži neutrona?
a) m= 1,9926 ⋅ 10-26 kg
b) 6
Masa jezgre manja je za 2,4 ⋅ 10-29 kg od ukupne mase nukleona koji ju čine. Koliki dio mase nukleona pri nastanku te jezgre prelazi u energiju?
(Riješi zadatak pa provjeri rješenje)
Koristeći izraz [latex]E_b=\Delta m·c^2[/latex] dobijemo rješenje 2,16 ⋅ 10-12 J.
Sažetak
Najvažnija su svojstva jezgre njezin naboj i masa. Naboj jezgre određen je brojem protona Z i iznosi Z·e. Masa jezgre određena je brojem protona i neutrona. Ukupni broj nukleona (protona i neutrona) zove se maseni broj jezgre, oznaka A. Broj neutrona u jezgri je N. Tada je:
[latex]A=Z+N[/latex]
Jezgre nazivamo i nuklidima. Svaki nuklid je jednoznačno određen brojevima Z i N. Promijeni li se jedan od tih brojeva, promijeni se i nuklid.
Određeni kemijski element karakterizira broj protona Z. To je redni ili atomski broj elementa.
Uobičajena oznaka nuklida kemijskog elementa X je:
[latex]{^A_ZX}[/latex]
Najvažnija svojstva jezgre su njezin naboj i masa.
Naboj jezgre određen je brojem protona Z. Iznosi Z·e.
Masa jezgre određena je brojem protona i neutrona.
Ukupni broj nukleona (protona i neutrona) zove se maseni broj jezgre, oznaka A.
Broj neutrona u jezgri je N.
Tada je:
Broj neutrona u jezgri je N. Tada je:
[latex]A=Z+N[/latex]
Jezgre nazivamo i nuklidima. Svaki nuklid je jednoznačno određen brojevima Z i N. Promijeni li se jedan od tih brojeva, promijeni se i nuklid.
Određeni kemijski element karakterizira broj protona Z. To je redni ili atomski broj elementa.
Uobičajena oznaka nuklida kemijskog elementa X je:
[latex]{^A_ZX}[/latex]
Izotopi su nuklidi s jednakim brojem protona, a različitim brojem neutrona, stoga i različitim masenim brojem A.
Sve jezgre s više od 83 protona (npr. Uranij, Z=92) su nestabilne. Vremenom one se spontano raspadaju ili preuređuju unutarnju strukturu i tu pojavu nazivamo radioaktivnost.
Nukleone u jezgri drži na okupu jaka nuklearna sila. Jaka nuklearna sila neovisna je o električnom naboju, a iznos privlačne nuklearne sile između dva protona, dva neutrona ili između protona i neutrona je gotovo jednak. Doseg djelovanja jake nuklearne sile vrlo je kratak, iznos jake nuklearne sile je vrlo velik kad su dva nukleona blizu, na udaljenosti do 10-15 m, no brzo opada prema nuli na većim udaljenostima.
Atomsku jedinicu mase u definiramo:
[latex]1u=\dfrac{1}{2}\cdot m({^1_{12}C})=1,66054\cdot 10^{-27}kg[/latex]
Masa atoma ugljika [latex]{^{12}_6C}[/latex] jednaka je 12 u
Izotopi su nuklidi.
Imaju:
- jednak broj protona
- različit broj neutrona
- različiti maseni broj A.
Sve jezgre s više od 83 protona (npr. Uran, Z=92) su nestabilne.
Vremenom one se spontano raspadaju ili preuređuju unutarnju strukturu.
Tu pojavu nazivamo radioaktivnost. (otkrio Henri Becquerel)
Privlačna gravitacijska sila nije odgovorna za stabilnost atomske jezgre.
Nukleone u jezgri drži na okupu jaka nuklearna sila.
Jaka nuklearna sila neovisna je o električnom naboju.
Iznos privlačne nuklearne sile između dva protona, dva neutrona ili između protona i neutrona je gotovo jednak.
Doseg djelovanja jake nuklearne sile vrlo je kratak.
Iznos jake nuklearne sile je vrlo velik kad su dva nukleona blizu, na udaljenosti do 10-15 m.
Brzo opada prema nuli na većim udaljenostima.
Energija vezanja Eb nukleona u jezgri je energija potrebna da se razdvoje nukleoni iz jezgre na udaljenost na kojoj više ne djeluju nuklearne sile.
Energija vezanja Eb nukleona u jezgri je energija potrebna da se razdvoje nukleoni iz jezgre na udaljenost na kojoj više ne djeluju nuklearne sile.