Jak rozpadają się jądra atomowe?
Jak można sobie wyobrazić przemianę pierwiastków? To trochę tak, jak gdyby brzoskwinia leżąca na stole nagle wyrzuciła z siebie pestkę i przez to stała się jabłkiem, a kropla rtęci zmieniła się w ziarenko złota.
Odkrycie promieniotwórczości
Pod koniec XIX wieku wśród fizyków i chemików panowało przeświadczenie, że w dziedzinie nauk ścisłych niewiele jest już do odkrycia. Sądzono, że świat nie ma już przed ludźmi tajemnic, a istnienie obserwacji trudnych do wyjaśnienia na gruncie obowiązujących teorii traktowano jako mało istotne szczegóły. Kilka ostatnich lat tego wieku i początkowe lata XX wieku zupełnie odmieniło ten pogląd. Dokonano szeregu zaskakujących odkryć, od promieniowania X, poprzez promieniotwórczość naturalną, teorię kwantów, aż po teorię względności Einsteina. Osiągnięcia fizyków z przełomu wieków definitywnie zmieniły oblicze fizyki.
Promieniotwórczość – co to takiego?
Promieniotwórczość? Naukowcy mianem promieniotwórczości określają występujące w naszym środowisku naturalne lub wywołane sztucznie takie przemiany nuklidów (jąder atomowych), w których emitowana jest energia w postaci różnych rodzajów promieniowania. W module tym zostanie wyjaśnione, co to dokładnie oznacza.
Energia wiązania jądra
Wzór sformułowany przez Einsteina, opisujący równoważność masy i energii: E = m • c², pozwala obliczyć, ile energii można uzyskać z danej masy (E: energia; m: masa; c: prędkość światła w próżni).
Defekt masy
Wielu z nas z pewnością zna ten cytat: „Całość to coś więcej niż suma jej elementów”. Są to słowa wypowiedziane przez greckiego filozofa i przyrodnika Arystotelesa, któremu zresztą przypisywane są także następujące cytaty: „Nawet myślenie szkodzi niekiedy zdrowiu.” i „Ileż jest rzeczy, których nie potrzebuję”. W „Fizyce”, jednym z jego głównych dzieł, Arystoteles filozofował na temat m.in. przestrzeni, czasu, ruchu czy „przyczyny sprawczej”, ale nie na temat jąder atomowych - nie wiedziano jeszcze wtedy o ich istnieniu. Własności struktury jądrowej nie są prostą sumą własności składników - swobodny neutron nie jest trwały - rozpada się z czasem połowicznego rozpadu ok. 10 min, a gdy jest związany w jądrze atomowym to cała struktura może mieć czas połowicznego rozpadu nawet 1022 i więcej lat.
Modele budowy jądra atomowego
W fizyce jądrowej nie powstał dotąd żaden jednolity model, który obszernie opisywałby wszystkie procesy zachodzące w jądrze atomowym. Ponieważ nie mamy teorii sił jądrowych i nie potrafimy rozwiązać problemu „wielu ciał” „idziemy na łatwiznę”, czyli tworzymy modele jądra, różne dla różnych szczegółowych zagadnień fizyki jądrowej. Dlatego dla wyjaśnienia różnych rodzajów procesów jądrowych powstały odmienne modele jądra atomowego.
Siły jądrowe
Siły jądrowe FN mają bardzo mały zasięg i mogą działać tylko między bezpośrednio sąsiadującymi ze sobą nukleonami. Siła elektromagnetyczna Fel słabnie wraz z odległością r odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu tej odległości - czyli 1/r2, natomiast siła jądrowa FN słabnie wraz z odległością odwrotnie proporcjonalnie do siódmej potęgi tej odległości - czyli 1/r7. Dopiero kiedy nukleony leżą tak blisko, że niemal stykają się ze sobą, siły jądrowe zaczynają działać przyciągająco. Sytuację tę można porównać do lepkich cukierków, które sklejają się dopiero po zetknięciu ze sobą.
Podstawowe rodzaje sił w fizyce
Współcześnie uznaje się, że istnieją cztery podstawowe rodzaje sił, które determinują zachowanie się materii. Pojęcie „siły” w nowoczesnej fizyce zastępuje się zwykle pojęciem „oddziaływanie”. Do tych podstawowych „sił” należą: oddziaływanie grawitacyjne, oddziaływanie elektromagnetyczne, oddziaływanie słabe i oddziaływanie silne. Poszczególne oddziaływania różnią się zasięgiem i posiadają różne własności.
Jądro atomowe – co to takiego?
W module dotyczącym budowy atomów krótko opisano, że atomy składają się z powłoki elektronowej i jądra. W powłoce znajdują się elektrony o ujemnym ładunku elektrycznym, a jądro atomu zawiera protony o dodatnim ładunku elektrycznym i elektrycznie obojętne neutrony. Ponieważ liczba (naładowanych ujemnie) elektronów w powłoce atomu jest równa liczbie (naładowanych dodatnio) protonów w jądrze, atom jako całość jest elektrycznie obojętny. No dobrze! Ale jak zachowuje się jądro atomowe zawierające dodatnio naładowane protony?