Atoma kodols: uzbūve, īpašības, vēsture un nozīme

Atoma kodolu veido protoni un neitroni (divu veidu barjoni), kurus savieno kodola spēks. Šos barjonus tālāk veido subatomāras fundamentālās daļiņas, ko sauc par kvarkiem, kurus savieno spēcīgā mijiedarbība. Kodols ir vairāk vai mazāk sfēraīds, un tas var būt nedaudz prolatisks (iegarens) vai oblatisks (plakans) vai citādi ne pilnībā apaļš.

Izotopi un nuklīdi

Atoma izotops ir atkarīgs no neitronu skaita kodolā. Viena elementa dažādiem izotopiem ir ļoti līdzīgas ķīmiskās īpašības. Dažādus izotopus ķīmiskās vielas paraugā var atdalīt, izmantojot centrifūgu vai masas spektrometru. Pirmo metodi izmanto bagātināta urāna iegūšanā no parasta urāna, bet otro - oglekļa datēšanā.

Protonu un neitronu skaits kopā nosaka nuklīdu (kodola veidu). Protoniem un neitroniem ir gandrīz vienāda masa, un to kopējais skaits, masas skaitlis, ir aptuveni vienāds ar atoma atommasu. Elektronu kopējā masa ir ļoti maza, salīdzinot ar kodola masu; protoni un neitroni sver aptuveni 2000 reižu vairāk nekā elektroni.

J. J. Tomsona atklājums par elektronu bija pirmā zīme, kas liecināja, ka atomam ir iekšējā struktūra. 20. gadsimta sākumā pieņemtais atoma modelis bija J. J. Thomsona "plūmju pudiņa" modelis, kurā atoms bija liela pozitīvi lādēta bumba ar iekšpusē iebūvētiem maziem negatīvi lādētiem elektroniem. Līdz gadsimtu mijai fiziķi bija atklājuši arī trīs starojuma veidus, ko rada atomi, un nosauca tos par alfa, beta un gamma starojumu. Līzes Meitneres un Otto Hāna 1911. gadā un Džeimsa Čadvika 1914. gadā veiktajos eksperimentos atklājās, ka beta sabrukšanas spektrs ir nepārtraukts, nevis diskrēts. Tas nozīmē, ka no atoma tika izmetti elektroni ar dažādām enerģijām, nevis ar diskrētām enerģijām, kādas tika novērotas gamma un alfa sabrukšanas procesos. Kodolfizikā tolaik tas radīja problēmas, jo liecināja, ka šajos sabrukumos enerģija netiek saglabāta. Šī problēma vēlāk noveda pie neitrīno atklāšanas (sk. tālāk).

1906. gadā Ernests Raterfords publicēja darbu "α daļiņas starojums no radija, šķērsojot matēriju". Geigers papildināja šo darbu paziņojumā Karaliskajai biedrībai ar eksperimentiem, ko viņš un Ruterfords veica, izlaižot α daļiņas caur gaisu, alumīnija foliju un zelta foliju. Vēl vienu darbu 1909. gadā publicēja Geigers un Marsdens, un 1910. gadā Geigers publicēja vēl vienu ievērojami paplašinātu darbu. 1911.-2. gadā Roterfords uzstājās Karaliskajā biedrībā, lai izskaidrotu eksperimentus un izklāstītu jauno teoriju par atoma kodolu, kā mēs to saprotam tagad.

Aptuveni tajā pašā laikā (1909. gadā) Ernests Roterfords veica ievērojamu eksperimentu, kurā viņa vadībā Hanss Geigers un Ernests Marsdens izšāva alfa daļiņas (hēlija kodolus) uz plānu zelta folijas plēvi. Saskaņā ar plūmju pudiņa modeli paredzēja, ka alfa daļiņām vajadzētu izkļūt no folijas, un to trajektorijām vajadzētu būt ne vairāk kā nedaudz izliektām. Viņš bija šokēts, atklājot, ka dažas daļiņas izkliedējās lielā leņķī, dažos gadījumos pat pilnīgi atpakaļgaitā. Šis atklājums, sākot ar Roterforda datu analīzi 1911. gadā, galu galā noveda pie Roterforda atoma modeļa, kurā atoms ir ļoti mazs, ļoti blīvs kodols, kas sastāv no smagām pozitīvi lādētām daļiņām ar iebūvētiem elektroniem, lai līdzsvarotu lādiņu. Piemēram, šajā modelī slāpeklis-14 sastāvēja no kodola ar 14 protoniem un 7 elektroniem, un kodolu ieskauj vēl 7 riņķojoši elektroni.

Roterforda modelis darbojās diezgan labi, līdz 1929. gadā KalifornijasTehnoloģiju institūtā Franko Raseti veica kodola spina pētījumus. Līdz 1925. gadam bija zināms, ka protonu un elektronu spins ir 1/2, un pēc Roterforda modeļa 14 slāpekļa 14 14 kodoliem 14 protoniem un sešiem elektroniem bija jāveido pāri, lai savstarpēji anulētu viens otra spinu, un pēdējam elektronam bija jāatstāj kodols ar 1/2 spinu. Tomēr Rasetti atklāja, ka slāpekļa-14 spins ir vienāds ar 1.

1930. gadā Volfgangs Pauli nevarēja piedalīties sanāksmē Tībingenā un tā vietā nosūtīja slaveno vēstuli ar klasisko ievadvārdu "Dārgās radioaktīvās dāmas un kungi". Savā vēstulē Pauli izteica pieņēmumu, ka kodolā, iespējams, ir trešā daļiņa, ko viņš nosauca par "neitronu". Viņš izteica pieņēmumu, ka tas ir ļoti viegls (vieglāks par elektronu), tam nav lādiņa un tas viegli neiedarbojas ar matēriju (tāpēc tas vēl nav atklāts). Šī izmisīgā izeja atrisināja gan enerģijas saglabāšanas problēmu, gan slāpekļa-14 spina problēmu, jo Pauli "neitrons" aiznesa papildu enerģiju, bet otrs - jo papildu "neitrons" savienojās pārī ar elektronu slāpekļa-14 kodolā, piešķirot tam vienu spinu. Pauli "neitronu" 1931. gadā Enriko Fermi pārdēvēja par neitrīno (itāļu valodā tas nozīmē mazo neitrālo), un pēc aptuveni trīsdesmit gadiem beidzot tika pierādīts, ka beta sabrukšanas laikā patiešām tiek emitēts neitrīno.

1932. gadā Čadviks saprata, ka starojumu, ko bija novērojuši Valters Botē, Herberts L. Bekers, Irēna un Frédéric Joliot-Curie, patiesībā radīja masīva daļiņa, ko viņš nosauca par neitronu. Tajā pašā gadā Dmitrijs Ivanenko izteica pieņēmumu, ka neitroni patiesībā ir daļiņas ar spinu 1/2 un ka kodols satur neitronus un ka tajā nav elektronu, bet Frānsiss Perins ierosināja, ka neitrīni nav kodola daļiņas, bet rodas beta sabrukšanas laikā. Gada noslēgumā Fermi iesniedza Nature neitrīno teoriju (ko redakcija noraidīja, jo tā bija "pārāk tālu no realitātes"). Fermi turpināja strādāt pie savas teorijas un 1934. gadā publicēja darbu, kurā neitrīno teorija tika pamatoti teorētiski. Tajā pašā gadā Hideki Jukava (Hideki Yukawa) ierosināja pirmo nozīmīgo spēcīgā spēka teoriju, lai izskaidrotu, kā kodols turas kopā.

Līdz ar Fermi un Jukavas darbiem tika pabeigts modernais atoma modelis. Atoma centrā ir neitronu un protonu blīva bumba, ko kopā satur spēcīgais kodola spēks. Nestabili kodoli var iziet alfa sabrukšanas procesu, kura laikā tie izdala enerģētisku hēlija kodolu, vai beta sabrukšanas procesu, kura laikā tie izmet elektronu (vai pozitronu). Pēc vienas no šīm sabrukšanām iegūtais kodols var palikt uzbudinātā stāvoklī, un tādā gadījumā tas sabrūk līdz pamatstāvoklim, izstarojot augstas enerģijas fotonus (gamma sabrukšana).

Pētot spēcīgos un vājos kodolspēkus, fiziķi sāka kodolu un elektronu sadursmes pie arvien augstākām enerģijām. Šie pētījumi kļuva par daļiņu fizikas zinātni, no kuras vissvarīgākais ir daļiņu fizikas standarta modelis, kas apvieno spēcīgos, vājos un elektromagnētiskos spēkus.

Kodolā var būt simtiem nukleonu, un tas nozīmē, ka ar zināmu tuvinājumu to var uzskatīt par klasisku, nevis kvantu-mehānisku sistēmu. Iegūtajā šķidruma piliena modelī kodols ir enerģija, kas daļēji rodas no virsmas spraiguma un daļēji no protonu elektriskās atgrūšanas. Šķidruma un piliena modelis spēj atveidot daudzas kodolu īpašības, tostarp vispārējo saistīšanas enerģijas tendenci attiecībā pret masas skaitu, kā arī kodola skaldīšanas fenomenu.

Tomēr šo klasisko ainu papildina kvantu mehāniskie efekti, kurus var aprakstīt, izmantojot kodola apvalka modeli, ko lielā mērā izstrādājusi Marija Gēpert-Majere. Kodoli ar noteiktu skaitu neitronu un protonu (maģiskie skaitļi 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) ir īpaši stabili, jo to čaulas ir aizpildītas.

Liela daļa pašreizējo kodolfizikas pētījumu ir saistīti ar kodolu pētījumiem ekstremālos apstākļos, piemēram, ar augstu spina un uzbudinājuma enerģiju. Kodoliem var būt arī ekstrēmas formas (līdzīgas amerikāņu futbola bumbām) vai ekstrēmas neitronu un protonu attiecības. Eksperimentētāji var radīt šādus kodolus, izmantojot mākslīgi izraisītas kodolsintēzes vai nukleonu pārneses reakcijas, izmantojot jonu starus no paātrinātāja. Vēl lielākas enerģijas starus var izmantot, lai radītu kodolus ļoti augstās temperatūrās, un ir pazīmes, kas liecina, ka šajos eksperimentos ir notikusi fāžu pāreja no parastas kodolvielas uz jaunu stāvokli - kvarkgluonu plazmu, kurā kvarki saplūst viens ar otru, nevis ir sadalīti tripletos, kā tas ir neitronos un protonos.

Kodola sabrukšana

Ja kodolā ir pārāk maz vai pārāk daudz neitronu, tas var būt nestabils un pēc kāda laika sadalīsies. Piemēram, slāpekļa-16 atomi (7 protoni, 9 neitroni) dažu sekunžu laikā pēc izveidošanās beta sadalās līdz skābekļa-16 atomiem (8 protoni, 8 neitroni). Šīs sabrukšanas laikā neitrons slāpekļa kodolā ar vāja kodola spēka palīdzību pārvēršas par protonu un elektronu. Atoma elements mainās, jo, lai gan iepriekš tam bija septiņi protoni (kas to padara par slāpekli), tagad tam ir astoņi (kas to padara par skābekli). Daudziem elementiem ir vairāki izotopi, kas ir stabili nedēļas, gadus vai pat miljardiem gadu.

Kodolsintēze

Kad divi viegli kodoli nonāk ļoti ciešā kontaktā, spēcīgais spēks tos spēj sapludināt kopā. Lai kodolus pietuvinātu pietiekami tuvu viens otram, lai spēcīgais spēks varētu iedarboties, ir nepieciešama liela enerģija, tāpēc kodolsintēzes process var notikt tikai ļoti augstā temperatūrā vai pie liela blīvuma. Kad kodoli ir pietiekami tuvu viens otram, spēcīgais spēks pārvar elektromagnētisko pretestību un saspiež tos jaunā kodolā. Vieglo kodolu saplūšanas laikā izdalās ļoti liels enerģijas daudzums, jo saistīšanas enerģija uz vienu nukleonu palielinās līdz pat niķeļa-62 masas skaitlim. Zvaigznes, piemēram, mūsu Saule, darbojas, četriem protoniem saplūstot hēlija kodolā, diviem pozitroniem un diviem neitrīniem. Nekontrolētu ūdeņraža saplūšanu par hēliju sauc par termonukleāro sabrukumu. Pašlaik dažādas pētniecības iestādes (sk. JET un ITER) veic pētījumus, lai atrastu ekonomiski izdevīgu metodi, kā izmantot enerģiju no kontrolētas kodolsintēzes reakcijas.

Kodola skaldīšana

Kodoliem, kas ir smagāki par niķeli-62, saistīšanas enerģija uz vienu nukleonu samazinās, pieaugot masas skaitlim. Tāpēc ir iespējams atbrīvoties enerģijai, ja smags kodols sadalās divos vieglākos kodolos. Šādu atomu sadalīšanos sauc par kodola skaldīšanos.

Alfa sabrukšanas procesu var uzskatīt par īpašu spontānas kodola skaldīšanās veidu. Šajā procesā notiek ļoti asimetriska skaldīšanās, jo četras daļiņas, kas veido alfa daļiņu, ir īpaši cieši saistītas viena ar otru, padarot šī kodola rašanos šķelšanās procesā īpaši iespējamu.

Dažiem vissmagākajiem kodoliem, kuri, sadaloties rada neitronus un kuri arī viegli absorbē neitronus, lai uzsāktu skaldīšanos, var iegūt neitronu iniciētas skaldīšanās pašaizdegšanās veidu, tā saukto ķēdes reakciju. [Ķēdes reakcijas ķīmijā bija zināmas jau pirms fizikas, un patiesībā daudzi pazīstami procesi, piemēram, ugunsgrēki un ķīmiskie sprādzieni, ir ķīmiskas ķēdes reakcijas]. Skaldīšanas jeb "kodolreakcijas" ķēdes reakcija, kurā izmanto skaldīšanas izraisītos neitronus, ir enerģijas avots kodolspēkstacijām un skaldīšanas tipa kodolbumbām, piemēram, divām kodolbumbām, ko ASV izmantoja pret Hirosimu un Nagasaki Otrā pasaules kara beigās. Smagie kodoli, piemēram, urāns un torijs, var sadalīties spontāni, taču daudz biežāk tie sadalās alfa sadalīšanās procesā.

Lai notiktu neitronu ierosināta ķēdes reakcija, noteiktos apstākļos noteiktā telpā jābūt elementa kritiskajai masai (šie apstākļi palēnina un saglabā neitronus reakcijām). Ir zināms viens dabiska kodola skaldīšanās reaktora piemērs, kas pirms vairāk nekā 1,5 miljardiem gadu bija aktīvs divos Oklo apgabalos Gabonā, Āfrikā. Dabisko neitrīno emisijas mērījumi ir pierādījuši, ka aptuveni puse no Zemes kodola izdalītā siltuma rodas no radioaktīvās sabrukšanas. Tomēr nav zināms, vai kaut kas no tā rodas no ķēdes reakciju ķēdes skaldīšanas.

Smago elementu ražošana

Kad pēc lielā sprādziena Visums atdzisa, beidzot kļuva iespējama daļiņu, kādas mēs tās pazīstam, pastāvēšana. Visbiežāk sastopamās daļiņas, kas radās lielā sprādziena laikā un kas mums vēl šodien ir viegli novērojamas, bija protoni (ūdeņradis) un elektroni (vienādā skaitā). Daži smagāki elementi radās, protoniem saduroties vienam ar otru, bet lielākā daļa smago elementu, ko mēs redzam šodien, radās zvaigznēs vairākos kodolsintēzes posmos, piemēram, protonu-protonu ķēdē, CNO ciklā un trīskāršā alfa procesā. Zvaigznes evolūcijas laikā rodas arvien smagāki elementi.

Tā kā saistīšanas enerģija uz vienu nukleonu sasniedz maksimumu ap dzelzs vērtību, enerģija izdalās tikai kodolsintēzes procesos, kas notiek zem šī punkta. Tā kā smagāku kodolu radīšana kodolsintēzes procesā prasa enerģiju, dabā tiek izmantots neitronu uztveršanas process. Neitronus (to lādiņa trūkuma dēļ) kodols viegli absorbē. Smagie elementi rodas vai nu lēnā neitronu uztveršanas procesā (tā sauktajā s procesā), vai arī ātrajā jeb r procesā. s process notiek termiski pulsējošās zvaigznēs (tā sauktajās AGB jeb asimptotiskajās milzu zaru zvaigznēs), un, lai sasniegtu smagākos elementus - svinu un bismutu, ir vajadzīgi simtiem līdz tūkstošiem gadu. Tiek uzskatīts, ka r process notiek supernovu sprādzienos, jo pastāv augstas temperatūras, liela neitronu plūsmas un izmetamās vielas apstākļi. Šādos zvaigžņu apstākļos secīgi neitronu uztveršanas procesi notiek ļoti ātri, iesaistot ļoti neitroniem bagātas sugas, kas pēc tam beta sadalās smagākos elementos, īpaši tā sauktajos gaidīšanas punktos, kas atbilst stabilākiem nuklīdiem ar slēgtām neitronu čaulām (maģiskie skaitļi). Procesa r ilgums parasti ir dažu sekunžu robežās.