ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Λίγες ανακαλύψεις έμελλαν να έχουν τόσο σημαντική επίδράση στην  ανθρώπινη ιστορία όσο η ανακάλυψη της πυρηνικής ενέργειας. 

  Από το 1896 ο Henri Becquerel (Ανρί Μπεκερέλ) είχε διαπιστώσει ότι  ένα ορυκτό που περιείχε ουράνιο εξέπεμπε μια αόρατη ακτινοβολία, η οποία διαπερνούσε το μαύρο χαρτί που κάλυπτε το ορυκτό και προσέβαλλε τη φωτογραφική πλάκα. Η μεγάλη ενέργεια αυτής της ακτινοβολίας, που εκπεμπόταν αυθόρμητα, δεν αντιστοιχούσε σε καμιά  από τις  γνωστές πηγές εκπομπής ακτινοβολιών και, για να εξηγηθεί, άρχισε η μελέτη του εσωτερικού του ατόμου. 

Ο Αντουάν Ανρί Μπεκερέλ (γαλλ. Antoine Henri Becquerel, 15 Δεκεμβρίου 1852 - 25 Αυγούστου 1908) ήταν Γάλλος φυσικός, βραβευμένος με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1903 για την ανακάλυψη της Ραδιενέργειας

  Στις αρχές του 20ού αιώνα, συγκεκριμένα το 1911, τα πειράματα  του  Rutherford(Ράδερφορντ) και  των μαθητών  του Geiger (Γκάιγκερ) και Marsden  (Μάρσντεν) έδειξαν ότι ο πυρήνας ενός ατόμου μπορούσε να θεωρηθεί ως μία σχεδόν σημειακή μάζα με θετικό φορτίο και ότι η μάζα όλου του ατόμου είναι κυρίως συγκεντρωμένη στον πυρήνα. 

  Το γεγονός όμως που τράβηξε την  προσοχή όχι μόνο των επιστημόνων αλλά και ολόκληρης της ανθρωπότητας  πάνω στον πυρήνα ήταν η ανακάλυψη ότι στην «καρδιά» του ατόμου βρισκόταν ένας ενεργειακός γίγαντας. 

  Όταν ο  άνθρωπος βρήκε τρόπους να αποδεσμεύσει την πυρηνική ενέργεια, αναβίωσαν  πάνω στη Γη δυνάμεις κοσμικής κλίμακας. Πρόκειται για τις ίδιες δυνάμεις που κάποτε, στο  αρχέγονο παρελθόν, σχημάτισαν στα  διάφορα άστρα την ύλη  από την οποία είμαστε και εμείς οι ίδιοι φτιαγμένοι. 

  Είναι οι ίδιες δυνάμεις που προκαλούν τις πυρηνικές αντιδράσεις στον Ήλιο και στα άλλα άστρα και ελευθερώνουν την τόσο απαραίτητη για τη συνέχιση της ζωής ηλιακή ενέργεια. 

Οι σημερινές ενδείξεις μας λένε ότι το Σύμπαν γεννήθηκε σε μια γιγαντιαία έκρηξη, το Big-Bang, πριν από περίπου 15 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το μέγεθος όλου του Σύμπαντος ήταν μικρότερο από αυτό ενός ατόμου

  Δυστυχώς όμως η αποδέσμευση της πυρηνικής ενέργειας γέννησε και  τον πιο μαζικό  τρόπο αφανισμού των ανθρώπων. Το 1945 η ενέργεια που αποδεσμεύθηκε μόνο  από 1kg ουρανίου ισοπέδωσε μια ολόκληρη πόλη, τη Χιροσίμα. 

  Σήμερα στον πλανήτη μας «συγκατοικούν» σε μια εύθραυστη ισορροπία η έμβια ύλη, που απαιτεί μικρά και ελέγξιμα  ποσά ενέργειας, και ύλη έτοιμη στα οπλοστάσια να υποστεί πυρηνικές διεργασίες και να αποδεσμεύσει τεράστια και ανεξέλεγκτα  ποσά ενέργειας, ικανά να εξαφανίσουν όλο τον ανθρώπινο πολιτισμό. Η αναζήτηση  τρόπων  τιθάσσευσης και χρησιμοποίησης της πυρηνικής ενέργειας, ώστε  να τεθεί στην υπηρεσία του ανθρώπου και όχι  να οδηγήσει στον αφανισμό του, πρέπει να αποτελέσει μέλημα των σύγχρονων κοινωνών. 

ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΑΙ Η ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΑΙ Η ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

  Οι επιστήμονες ήδη από τα μέσα του 19ου αιώνα αντιμετώπιζαν το ερώτημα: Ποια είναι η προέλευση της ηλιακής ενέργειας; Η απάντηση ήλθε πολύ αργότερα όταν μέσω του πειράματος διείσδυσαν στο εσωτερικό του ατόμου και ανακάλυψαν τον πυρήνα του ατόμου και τη δομή του.

Οι δομικοί λίθοι της ύλης.

  Έτσι έδωσαν απάντηση στο ερώτημα γιατί ο Ήλιος και τα αστέρια λάμπουν στον ουρανό.

  Το 1911 ο Ράδερφορντ (Rutherford) και οι συνεργάτες του πραγματοποιώντας μια σειρά από πειράματα στο εργαστήριο του πανεπιστημίου του Μάντσεστερ στην Αγγλία κατάφεραν να αποκαλύψουν την ύπαρξη του πυρήνα στα άτομα.

Ο Έρνεστ Ράδερφορντ, 1ος Βαρώνος Ράδερφορντ του Νέλσον Μέλος του Τάγματος της Αξίας, Μέλος της Βασιλικής Εταιρείας (πήρε αργότερα τον τιμητικό τίτλο Βαρώνος Ράδερφορντ του Νέλσον) ήταν Νεοζηλανδός φυσικός και χημικός

   Αναλύοντας τα αποτελέσματα των πειραμάτων κατέληξαν στα συμπεράσματα ότι ο πυρήνας του ατόμου: 

α) αν θεωρηθεί σφαιρικός, έχει ακτίνα 10.000 φορές μικρότερη από αυτή του ατόμου 

β) έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και 

γ) έχει το συντριπτικά μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ατόμου.

Το άτομο του ηλίου όπως το φαντάστηκε ο Ράδεφορντ.

Ο πυρήνας του στοιχείου ηλίου αποτελείται από δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια.

  Το πρότυπο του  Rutherford για το άτομο είναι όμοιο με αυτό του ηλιακού μας συστήματος. Μετά  από επίπονα πειράματα μετρήθηκαν οι ακτίνες του ατόμου και του πυρήνα και βρέθηκε ότι: η ακτίνα του ατόμου είναι της τάξης  των 10^-10m και η ακτίνα του πυρήνα της τάξης μεγέθους μεταξύ των 10^-15m και  10^-14. 

  Ο πυρήνας λοιπόν έχει ακτίνα μερικές δεκάδες χιλιάδες  φορές μικρότερη από την ακτίνα του ατόμου. Για να γίνει αυτό αντιληπτό, μπορούμε να κάνουμε την εξής παρομοίωση: το άτομο σαν ένα μεγάλο στάδιο και τον πυρήνα σαν ένα κεράσι, στο κέντρο του. Άρα το άτομο είναι σχεδόν άδειο στο εσωτερικό του.    

ΠΡΩΤΟΝΙΟ

  Το ελαφρύτερο από τα άτομα είναι του υδρογόνου. Στον πυρήνα του ατόμου του υδρογόνου δόθηκε το όνομα πρωτόνιο. Επειδή ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος, και το πρωτόνιο πρέπει να έχει θετικό φορτίο.

Tο πρωτόνιο πρέπει να έχει θετικό φορτίο

 Γνωρίζουμε ότι τα άτομα, άρα και το άτομο του υδρογόνου, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Συνεπώς το φορτίο του πρωτονίου είναι αντίθετο με το φορτίο του ηλεκτρονίου (στοιχειώδες φορτίο). Η μάζα του πρωτονίου είναι περίπου 2.000 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου.

ΑΤΟΜΙΚΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ

  Γενικότερα σε ένα ουδέτερο άτομο ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Αυτός ο αριθμός, που συμβολίζεται με Ζ, ονομάζεται ατομικός αριθμός.

Σε ένα ουδέτερο άτομο ο αριθμός των πρωτονίων του πυρήνα ισούται με τον αριθμό των ηλεκτρονίων. Αυτός ο αριθμός, που συμβολίζεται με Ζ, ονομάζεται ατομικός αριθμός

  Ο ατομικός αριθμός καθορίζει το χημικό στοιχείο στο οποίο ανήκει το άτομο. Όλα τα άτομα ενός ορισμένου στοιχείου έχουν τον ίδιο ατομικό αριθμό (Ζ), δηλαδή περιέχουν το ίδιο αριθμό πρωτονίων. Έτσι τα άτομα του άνθρακα με Ζ=6 περιέχουν πάντα 6 πρωτόνια, ενώ του οξυγόνου με Ζ=8 περιέχουν 8 πρωτόνια.

ΝΕΤΡΟΝΙΟ

  Ο Ράδεφορντ παρατήρησε ότι η μάζα του πυρήνα του ατόμου του άνθρακα ήταν ίση με τη μάζα όχι 6 αλλά 12 πρωτονίων. Για να ερμηνεύσει την παραπάνω παρατήρηση, υπέθεσε ότι ο πυρήνας εκτός από πρωτόνια αποτελείται και από ουδέτερα σωματίδια με μάζα σχεδόν ίση με τη μάζα του πρωτονίου.

Tα νετρόνια είναι ουδέτερα

 Το 1932 ο Τσάντγουικ (Chadwick), ένας μαθητής του Ράδεφορντ, ανακάλυψε ένα τέτοιο σωματίδιο που το ονόμασε νετρόνιο, δηλαδή ουδετερόνιο.

Ο Σερ Τζέιμς Τσάντγουικ (James Chadwick, 20 Οκτωβρίου 1891 - 24 Ιουλίου 1974) ήταν Άγγλος φυσικός ο οποίος τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής το 1935 για την ανακάλυψη του νετρονίου

 Επειδή τα νετρόνια είναι ουδέτερα, ο αριθμός τους δεν επηρεάζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων του ατόμου.

  Τον αριθμό νετρονίων σε ένα πυρήνα του ατόμου τον συμβολίζουμε Ν. 

ΜΑΖΙΚΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ

  Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ονομάζονται με μια λέξη νουκλεόνια.

 Ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων ενός πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός και συμβολίζεται με Α.

Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ονομάζονται νουκλεόνια

   Ισχύει δηλαδή:  

Α = Ζ +Ν 

 Στοιχεία με ατομικό αριθμό μέχρι 20 έχουν σχεδόν όλα ίσους αριθμούς πρωτονίων και νετρονίων. Όμως τα βαρύτερα στοιχεία έχουν περισσότερα νετρόνια απ’ ότι πρωτόνια.

  Ο πυρήνας του κοινού υδρογόνου είναι μόνο ένα πρωτόνιο. 

  Τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα μπορούμε να τα φανταστούμε σαν ένα τσαμπί από σταφύλια, σφαιρικού περίπου σχήματος, του οποίου οι ρώγες, δηλαδή τα πρωτόνια και τα νετρόνια, έχουν το ίδιο μέγεθος και την ίδια περίπου μάζα, αλλά διαφέρουν ως προς το ηλεκτρικό φορτίο. Το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, δηλαδή έχει μηδενικό φορτίο, ενώ το πρωτόνιο φέρει το στοιχειώδες θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Το συνολικό φορτίο του πυρήνα είναι ίσο με το άθροισμα των φορτίων των πρωτονίων του. 

Ένας πυρήνας μοιάζει με ένα τσαμπί, του οποίου οι ρώγες είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια

  Στο σημείο αυτό  πάντως  θα πρέπει να τονιστεί ότι, ενώ στον κόσμο το δικό μας, το μακρόκοσμο, η ακινησία είναι συνηθισμένο φαινόμενο, στο μικρόκοσμο οι στοιχειώδεις δομικές μονάδες της ύλης δεν είναι δυνατό  να ακινητοποιηθούν. Εκδηλώνουν μια  αέναη κίνηση, δηλαδή κινούνται συνεχώς και έχουν κινητική ενέργεια. 

ΙΣΟΤΟΠΑ

  Πυρήνες που ανήκουν στο ίδιο  χημικό στοιχείο και  έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων,δηλαδή τον ίδιο ατομικό αριθμό Ζ,αλλά όχι και τον ίδιο αριθμό νετρονίων Ν ονομάζονται ισότοποι.   

Τα τρία ισότοπα του υδρογόνου: (α) πρώτιο ¹₁Η, (β) δευτέριο ²₁Η (γ) τρίτιο ³₁Η.

   Τα ισότοπα συμβολίζονται με ^Α_ΖΣ, όπου Σ το σύμβολο του στοιχείου. Το υδρογόνο έχει τρία ισότοπα, το χλώριο δύο με σύμβολα ³⁵₁₇Cl και ¹⁷₁₇Cl, ενώ στο γήινο φλοιό υπάρχουν τρία ισότοπα του ουρανίου με πιο κοινό το ²³⁸₉₂U. Από τα 83 στοιχεία που υπάρχουν στη Γη σε αξιόλογη ποσότητα, μόνο τα 20 έχουν μια μόνο σταθερή μορφή. Τα υπόλοιπα έχουν από δύο έως δέκα σταθερά ισότοπα. Αν λάβουμε υπόψη όλα τα ισότοπα, τότε ο αριθμός των διαφορετικών πυρήνων ανέρχεται περίπου σε 2.500.

Σχηματική αναπαράσταση ισοτόπων του υδρογόνου και του άνθρακα

  Όλα τα ισότοπα ενός στοιχείου αποτελούνται από άτομα που ο πυρήνας τους έχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και άρα τα άτομα τους περιέχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων. Επειδή οι χημικές ιδιότητες ενός στοιχείου καθορίζονται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων των ατόμων του, δηλαδή τον ατομικό αριθμό,και επειδή αυτές καθορίζονται από το πλήθος και τις ενεργειακές καταστάσεις  των ατομικών ηλεκτρονίων, όλα τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες.  Γι' αυτό το λόγο στη Χημεία το όνομα κάθε στοιχείου συνοδεύεται μόνο  από τον ατομικό του αριθμό Ζ.Έχουν όμως διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, όπως πυκνότητα, σημείο τήξης, σημείο βρασμού κ.λπ.

  Τα ισότοπα ενός στοιχείου δε βρίσκονται με την ίδια αφθονία στη φύση.Έτσι το ισότοπο  του  άνθρακα βρίσκεται σε ποσοστό περίπου 99% του C στη φύση, ενώ τα ισότοπα βρίσκονται σε πολύ μικρότερα ποσοστά. 

ΜΑΖΑ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ

  Για τη μέτρηση  των μαζών των πυρήνων χρησιμοποιούμε την μονάδα ατομικής μάζας u, η οποία ορίζεται ως το 1/12 της μάζας του ατόμου του . Αυτό σημαίνει ότι η μάζα ενός ατόμου μαζί με τα 6 ηλεκτρόνιά του είναι 12u. 

Για τη μέτρηση  των μαζών των πυρήνων χρησιμοποιούμε την μονάδα ατομικής μάζας u, η οποία ορίζεται ως το 1/12 της μάζας του ατόμου του

  Για τη μέτρηση των μαζών των πυρήνων προτιμάμε να χρησιμοποιούμε τις ατομικές μονάδες μάζας αντί για kg: 

α) γιατί οι μάζες εκφράζονται σε μικρούς αριθμούς, εύκολα συγκρίσιμες μεταξύ τους και 

β) γιατί η μάζα ενός ατόμου σε u είναι περίπου ίση με το μαζικό του αριθμό, Α.   

  Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η μάζα m οποιουδήποτε σώματος είναι ισοδύναμη με κάποια ποσότητα ενέργειας, όπως καθορίζεται  από τη σχέση: 

E = mc2

  Σύμφωνα με τη σχέση αυτή, μπορούμε να μετράμε τη μάζα ενός σωματιδίου και σε μονάδες ενέργειας. Συνήθως στην Πυρηνική χρησιμοποιούμε τη μονάδα  1 MeV.  

ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΜΑΖΑΣ-ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ

ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΜΑΖΑΣ-ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ

  Ας θεωρήσουμε τον απλό πυρήνα δευτέριο  που περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο και ας αναρωτηθούμε πόση είναι η μάζα του. Μια πρώτη απάντηση ίσως  να ήταν ότι είναι ίση με το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων του, δηλαδή.Πειραματικά όμως έχει βρεθεί ότι η μάζα του πυρήνα  είναι  μικρότερη  από το άθροισμα αυτό. Η ιδιότητα αυτή  των πυρήνων να  έχουν μικρότερη μάζα  α πό το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων τους είναι γενική για κάθε πυρήνα. 

  Η διαφορά της μάζας ΜΠ ενός πυρήνα  από το άθροισμα των μαζών των ελεύθερων νουκλεονίων του ονομάζεται έλλειμμα μάζας και παριστάνεται ως ΔΜ. Για  έναν πυρήνα με Ζ πρωτόνια και Ν νετρόνια ορίζουμε ως έλλειμμα μάζας ΔΜ τη  διαφορά: 

ΔΜ = Zmp + Nmn - MΠ

 Η ισοδύναμη ενέργεια που αντιστοιχεί στο έλλειμμα μάζας ονομάζεται ενέργεια σύνδεσης, παριστάνεται ως  ΕΒ και υπολογίζεται από τη σχέση: 

EB = (ΔΜ)c2

 Αυτή ακριβώς η ενέργεια σύνδεσης εκφράζει την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια που πρέπει να δώσουμε, για να απομακρύνουμε μεταξύ τους τα πρωτόνια και τα νετρόνια, που αποτελούν τον πυρήνα, ώστε να μην υπάρχει καμία αλληλεπίδραση μεταξύ τους. 

 Αν διαιρέσουμε την ενέργεια σύνδεσης με το πλήθος των νουκλεονίων, παίρνουμε την ενέργεια σύνδεσης  ανά νουκλεόνιο. 

 Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο μετράει τη σταθερότητα του πυρήνα.Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο τόσο σταθερότερος είναι ο πυρήνας. 

Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο (Ε_Β/Α) σε συνάρτηση με το μαζικό αριθμό Α

  Η ενέργεια σύνδεσης  ανά νουκλεόνιο των περισσότερων πυρήνων κυμαίνεται μεταξύ των τιμών 7MeV/νουκλεόνιο και 9MeV/vouκλεόνιο.  Σ' αυτό το σχήμα παρατηρούμε ότι η ενέργεια σύνδεσης  ανά νουκλεόνιο αυξάνεται γρήγορα στα ελαφριά στοιχεία, έχει ένα πλατύ μέγιστο στην περιοχή, περίπου με Α = 56 έως  Α = 60, και μειώνεται  αργά στα μεσαίου βάρους και βαριά στοιχεία.Όμως οι  διαφορές, αν και φαίνονται μικρές. είναι σημαντικές. Παρατηρούμε επίσης ότι η αιχμή της καμπύλης στο  Α =4 δείχνει την ιδιαίτερη σταθερότητα της δομής του σωματίου α. 

Μερικές τυπικές τιμές ενεργειών σύνδεσης για μερικούς πυρήνες αναφέρονται στον παρακάτω πίνακα.

 Όταν κάποιος πυρήνας πολύ μεγάλου μαζικού αριθμού διασπάται είτε αυθόρμητα είτε τεχνητά σε δύο άλλους πυρήνες μεσαίων μαζικών αριθμών (φαινόμενο σχάσης), η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο είναι μεγαλύτερη στους νέους πυρήνες που προκύπτουν.Ομοίως όταν δύο ή περισσότεροι πολύ ελαφροί πυρήνες στο αριστερό μέρος της καμπύλης, συνενώνονται προς σχηματισμό ενός μεγαλύτερου με Α ≤ 60 (φαινόμενο σύντηξης), πάλι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο είναι μεγαλύτερη στο νέο πυρήνα που προκύπτει.Συνεπώς στις διαδικασίες αυτές, οι πυρήνες που παράγονται είναι ενεργειακά σταθερότεροι και αποδεσμεύεται συνολικά ενέργεια, την οποία εκμεταλλευόμαστε.

Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο στον πυρήνα, ως συνάρτηση του μαζικού αριθμού. Το μηδέν της ενέργειας αντιστοιχεί στην κατάσταση των ελεύθερων νουκλεονίων. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο τόσο σταθερότερος ενεργειακά είναι ο πυρήνας. Η έγχρωμη περιοχή είναι αυτή των πιο ευσταθών πυρήνων

 Ας θεωρήσουμε για παράδειγμα ότι ένας πυρήνας με Α=240 και ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο 7,5MeV σχάζεται σε δύο μεσαίους πυρήνες με μαζικούς αριθμούς 120 οι οποίοι έχουν ενέργεια σύνδεσης  ανά νουκλεόνιο 8,5MeV.Η διάλυση του αρχικού πυρήνα στα νουκλεόνια που τον αποτελούν απαιτεί  δαπάνη ενέργειας 240x7,5MeV=1800MeV. 

  Ο σχηματισμός  των δύο  νέων πυρήνων από  τα ίδια νουκλεόνια εκλύει ενέργεια 240x8,5MeV=2040MeV. Από όλη τη διαδικασία της σχάσης αποδεσμεύεται συνεπώς ενέργεια ίση με τη  διαφορά (2040-1800)MeV=240MeV την οποία ωφελούμαστε. 

Σημείωση: Όταν κάνουμε υπολογισμούς με έλλειμμα μάζας, ενέργεια σύνδεσης κτλ., η μάζα τον πυρήνα που υπεισέρχεται αναφέρεται στο γυμνό πυρήνα, χωρίς τα ηλεκτρόνια. Οι πίνακες των μαζών όμως δίνουν τη μάζα των ουδέτερων ατόμων, που περιλαμβάνει και όλα τα ηλεκτρόνια τους. Για να βρούμε λοιπόν τη μάζα ενός γυμνού πυρήνα, όταν ενδιαφερόμαστε για ακρίβεια αρκετών δεκαδικών ψηφίων, πρέπει να αφαιρούμε τη μάζα αυτών των ηλεκτρονίων, έστω και αν είναι πολύ μικρή. 

ΟΙ ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

ΟΙ ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

  Είδαμε ότι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια του ατόμου συγκρατούνται σε αυτό από τις ελκτικές ηλεκτρικές δυνάμεις που τους ασκεί ο θετικά φορτισμένος πυρήνας.

Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της Φύσης 

  Όμως ποιες δυνάμεις συγκρατούν τα συστατικά του πυρήνα;

   Είδαμε ότι τα νουκλεόνια βρίσκονται σε μια  αέναη και αδιάκοπη κίνηση μέσα στον πυρήνα. Εξαιτίας της κίνησης αυτής  τα νουκλεόνια έχουν μια  τεράστια κινητική ενέργεια, η οποία τείνει  να τα διασκορπίσει προς τα έξω και επομένως να διαλύσει τον πυρήνα. Επιπλέον τα πρωτόνια στον πυρήνα υφίστανται την αμοιβαία ηλεκτρική άπωση, η  οποία τείνει επίσης  να τα εκδιώξει  από τον πυρήνα. Μεταξύ των πρωτονίων ασκούνται ισχυρές απωστικές δυνάμεις.

Πού οφείλεται λοιπόν η σταθερότητα των πυρήνων; Γιατί τα πρωτόνια δεν εκσφενδονίζονται μακριά το ένα από το άλλο;

Ο Χίντεκι Γιουκάβα (23 Ιανουαρίου 1907 - 8 Σεπτεμβρίου 1981) ήταν Ιάπωνας φυσικός. Είναι κυρίως γνωστός για τη θεωρητική πρόβλεψη της ύπαρξης του μεσονίου και για το δυναμικό Γιουκάβα (Yukawa potential), που περιγράφει την ισχυρή εξάρτηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης από την ακτίνα δράσης της. Για τη συνεισφορά του αυτή στη θεωρητική φυσική έγινε ο πρώτος Ιάπωνας που τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1949.Σπούδασε Φυσική στην Ιαπωνία και σε ηλικία 22 ετών έγινε καθηγητής στο πανεπιστήμιο του Κιότο. Ο Γιουκάβα είναι ο πρώτος Ιάπωνας επιστήμονας που πήγε στις ΗΠΑ μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο, όπου και έγινε καθηγητής της Θεωρητικής Φυσικής στο πανεπιστήμιο Κολούμπια

  Το 1935 ο Ιάπωνας φυσικός Γιουκάβα για να ερμηνεύσει το σχηματισμό των πυρήνων, πρότεινε την ύπαρξη μιας άγνωστης μέχρι τότε δύναμης. Η δύναμη αυτή, ασκείται μέσα στον πυρήνα και είναι ισχυρότατα ελκτική ώστε να υπερνικά την άπωση μεταξύ των πρωτονίων.

Η εμβέλεια της πυρηνικής δύναμης.

Τα πρωτόνια αλληλεπιδρούν:
α) με ηλεκτρικές δυνάμεις (απωστικές), 
β) με ισχυρές πυρηνικές (ελκτικές). Σε απόσταση μεγαλύτερη από 10^-15 m η ισχυρή πυρηνική δύναμη σχεδόν μηδενίζεται  

  Αυτή η δύναμη ονομάζεται ισχυρή πυρηνική δύναμη.Αυτή η δύναμη υπερνικά την ηλεκτρική άπωση και την τάση που  έχουν  τα νουκλεόνια να διασκορπιστούν λόγω της έντονης κίνησής τους.

  Η ισχυρή πυρηνική δύναμη έχει τα εξής χαρακτηριστικά: 

α) Ασκείται μόνο μεταξύ γειτονικών πρωτονίων και νετρονίων, είναι ελκτική και εξίσου ισχυρή για τα ζεύγη πρωτονίου-πρωτονίου, πρωτονίου-νετρονίου και νετρονίου-νετρονίου. Εξαιτίας αυτής της ισοδυναμίας τα πρωτόνια και τα νετρόνια ονομάζονται με μια λέξη νουκλεόνια.

β) Δρα μόνο μεταξύ γειτονικών νουκλεονίων και μόνο στις πολύ κοντινές αποστάσεις.Είναι πολύ μικρής εμβέλειας, δηλαδή ασκείται μόνο μεταξύ νουκλεονίων που η απόστασή τους είναι μικρότερη από 10^-15m. Γι’ αυτό το λόγο οι πυρήνες έχουν πάρα πολύ μικρό μέγεθος. 

  Πράγματι, όταν η απόσταση μεταξύ των κέντρων δύο νουκλεονίων είναι μεγαλύτερη από 4×10^-15m, η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι σχεδόν μηδέν.

Η εμβέλεια της πυρηνικής δύναμης
Τα νετρόνια αλληλεπιδρούν μόνο με ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις (ελκτικές)

    Γιατί είναι αναγκαία η ύπαρξη των νετρονίων για το σχηματισμό ενός πυρήνα;

  Τα πρωτόνια όταν βρίσκονται πολύ κοντά έχουν πολύ μεγάλες κινητικές ενέργειες με αποτέλεσμα να απομακρύνονται μεταξύ τους. Όσο όμως αυξάνεται η απόσταση των πρωτονίων η ισχυρή πυρηνική δύναμη εξασθενεί και η απωστική ηλεκτρική δύναμη υπερισχύει .

Νετρόνια: η κόλλα του πυρήνα.Το πρωτόνιο Β και το νετρόνιο Α βρίσκονται πολύ κοντά. Έλκονται με ισχυρή πυρηνική δύναμη. Τα νετρόνια Α και Δ είναι κοντά και έλκονται με ισχυρή πυρηνική δύναμη. Το πρωτόνιο Ε και το νετρόνιο Δ βρ.ίσκονται πολύ κοντά και έλκονται με ισχυρή πυρηνική δύναμη. Τελικά τα νετρόνια λειτουργούν ως «κόλλα» η οποία συγκρατεί τα μακρινά πρωτόνια Β και Ε στον πυρήνα

 Αν όμως μεταξύ των πρωτονίων μεσολαβούν νετρόνια, τότε μεταξύ πρωτονίων-νετρονίων αναπτύσσονται μόνο οι ελκτικές ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και έτσι τα νετρόνια λειτουργούν ως «κόλλα» που διατηρεί τα πρωτόνια σε κοντινή απόσταση. Όσο περισσότερα πρωτόνια υπάρχουν σε ένα πυρήνα, τόσο περισσότερα νετρόνια απαιτούνται για να συγκρατηθούν ενωμένα. Γι’ αυτό και στους βαρύτερους πυρήνες υπάρχουν περισσότερα νετρόνια από πρωτόνια.

Η κινητική ενέργεια των νουκλεονίων και η απωστική δύναμη μεταξύ των πρωτονίων τείνουν να αποσυνθέσουν τον πυρήνα, ενώ η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι αυτή που τον κρατάει ενιαίο

  Στο γήινο περιβάλλον και στον κόσμο  γύρω μας, που γίνεται άμεσα αντιληπτός, οι πυρήνες σχεδόν ποτέ δεν πλησιάζουν ο ένας τον άλλο, γιατί οι ηλεκτρικές απώσεις δεν τους αφήνουν. Έτσι η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που  δρα μόνο «εξ επαφής», δεν γίνεται εύκολα αισθητή ούτε και επηρεάζει άμεσα τα μακροσκοπικά φαινόμενα. 

  Υποψιαστήκαμε για  πρώτη  φορά την  ύπαρξή της, μόνο  όταν μπορέσαμε με κατάλληλους επιταχυντές να δώσουμε υψηλές κινητικές ενέργειες σε πυρήνες κυρίως ελαφρούς,ώστε να μπορέσουν να υπερνικήσουν το φράγμα των ηλεκτρικών απώσεων και να πλησιάσουν σε απόσταση λιγότερη από 2x10^-15m άλλους πυρήνες. Έτσι καταφέραμε να αλληλεπιδράσουν οι δύο πυρήνες και να σχηματιστούν νέοι πυρήνες. 

Ο ΠΥΡΗΝΑΣ ΣΗΜΕΡΑ

   Έχουν ανακαλυφθεί 18 είδη κουάρκ και πιστεύεται ότι αυτά μαζί με τα 6 λεπτόνια αποτελούν βασικά δομικά συστατικά της ύλης.

Το σύγχρονο μοντέλο του υποατομικού μικρόκοσμου

  Η επανάσταση όμως δεν σταμάτησε εκεί. Νέους ορίζοντες άνοιξε η υπόθεση απ' τον Αγγλου Ντάιρακ της ύπαρξης ενός σωματιδίου με μάζα ίση με του ηλεκτρονίου αλλά με αντίθετο φορτίο. Το "ποζιτρόνιο", όπως ονομάστηκε ανακαλύφθηκε δύο χρόνια μετά στην κοσμική ακτινοβολία, αποκαλύπτοντας μια συμμετρία μεταξύ Ύλης και Αντιύλης. Αυτή η συμμετρία προέβλεπε την ύπαρξη ενός αντι-σωματιδίου για κάθε γνωστό σωματίδιο (με ίδια μάζα και αντίθετο φορτίο).Τα ζεύγη σωματιδίων και αντι-σωματιδίων μπορούσαν να δημιουργηθούν αν διοχετευθεί η κατάλληλη ενέργεια για τη δημιουργία τους, αλλά αντίθετα μπορούν να εκμηδενιστούν και να μετατραπούν σε ενέργεια. Οι προβλέψεις αυτές επιβεβαιώθηκαν πειραματικά με τη δημιουργία αντιύλης στο εργαστήριο. 

Η Πυρηνική Φυσική είναι ο τομέας της Φυσικής που ασχολείται με τη μελέτη των φαινομένων που συσχετίζονται με τον πυρήνα του ατόμου, τα στοιχειώδη σωματίδια που τον αποτελούν καθώς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους (δομή, χαρακτηριστικά, συμπεριφορά κλπ.)

 Έτσι αναπτύχθηκε η Πυρηνική Φυσική που ασχολείται με τις ιδιότητες των διαφόρων πυρήνων που υπάρχουν, ξεκινώντας απ' τις ιδιότητες των συστατικών τους: των πρωτονίων και των νετρονίων. Η Πυρηνική Φυσική μελετάει επίσης τις δυνάμεις που αναπτύσσονται στα πλαίσια του Μικρόκοσμου.

Ο  ΠΥΡΗΝΑΣ ΕΧΕΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ

  Η ενέργεια των νουκλεονίων του πυρήνα δεν μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή, αλλά, όπως συμβαίνει και με την ενέργεια του ατόμου του υδρογόνου, είναι κβαντωμένο μέγεθος και μπορεί να πάρει μόνο διακριτές τιμές. 

Οι πρώτες λίγες ενεργειακές στάθμες του πυρήνα ¹⁴₇N. Η θεμελιώδης ενεργειακή στάθμη αντιστοιχεί στην πιο ευσταθή κατάσταση του πυρήνα. Όλες οι στάθμες έχουν αρνητική ενέργεια. Οι διεγερμένες στάθμες έχουν απλώς μεγαλύτερη ενέργεια από τη θεμελιώδη. Κάθε φορά που ο πυρήνας, ενώ βρίσκεται σε μια διεγερμένη στάθμη, μεταπίπτει σε μια πιο χαμηλή, αποβάλλει στο περιβάλλον του ενέργεια με τη μορφή φωτονίων

  Τη στάθμη που αντιστοιχεί στη μικρότερη δυνατή ενέργεια τη λέμε και εδώ θεμελιώδη ενεργειακή στάθμη. Οι υπόλοιπες ενεργειακές στάθμες του πυρήνα παριστάνονται σχηματικά με μικρές οριζόντιες γραμμές πάνω από τη θεμελιώδη ενεργειακή στάθμη και ονομάζονται διεγερμένες στάθμες. 

 Οι αποστάσεις των ενεργειακών σταθμών στο άτομο του υδρογόνου είναι μερικά eV, ενώ στον πυρήνα οι αποστάσεις των ενεργειακών σταθμών είναι μερικά MeV, δηλαδή ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο.