Ατομικός πυρήνας

Ο πυρήνας ενός ατόμου αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια (δύο τύποι βαρυονίων) που ενώνονται με την πυρηνική δύναμη. Αυτά τα βαρυόνια αποτελούνται περαιτέρω από υποατομικά θεμελιώδη σωματίδια, γνωστά ως κουάρκ, που ενώνονται με την ισχυρή αλληλεπίδραση. Ο πυρήνας είναι περισσότερο ή λιγότερο σφαιροειδής και μπορεί να είναι κάπως πεπλατυσμένος (μακρόστενος) ή πλατύς (επίπεδος) ή αλλιώς όχι εντελώς στρογγυλός.

Ισότοπα και νουκλίδια

Το ισότοπο ενός ατόμου βασίζεται στον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα. Τα διάφορα ισότοπα του ίδιου στοιχείου έχουν πολύ παρόμοιες χημικές ιδιότητες. Τα διαφορετικά ισότοπα σε ένα δείγμα μιας χημικής ουσίας μπορούν να διαχωριστούν με τη χρήση φυγόκεντρου ή με τη χρήση φασματόμετρου μάζας. Η πρώτη μέθοδος χρησιμοποιείται για την παραγωγή εμπλουτισμένου ουρανίου από κανονικό ουράνιο και η δεύτερη χρησιμοποιείται στη χρονολόγηση άνθρακα.

Ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων μαζί καθορίζουν το νουκλίδιο (είδος πυρήνα). Τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν σχεδόν ίσες μάζες και ο συνδυασμένος αριθμός τους, ο αριθμός μάζας, είναι περίπου ίσος με την ατομική μάζα ενός ατόμου. Η συνδυασμένη μάζα των ηλεκτρονίων είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με τη μάζα του πυρήνα- τα πρωτόνια και τα νετρόνια ζυγίζουν περίπου 2000 φορές περισσότερο από τα ηλεκτρόνια.

Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου από τον J. J. Thomson ήταν η πρώτη ένδειξη ότι το άτομο είχε εσωτερική δομή. Στις αρχές του 20ού αιώνα το αποδεκτό μοντέλο του ατόμου ήταν το μοντέλο της "πουτίγκας δαμάσκηνου" του J. J. Thomson, σύμφωνα με το οποίο το άτομο ήταν μια μεγάλη θετικά φορτισμένη μπάλα με μικρά αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια ενσωματωμένα στο εσωτερικό της. Στις αρχές του αιώνα οι φυσικοί είχαν επίσης ανακαλύψει τρεις τύπους ακτινοβολίας που προέρχονται από τα άτομα, τους οποίους ονόμασαν ακτινοβολία άλφα, βήτα και γάμμα. Πειράματα το 1911 από τη Lise Meitner και τον Otto Hahn και από τον James Chadwick το 1914 ανακάλυψαν ότι το φάσμα της β-διάσπασης ήταν συνεχές και όχι διακριτό. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονταν από το άτομο με ένα εύρος ενεργειών, αντί για τα διακριτά ποσά ενεργειών που παρατηρήθηκαν στις διασπάσεις γάμμα και άλφα. Αυτό αποτελούσε πρόβλημα για την πυρηνική φυσική εκείνη την εποχή, διότι έδειχνε ότι η ενέργεια δεν διατηρούνταν σε αυτές τις διασπάσεις. Το πρόβλημα αυτό θα οδηγούσε αργότερα στην ανακάλυψη του νετρίνο (βλ. παρακάτω).

Το 1906 ο Ernest Rutherford δημοσίευσε το βιβλίο "Η ακτινοβολία του σωματιδίου α από το ράδιο κατά τη διέλευσή του από την ύλη". Ο Geiger επέκτεινε την εργασία αυτή σε μια ανακοίνωση προς τη Βασιλική Εταιρεία με πειράματα που είχαν κάνει ο ίδιος και ο Rutherford περνώντας σωματίδια α μέσα από τον αέρα, το φύλλο αλουμινίου και το φύλλο χρυσού. Περισσότερες εργασίες δημοσιεύθηκαν το 1909 από τους Geiger και Marsden και περαιτέρω σημαντικά διευρυμένες εργασίες δημοσιεύθηκαν το 1910 από τον Geiger, Το 1911-2 ο Rutherford πήγε ενώπιον της Βασιλικής Εταιρείας για να εξηγήσει τα πειράματα και να διατυπώσει τη νέα θεωρία του ατομικού πυρήνα, όπως τον αντιλαμβανόμαστε σήμερα.

Περίπου την ίδια εποχή που συνέβαινε αυτό (1909) ο Ernest Rutherford πραγματοποίησε ένα αξιοσημείωτο πείραμα στο οποίο ο Hans Geiger και ο Ernest Marsden υπό την επίβλεψή του εκτόξευσαν σωματίδια άλφα (πυρήνες ηλίου) σε ένα λεπτό φιλμ από φύλλο χρυσού. Το μοντέλο της πουτίγκας δαμάσκηνου προέβλεπε ότι τα σωματίδια άλφα θα έπρεπε να βγουν από το φύλλο με τις τροχιές τους να είναι το πολύ ελαφρώς λυγισμένες. Σοκαρίστηκε όταν ανακάλυψε ότι μερικά σωματίδια διασκορπίστηκαν υπό μεγάλες γωνίες, ακόμη και εντελώς ανάποδα σε ορισμένες περιπτώσεις. Η ανακάλυψη αυτή, ξεκινώντας από την ανάλυση των δεδομένων από τον Ράδερφορντ το 1911, οδήγησε τελικά στο μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ, στο οποίο το άτομο έχει έναν πολύ μικρό, πολύ πυκνό πυρήνα που αποτελείται από βαριά θετικά φορτισμένα σωματίδια με ενσωματωμένα ηλεκτρόνια για να εξισορροπηθεί το φορτίο. Ως παράδειγμα, στο μοντέλο αυτό το άζωτο-14 αποτελούνταν από έναν πυρήνα με 14 πρωτόνια και 7 ηλεκτρόνια, και ο πυρήνας περιβαλλόταν από 7 ακόμη ηλεκτρόνια που βρίσκονταν σε τροχιά.

Το μοντέλο του Ράδερφορντ λειτούργησε αρκετά καλά έως ότου ο Φράνκο Ρασέτι διεξήγαγε μελέτες για το πυρηνικό σπιν στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια το 1929. Μέχρι το 1925 ήταν γνωστό ότι τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια είχαν σπιν 1/2, και στο μοντέλο Rutherford του αζώτου-14 τα 14 πρωτόνια και έξι από τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να έχουν ζευγαρώσει για να ακυρώσουν το σπιν του άλλου, και το τελευταίο ηλεκτρόνιο θα έπρεπε να έχει φύγει από τον πυρήνα με σπιν 1/2. Ο Rasetti ανακάλυψε, ωστόσο, ότι το άζωτο-14 έχει σπιν 1.

Το 1930 ο Βόλφγκανγκ Πάουλι δεν μπόρεσε να παρευρεθεί σε μια συνάντηση στο Τούμπινγκεν και έστειλε μια διάσημη επιστολή με την κλασική εισαγωγή "Αγαπητές ραδιενεργές κυρίες και κύριοι". Στην επιστολή του ο Pauli πρότεινε ότι ίσως υπήρχε ένα τρίτο σωματίδιο στον πυρήνα, το οποίο ονόμασε "νετρόνιο". Πρότεινε ότι ήταν πολύ ελαφρύ (ελαφρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο), δεν είχε φορτίο και ότι δεν αλληλεπιδρούσε εύκολα με την ύλη (γι' αυτό και δεν είχε ακόμη ανιχνευθεί). Αυτή η απελπισμένη διέξοδος έλυσε τόσο το πρόβλημα της διατήρησης της ενέργειας όσο και το σπιν του αζώτου-14, το πρώτο επειδή το "νετρόνιο" του Pauli μετέφερε την επιπλέον ενέργεια και το δεύτερο επειδή ένα επιπλέον "νετρόνιο" συζεύχθηκε με το ηλεκτρόνιο στον πυρήνα του αζώτου-14 δίνοντάς του σπιν ένα. Το "νετρόνιο" του Pauli μετονομάστηκε σε νετρίνο (ιταλικά για το μικρό ουδέτερο) από τον Enrico Fermi το 1931, και μετά από περίπου τριάντα χρόνια αποδείχθηκε τελικά ότι ένα νετρίνο πράγματι εκπέμπεται κατά τη διάρκεια της διάσπασης βήτα.

Το 1932 ο Chadwick συνειδητοποίησε ότι η ακτινοβολία που είχε παρατηρηθεί από τους Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène και Frédéric Joliot-Curie οφειλόταν στην πραγματικότητα σε ένα τεράστιο σωματίδιο που ονόμασε νετρόνιο. Την ίδια χρονιά ο Dmitri Ivanenko πρότεινε ότι τα νετρόνια ήταν στην πραγματικότητα σωματίδια με σπιν 1/2 και ότι ο πυρήνας περιείχε νετρόνια και ότι δεν υπήρχαν ηλεκτρόνια σε αυτόν, και ο Francis Perrin πρότεινε ότι τα νετρίνα δεν ήταν πυρηνικά σωματίδια αλλά δημιουργούνταν κατά τη διάρκεια της β-διάσπασης. Ως επιστέγασμα της χρονιάς, ο Φέρμι υπέβαλε μια θεωρία για τα νετρίνα στο Nature (την οποία οι συντάκτες απέρριψαν επειδή ήταν "πολύ μακριά από την πραγματικότητα"). Ο Φέρμι συνέχισε να εργάζεται πάνω στη θεωρία του και δημοσίευσε μια εργασία το 1934, η οποία έθεσε το νετρίνο σε στέρεα θεωρητική βάση. Την ίδια χρονιά ο Hideki Yukawa πρότεινε την πρώτη σημαντική θεωρία της ισχυρής δύναμης για να εξηγήσει πώς ο πυρήνας συγκρατείται.

Με τις εργασίες των Φέρμι και Γιούκαβα ολοκληρώθηκε το σύγχρονο μοντέλο του ατόμου. Το κέντρο του ατόμου περιέχει μια σφιχτή σφαίρα νετρονίων και πρωτονίων, η οποία συγκρατείται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη. Οι ασταθείς πυρήνες μπορούν να υποστούν διάσπαση άλφα, κατά την οποία εκπέμπουν έναν ενεργητικό πυρήνα ηλίου, ή διάσπαση βήτα, κατά την οποία εκτοξεύουν ένα ηλεκτρόνιο (ή ποζιτρόνιο). Μετά από μία από αυτές τις διασπάσεις ο πυρήνας που προκύπτει μπορεί να παραμείνει σε διεγερμένη κατάσταση, και σε αυτή την περίπτωση διασπάται στη βασική του κατάσταση εκπέμποντας φωτόνια υψηλής ενέργειας (διάσπαση γάμμα).

Η μελέτη των ισχυρών και ασθενών πυρηνικών δυνάμεων οδήγησε τους φυσικούς να συγκρούουν πυρήνες και ηλεκτρόνια σε όλο και υψηλότερες ενέργειες. Αυτή η έρευνα έγινε η επιστήμη της σωματιδιακής φυσικής, η σημαντικότερη από τις οποίες είναι το καθιερωμένο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που ενοποιεί τις ισχυρές, τις ασθενείς και τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.

Ένας πυρήνας μπορεί να περιέχει εκατοντάδες νουκλεόνια, πράγμα που σημαίνει ότι με κάποια προσέγγιση μπορεί να αντιμετωπιστεί ως κλασικό σύστημα και όχι ως κβαντομηχανικό. Στο μοντέλο υγρής σταγόνας που προκύπτει, ο πυρήνας έχει μια ενέργεια που προκύπτει εν μέρει από την επιφανειακή τάση και εν μέρει από την ηλεκτρική άπωση των πρωτονίων. Το µοντέλο υγρής σταγόνας είναι σε θέση να αναπαράγει πολλά χαρακτηριστικά των πυρήνων, συµπεριλαµβανοµένης της γενικής τάσης της ενέργειας σύνδεσης σε σχέση µε τον αριθµό µάζας, καθώς και το φαινόµενο της πυρηνικής σχάσης.

Ωστόσο, σε αυτή την κλασική εικόνα προστίθενται κβαντομηχανικά φαινόμενα, τα οποία μπορούν να περιγραφούν με τη χρήση του μοντέλου του πυρηνικού κελύφους, το οποίο αναπτύχθηκε σε μεγάλο βαθμό από τη Maria Goeppert-Mayer. Οι πυρήνες με ορισμένους αριθμούς νετρονίων και πρωτονίων (οι μαγικοί αριθμοί 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) είναι ιδιαίτερα σταθεροί, επειδή τα κελύφη τους είναι γεμάτα.

Μεγάλο μέρος της τρέχουσας έρευνας στην πυρηνική φυσική σχετίζεται με τη μελέτη των πυρήνων σε ακραίες συνθήκες, όπως το υψηλό σπιν και η υψηλή ενέργεια διέγερσης. Οι πυρήνες μπορεί επίσης να έχουν ακραίο σχήμα (παρόμοιο με αυτό των αμερικανικών ποδοσφαιρικών σφαιρών) ή ακραίες αναλογίες νετρονίων προς πρωτόνια. Οι πειραματιστές μπορούν να δημιουργήσουν τέτοιους πυρήνες χρησιμοποιώντας τεχνητά επαγόμενες αντιδράσεις σύντηξης ή μεταφοράς νουκλεονίων, χρησιμοποιώντας δέσμες ιόντων από έναν επιταχυντή. Ακτίνες με ακόμη υψηλότερες ενέργειες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία πυρήνων σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, και υπάρχουν ενδείξεις ότι αυτά τα πειράματα έχουν δημιουργήσει μια μετάβαση φάσης από την κανονική πυρηνική ύλη σε μια νέα κατάσταση, το πλάσμα κουάρκ-γκλουονίου, στο οποίο τα κουάρκ αναμειγνύονται μεταξύ τους, αντί να είναι διαχωρισμένα σε τριπλέτες όπως είναι στα νετρόνια και τα πρωτόνια.

Πυρηνική διάσπαση

Εάν ένας πυρήνας έχει πολύ λίγα ή πολλά νετρόνια, μπορεί να είναι ασταθής και να διασπαστεί μετά από κάποιο χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, τα άτομα αζώτου-16 (7 πρωτόνια, 9 νετρόνια) διασπώνται βήτα σε άτομα οξυγόνου-16 (8 πρωτόνια, 8 νετρόνια) μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα από τη δημιουργία τους. Κατά τη διάσπαση αυτή ένα νετρόνιο στον πυρήνα του αζώτου μετατρέπεται σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο με τη βοήθεια της ασθενούς πυρηνικής δύναμης. Το στοιχείο του ατόμου αλλάζει επειδή ενώ προηγουμένως είχε επτά πρωτόνια (που το καθιστούν άζωτο) τώρα έχει οκτώ (που το καθιστούν οξυγόνο). Πολλά στοιχεία έχουν πολλαπλά ισότοπα τα οποία είναι σταθερά για εβδομάδες, χρόνια ή ακόμη και δισεκατομμύρια χρόνια.

Πυρηνική σύντηξη

Όταν δύο ελαφριοί πυρήνες έρχονται σε πολύ στενή επαφή μεταξύ τους, είναι δυνατόν η ισχυρή δύναμη να τους ενώσει. Χρειάζεται πολύ μεγάλη ενέργεια για να σπρώξει κανείς τους πυρήνες αρκετά κοντά μεταξύ τους, ώστε η ισχυρή δύναμη να επιδράσει, οπότε η διαδικασία της πυρηνικής σύντηξης μπορεί να λάβει χώρα μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες ή υψηλές πυκνότητες. Μόλις οι πυρήνες έρθουν αρκετά κοντά, η ισχυρή δύναμη υπερνικά την ηλεκτρομαγνητική τους άπωση και τους συμπιέζει σε έναν νέο πυρήνα. Κατά τη σύντηξη ελαφρών πυρήνων απελευθερώνεται πολύ μεγάλη ποσότητα ενέργειας, επειδή η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο αυξάνεται με τον αριθμό μάζας μέχρι το νικέλιο-62. Αστέρια όπως ο ήλιος μας τροφοδοτούνται από τη σύντηξη τεσσάρων πρωτονίων σε έναν πυρήνα ηλίου, δύο ποζιτρονίων και δύο νετρίνων. Η ανεξέλεγκτη σύντηξη του υδρογόνου σε ήλιο είναι γνωστή ως θερμοπυρηνική διαφυγή. Η έρευνα για την εξεύρεση μιας οικονομικά βιώσιμης μεθόδου χρήσης της ενέργειας από μια ελεγχόμενη αντίδραση σύντηξης διεξάγεται επί του παρόντος από διάφορα ερευνητικά ιδρύματα (βλέπε JET και ITER).

Πυρηνική σχάση

Για πυρήνες βαρύτερους από το νικέλιο-62 η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο μειώνεται με τον αριθμό μάζας. Επομένως, είναι δυνατόν να απελευθερωθεί ενέργεια εάν ένας βαρύς πυρήνας διασπαστεί σε δύο ελαφρύτερους. Αυτή η διάσπαση των ατόμων είναι γνωστή ως πυρηνική σχάση.

Η διαδικασία της διάσπασης άλφα μπορεί να θεωρηθεί ως ένας ειδικός τύπος αυθόρμητης πυρηνικής σχάσης. Η διαδικασία αυτή παράγει μια ιδιαίτερα ασύμμετρη σχάση επειδή τα τέσσερα σωματίδια που αποτελούν το σωματίδιο άλφα είναι ιδιαίτερα στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους, καθιστώντας την παραγωγή αυτού του πυρήνα κατά τη σχάση ιδιαίτερα πιθανή.

Για ορισμένους από τους βαρύτερους πυρήνες που παράγουν νετρόνια κατά τη σχάση, και οι οποίοι επίσης απορροφούν εύκολα νετρόνια για να ξεκινήσουν τη σχάση, μπορεί να επιτευχθεί ένας αυτοαναφλεγόμενος τύπος σχάσης που προκαλείται από νετρόνια, με τη λεγόμενη αλυσιδωτή αντίδραση. [Οι αλυσιδωτές αντιδράσεις ήταν γνωστές στη χημεία πριν από τη φυσική, και στην πραγματικότητα πολλές γνωστές διεργασίες όπως οι πυρκαγιές και οι χημικές εκρήξεις είναι χημικές αλυσιδωτές αντιδράσεις]. Η αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης ή "πυρηνική" αντίδραση, που χρησιμοποιεί νετρόνια που παράγονται από τη σχάση, είναι η πηγή ενέργειας για τους πυρηνικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας και τις πυρηνικές βόμβες τύπου σχάσης, όπως οι δύο που χρησιμοποίησαν οι Ηνωμένες Πολιτείες εναντίον της Χιροσίμα και του Ναγκασάκι στο τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. Βαριοί πυρήνες όπως το ουράνιο και το θόριο μπορούν να υποστούν αυθόρμητη σχάση, αλλά είναι πολύ πιο πιθανό να υποστούν διάσπαση με διάσπαση άλφα.

Για να συμβεί μια αλυσιδωτή αντίδραση που προκαλείται από νετρόνια, πρέπει να υπάρχει μια κρίσιμη μάζα του στοιχείου σε έναν ορισμένο χώρο υπό ορισμένες συνθήκες (οι συνθήκες αυτές επιβραδύνουν και διατηρούν τα νετρόνια για τις αντιδράσεις). Υπάρχει ένα γνωστό παράδειγμα φυσικού αντιδραστήρα πυρηνικής σχάσης, ο οποίος ήταν ενεργός σε δύο περιοχές του Oklo, στην Γκαμπόν της Αφρικής, πριν από 1,5 δισεκατομμύριο χρόνια. Μετρήσεις της φυσικής εκπομπής νετρίνων έχουν δείξει ότι περίπου το ήμισυ της θερμότητας που εκπέμπεται από τον πυρήνα της γης προέρχεται από ραδιενεργό διάσπαση. Ωστόσο, δεν είναι γνωστό αν κάποιο από αυτά προέρχεται από αλυσιδωτές αντιδράσεις σχάσης.

Παραγωγή βαρέων στοιχείων

Καθώς το Σύμπαν ψύχθηκε μετά τη μεγάλη έκρηξη, κατέστη τελικά δυνατή η ύπαρξη σωματιδίων όπως τα ξέρουμε. Τα πιο συνηθισμένα σωματίδια που δημιουργήθηκαν κατά τη μεγάλη έκρηξη και τα οποία είναι ακόμη και σήμερα εύκολα παρατηρήσιμα από εμάς ήταν τα πρωτόνια (υδρογόνο) και τα ηλεκτρόνια (σε ίσους αριθμούς). Ορισμένα βαρύτερα στοιχεία δημιουργήθηκαν καθώς τα πρωτόνια συγκρούονταν μεταξύ τους, αλλά τα περισσότερα από τα βαριά στοιχεία που βλέπουμε σήμερα δημιουργήθηκαν στο εσωτερικό των άστρων κατά τη διάρκεια μιας σειράς σταδίων σύντηξης, όπως η αλυσίδα πρωτονίων-πρωτονίων, ο κύκλος CNO και η διαδικασία τριπλού άλφα. Προοδευτικά βαρύτερα στοιχεία δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της εξέλιξης ενός άστρου.

Δεδομένου ότι η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο κορυφώνεται γύρω από το σίδηρο, ενέργεια απελευθερώνεται μόνο σε διεργασίες σύντηξης που λαμβάνουν χώρα κάτω από αυτό το σημείο. Δεδομένου ότι η δημιουργία βαρύτερων πυρήνων από τη σύντηξη κοστίζει ενέργεια, η φύση καταφεύγει στη διαδικασία της σύλληψης νετρονίων. Τα νετρόνια (λόγω της έλλειψης φορτίου τους) απορροφώνται εύκολα από έναν πυρήνα. Τα βαρέα στοιχεία δημιουργούνται είτε με μια αργή διαδικασία σύλληψης νετρονίων (τη λεγόμενη διαδικασία s) είτε με την ταχεία ή διαδικασία r. Η διαδικασία s συμβαίνει σε θερμικά παλλόμενους αστέρες (που ονομάζονται AGB, ή ασσυμπτωτικοί γιγαντιαίοι κλάδοι αστέρων) και χρειάζεται εκατοντάδες έως χιλιάδες χρόνια για να φτάσει στα βαρύτερα στοιχεία του μολύβδου και του βισμούθιου. Η διαδικασία r πιστεύεται ότι συμβαίνει στις εκρήξεις σουπερνόβα επειδή υπάρχουν οι συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, υψηλής ροής νετρονίων και εκτοξευόμενης ύλης. Αυτές οι αστρικές συνθήκες καθιστούν τις διαδοχικές συλλήψεις νετρονίων πολύ γρήγορες, εμπλέκοντας πολύ πλούσια σε νετρόνια είδη τα οποία στη συνέχεια β-διασπώνται σε βαρύτερα στοιχεία, ιδίως στα λεγόμενα σημεία αναμονής που αντιστοιχούν σε πιο σταθερά νουκλίδια με κλειστά κελύφη νετρονίων (μαγικοί αριθμοί). Η διάρκεια της διαδικασίας r είναι συνήθως της τάξης των μερικών δευτερολέπτων.