JĄDRO ATOMOWE
    W skład jądra atomowego, jak już wiemy wchodzi pewna liczba dodatnich protonów i neutralnych neutronów. Nasuwają się jednak liczne pytania odnośnie jego struktury. Jakie rozmiary mają jądra atomowe różnych pierwiastków? Jakie siły powodują, że jądro zbudowane przecież z cząsteczek dodatnich nie rozpadnie się? Jak dokładnie wygląda budowa jądra?
    Dzięki interpretacji wyników doświadczenia Rutherforda obliczono przybliżoną wartość maksymalną promienia jądra złota. W następnych latach badano rozpraszanie cząsteczek alfa mających energię do 40 MeV na atomach innych pierwiastków (dla porównania cząsteczki alfa używane przez Rutherforda miały energię 8 MeV). Tak wysokie energie cząsteczek pozwoliły dokładniej wyznaczyć promień jądra. Pomiary promienia jądra prowadzone po dziś dzień pozwoliły ustalić, że zależność promienia od liczby masowej danego atomu (A) dana jest wzorem:

        (1)
gdzie: R₀ jest stałą wynoszącą 1,2*10^-15 m. Objętość jądra wynosi więc:

        (2)

    Objętość jądra jest wprost proporcjonalna do liczby masowej atomu.
    Jak to się dzieje, że jądro atomowe nie rozpada się pod działaniem elektrostatycznych sił odpychających istniejących między protonami? Co trzyma je razem w malutkim jądrze? Naukowcy, aby wytłumaczyć ten fakt musieli wprowadzić nowy rodzaj oddziaływania, który miał istnieć pomiędzy nukleonami w jądrze, a nie występował w makroświecie. Siły te zostały nazwane siłami jądrowymi. Różnią się one znacznie od sił znanych ze zjawisk makroskopowych (sił elektrostatycznych i grawitacyjnych). Wartość ich jest ogromna w porównaniu z innymi typami oddziaływań (137 razy większa od sił elektrostatycznych i ponad 10⁴⁰ większa od sił grawitacyjnych). Natomiast zasięg oddziaływań jądrowych (nazywanych oddziaływaniami silnymi) wynosi zaledwie 10^-15 metra od centrum jądra. Ponadto nukleony oddziaływają jedynie z najbliższymi sąsiadami. Silne oddziaływanie jądrowe występuje zarówno pomiędzy protonami, neutronami, jak i pomiędzy protonem i neutronem. Można, więc powiedzieć że oddziaływanie jądrowe cechuje się niezależnością ładunkową.

    W 1935 roku fizyk japoński Hideki Yukawa podał teorię, zgodnie z którą, oddziaływanie to polega na wymianie pomiędzy nukleonami pewnego rodzaju cząsteczek. Cząsteczka ta została nazwana cząsteczką Yukawy i oznaczona symbolem . (Właściwie to miały istnieć trzy rodzaje takich cząsteczek: ⁺, ^-, ⁰.) Cząsteczki teoretycznie wprowadzone przez Yukawę zostały odkryte w 1947 roku przez Cecila Francka Powella (1903-1969), ale to już zupełnie inna historia.
    Powstało wiele modeli opisujących jądro atomowe. Jedną z najbardziej znanych jest kroplowy model jądra. Opierał się on na kilku założeniach. Materia tworząca jądro atomowe jest nieściśliwa, a wszystkie jądra atomowe mają taką samą gęstość. W jądrze istnieją dwie siły: elektrostatyczna odpychania i omówiona powyżej jądrowa. Nukleony oddziaływają siłami jądrowymi jedynie z najbliższymi sąsiadami. Jeżeli każdy nukleon byłby otoczony ze wszystkich stron innymi nukleonami, to całkowita energia związana z siłami jądrowymi byłaby proporcjonalna do liczby nukleonów. Energia ta zwana jest często energią objętościową. Jednak istnieją również nukleony znajdujące się tuż na powierzchni jądra. Stykają się one z innymi nukleonami tylko z jednej strony. Energia wiązania takiego nukleonu jest mniejsza niż energia wiązania nukleonu znajdującego się gdzieś wewnątrz jądra atomowego. Tak więc całkowita energia wiązań nukleonów jest mniejsza niż energia objętościowa jądra. Można policzyć poprawkę na tą energię powierzchniową. Oczywiście oprócz sił jądrowych istnieje również odpychające siły elektrostatyczne. Obniżają one całkowitą energię wiązań. Obniżenie to jest tym większe im większa jest liczba protonów w jądrze.

    Model kroplowy, który został nazwany tak dlatego, iż częściowo opierał się na podobieństwie pomiędzy jądrem atomowym, a kroplą cieczy, tłumaczył w miarę dobrze strukturę jądra. Jednak nie tłumaczy dobrze jąder o liczbie masowej mniejszej niż 20.
    Drugim znanym modelem jądra atomowego jest model powłokowy. Podstawowym założeniem tego modelu jest istnienie w jądrze powłok, na których rozmieszczone są nukleony (podobnie jak elektrony w atomie). Na pierwszej powłoce może znajdować się do dwóch protonów i dwóch neutronów, na drugiej do sześciu neutronów i tyluż protonów, na trzeciej do dwunastu neutronów i protonów itd. Jeżeli dane jądro ma całkowicie wypełnioną zewnętrzną powłokę powinno być szczególnie trwałe (na podobieństwo gazów szlachetnych). Jest to prawdą. Na przykład dla całkowicie wypełnionej powłoki będącej pierwszą powłoką (jądro ⁴₂He) jądro ma wyjątkowo dużą energię wiązań nukleonów.
    Model ten tłumaczy fakty doświadczalne, których nie był w stanie wytłumaczyć model kroplowy atomu.
    Jądro atomowe może zostać wzbudzone poprzez otrzymanie pewnej ilości energii. Jądro atomowe po pewnym czasie po wzbudzeniu powraca do stanu podstawowego emitując przy tym promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości, która jest charakterystyczna dla danego jądra atomowego. Częstotliwość takiego promieniowania jest bardzo duża i wynosi pomiędzy 10¹⁸ - 10²² Hz. Jest to promieniowanie gamma. Dla przykładu pierwszy poziom wzbudzony dla atomu ⁶⁰₂₈Ni różni się od podstawowego o energię 1,33 MeV, a drugi poziom wzbudzony o 2,5 MeV.
    Pokazane powyżej w skrócie dwa modele jądra atomowego, były sformułowane dość dawno. Od tamtego czasu stworzono wiele innych modeli. Są one znacznie bardziej skomplikowane. Mają one swoje plusy i minusy. Jednak żaden ze stworzonych modeli nie tłumaczy w sposób doskonały wszystkich obserwowanych cech i własności jądra atomowego.
    Jedną z podstawowych własności jądra atomowego jest jego moment pędu. Naukowcy po raz kolejny zaobserwowali dziwne rozszczepienie linii widmowych atomów. Rozszczepienie to było bardzo drobne. Obserwowany fakt został nazwany nadsubtelną strukturą widm atomowych. Tłumacząc ten efekt Wolfgang Pauli stwierdził, że nadsubtelna struktura widma jest spowodowana występowaniem spinu jądra atomowego.
    Wyobraźmy sobie jądro atomowe. Wewnątrz jądra nukleony mają własny moment pędu (podobnie jak elektrony). Moment ten nazywany jest spinem. Z drugiej strony nukleony poruszają się w jądrze. Ruch ten powoduje, że nukleony mają pewien orbitalny moment pędu. Tak więc całkowity wektorowy moment pędu nukleonu jest równy wektorowej sumie spinu (S) i orbitalnego momentu pędu (L):

        (3)
Możemy teraz zsumować całkowite momenty pędu nukleonów, dzięki czemu otrzymujemy moment pędu jądra (M_J):

        (4)
gdzie: A - liczba nukleonów w jądrze.
    Rzut wektora J na kierunek zewnętrznego pola magnetycznego nazywany jest właśnie spinem jądra. Spin jądra, oznaczany jako J, można wyrażać w jednostkach . Może on mieć wartości będące jedynie wielokrotnością 1/2*. W zewnętrznym polu magnetycznym wektor momentu pędu może się jedynie tak ustawić, że jego rzut na kierunek pola magnetycznego przyjmuje wielokrotności 1/2*. Jeżeli jądro ma parzystą liczbę nukleonów ma w stanie podstawowym jedyni parzyste wielokrotności 1/2*, czyli ich spin może wynosić: 0, 1*, 2* itd. Jeżeli natomiast jądro ma nieparzystą liczbę nukleonów to jego spin może przyjmować wartości będące nieparzystą wielokrotnością 1/2*, czyli: 1/2*, (3/2)*, (5/2)* itd. Jeżeli jądro ma parzystą liczbę protonów i parzystą liczbę neutronów to jądro takie w stanie podstawowym ma spin o wartości 0. Zjawisko to jest spowodowane tym, iż osobno protony i neutrony łączą się w pary tak, aby wypadkowy spin pary wynosił zero. Tak więc na spin jądra wpływają tylko te nukleony, które są bez pary. Jądro atomowe mające niezerowy spin wytwarza pole magnetyczne. Pole to oddziałuje na elektrony poruszające się wokół niego. Jądro ma więc moment magnetyczny. Jednostką jądrowego momentu magnetycznego jest magneton jądrowy (_J). Wartość magnetonu jądrowego wynosi:

        (5)
gdzie: m_p - masa protonu.

BADANIA NAD ELEKTRONEM  |   PRÓBY WYZNACZENIA ŁADUNKU ELEMENTARNEGO  |   ODKRYCIE I BADANIE PROMIENI X  |   ODKRYCIE I BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI  |   MODEL KELVINA-THOMSONA  |   NOWA WIELKA TEORIA - KWANTY  |   MODEL BOHRA BUDOWY ATOMU  |   UDOSKONALONA TEORIA BOHRA  |   ELEKTRON FALĄ  |   AKCELERATORY CZĄSTECZEK  |   CZARNOBYL  |   CZARNOBYL W STRONĘ POLSKI  |   ELEKTROWNIE JĄDROWE I ŚRODOWISKO  |   FALA PRAWDOPODOB. I NIEOZNACZONOŚĆ  |   JĄDRO ATOMOWE  |   JESZCZE O LICZBACH KWANTOWYCH  |   NEUTRINA  |   NEUTRONY  |   POZYTONY  |   REAKCJE JĄDROWE  |   REAKTOR JĄDROWY  |   DALSZE BADANIA PROMIENIOTWÓRCZOŚCI  |   SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI  |   TOKAMAK  |   ROZSZCZEPIENIE I SYNTEZA JĄDROWA  |   BOMBA ATOMOWA