Structura nucleului atomic

Structura nucleului atomic

In urma experimentelor s-a stabilit ca masa atomului si toata sarcina pozitiva este concentrata intr-un volum mic in centrul atomului, zona numita nucleu atomic. In jurul nucleului graviteaza un numar de electroni care compenseaza sarcina pozitiva a nucleului.

La sfarsitul secolului trecut a fost descoperita radioactivitatea. Emisia din atomi a unor particule incarcate si neutre din punct de vedere electric, cum ar fi radiatiile: alfa, beta, gama, s-a constat ca ar fi emise din nucleu. Acest lucru a dus la concluzia ca nucleul ar avea si el o structura.

Dupa descoperirea neutronului de catre Chadwick in 1932, Heisenberg si Ivanenko au elaborat in 1933 modelul protono-neutronic al nucleului. Conform acestui model, nucleul este alcatuit din protoni (particule cu sarcina pozitiva) si neutroni (particule neutre din punct de vedere electric). Un nucleu este format din Z protoni si A-Z neutroni.

Acest model este in concordanta cu rezultatele experimentale referitoare la sarcina, masa si spinul nuclear.

Stabilitatea nucleului nu poate fi explicata pornind de la existenta fortelor de natura electrica deoarece sarcinile pozitive se resping si nu interactioneaza cu cele neutre. Stabilitatea nucleului se explica acceptand existenta unui nou tip de forte, numite forte nucleare. Caracteristicile acestor forte sunt:

Raza scurta de actiune

Independenta de sarcina

In functie de numarul de protoni si neutroni nucleele au fost impartite in:

Izobari au aceeasi greutate, acelasi A:

Izotopi au acelasi numar de ordine, acelasi Z:

Izotoni acelasi numar de neutroni, acelasi A-Z:

Izomeri acelasi Z, acelasi A, dar au timpul de viata diferit, ceea ce inseamna ca izomerii constituie acelasi mediu in diverse stari de excitare. Trecerea dintr-o stare in alta se face prin emisia unui foton de la unul la altul.

Sarcina nucleului atomic reprezinta numarul de protoni din nucleu:. Determinarea sarcinii nucleului inseamna determinarea numarului de ordine Z.

Masa nucleului se poate scrie ca suma maselor nucleonilor componenti si se exprima in unitati de masa.1u=m(¹²C)/12. Unitatea de masa are valoarea u=1,66 10^-27Kg.

Comparand valorile experimentale ale maselor cu cele rezultate din formula s-a constatat ca masa determinata experimental este mai mica decat cea determinata teoretic.

, unde este numit defect de masa.

, s-a interpretat ca fiind corespunzator unui defect de energie pe baza relatiei lui Einstein:

Un nucleu constituie un sistem legat de particule si pentru a scoate o particula din acest sistem este necesar sa furnizam nucleului o anumita cantitate de energie egala cu energia cu energia de legatura a particulei in nucleu. Acest defect de energie s-a interpretat ca fiind energia pe care o elibereaza nucleele la formarea lui din nucleoni liberi si care este strict egala cu energia pe care trebuie sa o furnizam nucleului pentru al desface in nucleonii componenti, aceasta energie este energia de legatura a nucleului.

Daca energia de legatura este mare, nucleul este mai stabil, diferenta dintre suma maselor nucleonilor componenti si masa nucleului este mai mica.

Stabilitatea nucleelor reprezinta energia de legatura raportata la numarul de nucleoni din nucleu . Cum nu toti nucleonii au aceeasi energie de legatura se vorbeste despre valoarea medie a energiei de legatura pronucleara

Fig. 1. Variatia stabilitatii nucleului in functie de numarul de masa

Maximul se realizeaza in jurul lui A=60 cu =8,6 MeV. Nucleele de la mijlocul sistemului periodic se caracterizeaza prin stabilitate mare, iar cele usoare si mai grele au stabilitatea mai mica.

Raportul dintre numarul de protoni si numarul de neutroni din nucleu este o masura a stabilitatii nucleului.

Daca reprezentam grafic pozitia nucleelor intr-un sistem de coordonate Z si N=(A-Z) se constata urmatoarele:

Fig.2. Diagrama Segr. a) surplus de protoni, b) surplus de neutroni c) curba de stabilitate, Z=N.

Pentru nucleele usoare stabilitatea se realizeaza la Z/N = 1. Pe masura ce numarul de masa creste stabilitatea se deplaseaza spre nuclee cu numar de neutroni mai mare decat numarul de protoni.

Deasupra acestei curbe de stabilitate se gasesc nuclee cu surplus de protoni fata de nucleele stabile. Sub aceasta curba se gasesc nucleele cu surplus de neutroni. Cum in natura orice sistem tinde de la sine sa treaca spre o stare cat mai stabila, nucleele de deasupra curbei de stabilitate isi vor transforma un proton in neutron,      iar cele de sub curba de stabilitate isi vor transforma un neutron in proton

Radioactivitatea

In univers exista milioane de tipuri de materiale formate in principal din aproximativ 100 de substante de baza, denumite elemente. Cea mai mare parte a atomilor care compun aceste elemente sunt stabili, dar sunt si cativa atomi instabili. Acestia, ca de exemplu, uraniul, thoriul, radiul sunt raspanditi pretutindeni in natura. Atomii instabili tind sa atinga starea de stabilitate prin emisia de radiatii.

Incercand sa cream o imagine asupra modului in care este alcatuit nucleul atomului am intrezarit posibilitatea ca unele nuclee sa fie stabile, iar altele nu.

Radioactivitatea consta in emisia spontana de catre anumite nuclee radioactive, a unei radiatii corpusculare sau electromagnetice ca urmare a unui proces ce se desfasoara la nivelul nucleului, proces numit dezintegrare radioactiva.

In urma unei dezintegrari radioactive, nucleonii dintr-un nucleu se redistribuie emitand o radiatie corpusculara.

Schema unui asemenea proces este:

=nucleu parinte

=nucleu fiica

=particula incarcata emisa in procesul radioactiv

Din punct de vedere energetic, toate procesele de dezintegrare radioactiva sunt exoenergetice, energia implicata in acest proces distribuindu-se tuturor produsilor de dezintegrare.

Radiatia este definita ca fiind emisia si propagarea in spatiu a unor unde electromagnetice sau a unor particule. Emisia este insotita de un transport de energie pe care, in contact cu materia, o cedeaza total sau partial acesteia. Radiatia poate lua forma particulelor alfa sau beta, razelor X sau gama numindu-se in general "radiatie ionizata".

Materialele care emit aceste radiatii sunt numite materiale radioactive.

Exista mai multe tipuri de radiatii ionizante: raze X, raze gama, raze cosmice, particule alfa si beta precum si neutroni. Toate aceste tipuri de radiatii au caracteristici diferite. In primul rand capacitatea lor de penetrare variaza. Particulele alfa pot fi stopate cu ajutorul unei foi de hartie sau a catorva milimetri de aer, in timp ce pentru o radiatie gama este necesar un perete gros de beton, o anumita zona de apa sau un alt material care poate fi folosit ca protectie impotriva acestei radiatii (fig. 1).

Particulele alfa sunt particule incarcate pozitiv si sunt emise de catre uraniu, radiu sau de o serie de elemente

artificiale. Particulele alfa au o putere de penetrare foarte scazuta, dar daca totusi sunt absorbite de corpul uman ele pot fi mult mai daunatoare decat alte tipuri de radiatii.

Particulele beta reprezinta cei mai rapizi electroni; sunt mai mici decat particulele alfa, avand o putere de patrundere mai mare decat acestea din urma.

Razele X sunt radiatii similare radiatiilor luminoase si au o putere mare de penetrare. Razele X sunt utilizate in medicina pentru diagnosticari datorita capacitatii lor de a penetra corpul uman.

Radiatiile gama sunt utilizate in medicina in tratamentul cancerului si au o putere de patrundere mai mare decat a radiatiilor X.

Neutronii sunt cele mai penetrante particule eliberate in timpul ciocnirilor atomilor cu particulele de energie inalta in timpul fisiunii nucleare. Apa, betonul, etc. pot asigura o protectie eficienta impotriva acestor particule (de exemplu, anvelopa din jurul reactorului nuclear).

Radiatiile cosmice iau forma particulelor energetice care sufera interactii complexe in atmosfera si sunt absorbite in mod gradat, astfel ca doza inmagazinata descreste pe masura ce scade altitudinea.

Radiatia alfa. Cercetarile experimentale au aratat ca radiatiile alfa sunt constituite din particule incarcate pozitiv care s-au dovedit a fi nuclee de He in miscare rapida, avand o viteza aproximativ 20. Majoritatea nuclizilor radioactivi naturali emit radiatii alfa. In urma unei dezintegrarii alfa, nuclidul derivat este situat in tabelul lui Mendeleev cu doua casute la stanga nuclidului generator:

Radiatia beta. Mai mult de jumatate dintre nuclizii radioactivi naturali poseda activitate beta. Radiatia beta este formata din electroni sau pozitroni care se deplaseaza cu viteze foarte mari fiind numita si radiatii respectiv . in urma unei tranzitii beta nucleul derivat este situat in tabelul lui Mendeleev cu o casuta la dreapta sau la stanga nuclidului generator. Nuclidul derivat este izobar cu nuclidul generator.

Radiatia gama. Aceste radiatii nu sunt influentate de campul electric sau magnetic. Ele sunt de natura electromagnetica si pot suferi fenomene de reflexie refractie, difractie si interferenta.

Radiatiile gama insotesc dezintegrarile alfa sau beta, atunci cand nucleul derivat, aflat intr-o stare excitata, revine la starea fundamentala prin emisie de fotoni gama.

Prin emitere de radiatii nucleul isi schimba alcatuirea. Avem de a face cu transformarea spontana a unei specii nucleare in alta, o transmutatie nucleara.

Dezintegrarea radioactiva este un proces aleator, probabilitatea ca un nucleu sa se dezintegreze in unitatea de timp fiind o marime constanta numita constanta de dezintegrare (λ).

Pentru acelasi tip de dezintegrare λ are aceeasi valoare pentru toate nuclee ce apartin aceluiasi izotop sau aceleiasi specii radioactive.

In 1902 Ernest Rutherford      si Frederick Soddy au formulat legea dezintegrarilor radioactive.

Numarul de nuclee ce se dezintegreaza in unitatea de timp este proportional cu numarul de nuclee radioactive existente la acel moment :

unde N_j reprezinta numarul de nuclee din specia j

In urma integrarii cu conditia ca numarul de nuclee initiale sa fie Nο se obtine legea exponentiala de dezintegrare:

N No NO/2 No/2

Reprezentarea grafica a acestei legi de variatie este :

Definitie: Se defineste timpul de injumatatire T_1/2 ca fiind timpul dupa care numarul de nuclee ce se dezintegreaza se reduce la jumatate.

Definitie: Timpul mediu de viata τ este o marime fizica definita ca fiind intervalul de timp in care numarul initial de nuclee se reduce de e ori .

Definitie: Sursa radioactiva reprezinta o cantitate macroscopica dintr-o anumita specie de nuclee radioactive. Ea poate fi caracterizata printr-o marime numita activitatea sursei.

unde aceasta este egala cu numarul de dezintegrari ce au loc in unitatea de timp      

= activitatea sursei la momentul initial

Definitii:

In marea majoritate a cazurilor, dezintegrarile radioactive au loc in lant, speciile radioactive transformandu-se unele in altele printr-o intreaga succesiune de dezintegrari radioactive pana cand se ajunge la un izotop stabil. O asemenea succesiune de specii radioactive inlantuite formeaza o serie radioactiva.

Primul radionuclid din serie reprezinta capul seriei iar nuclidul stabil cu care se termina seria reprezinta capatul seriei radioactive. Diferitele specii radioactive sau izotopi radioactivi ce intra in alcatuirea unei serii radioactive date la care se adauga si izotopul stabil ce reprezinta capatul seriei se numesc termenii seriei radioactive date.

Toti termenii unei anumite serii radioactive reprezinta nuclee genetic legate. Numarul termenilor unei serii radioactive este extrem de variabil. Acest numar este cuprins intre numarul minim posibil de 3 ca in cazul seriei radioactive a Stontiului-90 si 18 ca in cazul seriei radioactive naturale a Uraniului.

Din punct de vedere al cineticii dezintegrarilor radioactive este extrem de interesant de urmarit evolutia in timp a numarului de nuclee si a activitatii fiecarui termen al unei serii radioactive.

Fie cea mai simpla serie radioactiva compusa din numarul minim de termeni, serie a carei reprezentare schematica arata astfel:

unde A si B reprezinta nuclizi radioactivi iar C este nuclidul stabil sau capatul de serie, iar λ_A si λ_B sunt constantele de dezintegrare ale celor doi radionuclizi.

Serii radioactive

Definitie: Daca intr-o serie radioactiva timpul de injumatatire al capului de serie este mult mai mare decat oricare alt timp de injumatatire al celorlalti termeni ai seriei, atunci, dupa un anumit interval de timp intre membrii seriei radioactive se stabileste starea de echilibru secular. Se obtine ca activitatile tuturor membrilor seriei sunt egale, adica:

In natura, majoritatea elementelor radioactive prezente in rocile terestre apartin a trei serii radioactive naturale, care datorita faptului ca au capete de serie cu timpi de injumatatire comparabili cu varsta Pamantului (cca. 5 miliarde de ani) se afla toate in starea de echilibru secular.

Deoarece elementele ce alcatuiesc oricare serie radioactiva sunt legate genetic numai prin dezintegrari α si β, in cadrul aceleiasi serii radioactive numerele de masa ale tuturor termenilor sunt egale sau difera numai printr-un multiplu de 4. Din aceasta cauza pot exista maximum patru serii radioactive naturale diferite, numerele de masa ale termenilor acestora avand numai una din urmatoarele forme: 4n, 4n+1, 4n+2 si 4n+3.

Din aceste patru tipuri de serii radioactive naturale posibile, trei exista:

a Thoriului (4n),

a Uraniului (4n+2)

a Actiniului (4n+3)

cea a Neptuniului (4n+1), este la ora actuala practic disparuta datorita timpului de injumatatire redus (22 milioane de ani ) al capului de serie.

Succesiunea dezintegrarilor din seria radioactiva a Thoriului. Capul de serie al acestei serii radioactive este Thoriul-232. Pentru toti termenii acestei serii numarul de masa este egal cu 4n. Dezintegrarile β sunt reprezentate prin linii orizontale in timp ce dezintegrarile α sunt reprezentate prin linii frante.

Succesiunea dezintegrarilor din seria radioactiva a Neptuniului. Capul de serie al acestei serii radioactive este Neptuniul-237. Datorita timpului mic de injumatatire al acestuia (22 Ma ) in raport cu varsta Pamantului estimata la 5 Ga, nici unul din termenii acestei serii radioactive nu mai exista in natura. Pentru toti termenii acestei serii numarul e masa este egal cu 4n+1 . In aceasta serie nu este prezent nici un izotop al Radonului.

Succesiunea dezintegrarilor din seria radioactiva a Uraniului-238. Pentru toti termenii acestei serii numarul de masa este 4n+2. Izotopul Radiu-226 din aceasta serie impreuna cu produsii sai de dezintegrare au fost folositi pentru definirea primei unitati de masura a activitatii.

U