V.1.1. Proprietăți generale ale nucleului atomic.

Fizica nucleară este domeniul fizicii care studiază constituenții nucleelor atomice și interacțiunile lor.

Descoperirile în fizica nucleară au dus la multe aplicații în diferite domenii:

• energia nucleară,

• armele nucleare

• medicina nucleară și imagistica prin rezonanță magnetică,

• izotopii industriali și agricoli,

• implantarea ionilor în ingineria materialelor,

• datarea cu radiocarbon din geologie și arheologie.

Atomul este cea mai mică particulă dintr-o substanță care nu mai poate fi divizată prin procedee chimice obișnuite.

Structura atomului:

1. Nucleul este partea centrală a atomului, alcătuit din particule numite nucleoni, și anume:

• Protoni, particule încărcate cu sarcină pozitivă, cu simbolul p⁺¹.

• Neutroni, particule neutre din punct de vedere electric, cu simbolul n⁰.

2. Învelișul electronic este spațiul din jurul nucleului format dintr-un nor de particule numite electroni care gravitează în jurul nucleului. Electronii sunt particule cu sarcină negativă, cu simbolul e^-1 sau ē.

Atomul este o particulă neutră din punct de vedere electric, deoarece are numărul de protoni din nucleu (particule pozitive) egal cu numărul de electroni din învelișul electronic (particule negative), adică

nr. p⁺ = nr. ē

Pentru un atom definim numărul atomic (numit și sarcina nucleară sau nr. de ordine), Z, care reprezintă numărul de protoni din nucleu și care este egal cu numărul de electroni din înveliș:

Z = nr. p⁺ = nr. ē

Pentru orice atom se definește numărul de masă, A, care reprezintă numărul total de protoni şi neutroni din nucleul atomic. El reprezintă un număr întreg notat cu A.

A = nr. p⁺ + nr. n⁰ = Z + N

Numărul de neutroni din nucleu, N, se numeşte număr neutronic :

N = A – Z

Radioactivitatea a dovedit experimental că nucleul atomic are o structură complexă, oferind posibilitatea de cercetare a acestuia.

Această particulă nouă (nucleu de H) a fost denumită de către Rutherford proton (din grecescul πρῶτον, care înseamnă "primul").

Protonii sunt particule subatomice din nucleele tuturor atomilor, având :

• masa, m_p = 1,673 · 10⁻²⁷ kg

• sarcina electrică pozitivă, q_p = e = 1,602 · 10⁻¹⁹ C.

Pentru toate nucleele, în afară de hidrogen, s-a descoperit cu ajutorul spectrografelor de masă că masa nucleului este mai mare decât masa tuturor protonilor pe care îi conține. Rezultă de aici că în compoziția nucleului trebuie să intre și alte particule neutre din punct de vedere electric care să compenseze diferența de masă. Existența neutronilor a fost prevăzută tot de către fizicianul Ernest Rutherford, care le-a atribuit o masă apropiată de masa protonilor.

În 1930 radioactivitatea era un proces cunoscut. O contribuție însemnată la descoperirea radioactivității au avut-o soții Marie Curie și Pierre Curie, care descoperă împreună elementul radioactiv poloniu. Pentru cercetările în domeniul radioactivității, soții Curie primesc amândoi Premiul Nobel pentru Fizică în 1903, împreună cu Henri Becquerel. După decesul soțului ei, Marie Curie reușește izolarea radiului. Drept apreciere, în 1911 i se decernează Premiul Nobel pentru Chimie.

Descoperirea radioactivității va avea un impact incomensurabil în lumea fizicii și mai ales a fizicii particulelor. S-a înțeles și mai bine structura atomului dovedindu-se că acesta poate fi descompus în particule elementare mai mici.

O contribuție însemnată în radioactivitate a avut-o și Ștefania Mărăcineanu, o chimistă și fiziciană română de renume internațional. Între 1922-1930 a studiat la Paris, fiind studentă a Mariei Curie. În 1930 s-a întors în România și a devenit colaboratoare a profesorului Dimitrie Bungențianu la Universitatea din București, reușind să creeze cu mijloace proprii primul Laborator de Radioactivitate din România. Cu ajutorul profesorilor Bungențianu și Nicolae Vasilescu-Karpen experimentează o metodă de declanșare a ploilor artificiale prin dispersarea de săruri radioactive în nori.

În 1932, fizicianul James Chadwick a stabilit că noua radiație constă din particule neutre, cu masă apropiată de cea a protonilor, numite neutroni.

La capitolul III de fizică atomică s-a estimat că diametru atomului este de ordinul 10^-9 - 10^-10 m, iar diametru nucleului este de ordinul 10^-14 - 10^-15 m.

Experimental, fizicianul Hofstadter, în anul 1953, a demonstrat că densitatea nucleului scade treptat spre suprafața acestuia și nu se reduce brusc la zero. Această constatare arată că raza nucleului nu este atât de riguroasă și are mai mult o semnificație convențională în compararea diferiților atomi.

Majoritatea nucleelor sunt de formă aproape sferică, iar raza acestora, numită rază nucleară (r) depinde de numărul de masă A prin relația (semi empirică a lui Hofstadter):

În concluzie, densitatea materiei nucleare este constantă în nucleu și aproximativ aceeași pentru toate nucleele.

🤔 Pentru curioși

Care materie de pe Pământ are cea mai mare densitate?*

Pasta nucleară este materialul cel mai dens decât orice substanță găsită pe Pământ.

Pentru a demonstra acest lucru, vom considera atomul de hidrogen, care are în nucleu un singur proton cu o masă de ≈ 1,67 · 10⁻²⁷ kg fiind o sferă cu diametrul ≈ 10⁻¹⁵ m

Volumul nucleului de hidrogen este :

Aplicăm formula densității și aflăm enorma densitate a materiei nucleare:

Cele mai dense metale de pe Pământ sunt: osmiul cu densitatea este de 22610 kg/m³ și iridiu cu densitatea de 22650 kg/m³.

În Univers, stelele neutronice, care au o rază de ordinul zecilor de kilometri și o masă impresionantă, au o densitate de ordinul 10¹⁷ kg/m³, comparativă cu cea a nucleului atomic. Gravitația de pe suprafața unei stele neutronice este de două miliarde de ori mai mare decât gravitația de pe Pământ. Și câmpul magnetic al stelei neutronice este de câteva miliarde de ori mai puternic decât câmpul magnetic terestru.

O stea neutronică ia naștere în urma exploziei unei supernove, care reprezintă finalul „vieții" unei stele de mărime medie (cu o masă mai mare de 8-20 de ori decât Soarele). Odată ce-şi consumă "combustibilul" nuclear, această stea explodează, pierzând cea mai mare parte a materiei în spațiu. Ce rămâne colapsează în stele mai mici cu un diametru de circa 22 km, dar cu o masă mai mare decât Soarele (de 1,5 ori).

Stelele neutronice emană puţină lumină vizibilă, fiind descoperite de astronomi pe baza pulsațiilor radio.