Den atomkjernen refererer til den region som er lokalisert i sentrum av et atom som består av protoner og nøytroner ( nukleoner ). Størrelsen på kjernen (i størrelsesorden femtometer, dvs. 10-15 meter ) er omtrent 100 000 ganger mindre enn atomets (10 -10 meter) og konsentrerer nesten hele massen. Atomkreftene som virker mellom nukleoner er omtrent en million ganger større enn kreftene mellom atomer eller molekyler . En ustabil kjerne sies å være radioaktiv , den er utsatt for transmutasjon , enten spontan eller forårsaket av ankomsten av ytterligere partikler eller elektromagnetisk stråling .
Atomet har en lakunarstruktur , det vil si at mellom elektronene og kjernen er det bare vakuum , kvantevakuum derfor egentlig ikke tomt siden ikke-null energi.
Kjernen til et atom består av partikler som kalles nukleoner (positivt ladede protoner og elektrisk nøytrale nøytroner) som er sterkt bundet sammen (med unntak av 1 H- hydrogen hvis kjerne ganske enkelt består av en enkelt proton.). Samholdet blir sikret av den sterke interaksjonen , hovedkraften i kjernen, som holder nukleonene sammen og hindrer dem i å bevege seg bort fra hverandre.
For å modellere denne tiltrekningen mellom nukleoner, kan vi definere en kjernebindende energi som kan beregnes ut fra Bethe-Weizsäcker-formelen .
To kjernefysiske modeller kan brukes til å studere egenskapene til atomkjernen:
Isotoper er atomer med samme antall protoner (samme atomnummer Z), men et annet antall nøytroner.
En kjemisk element er kjennetegnet ved det antall protoner som utgjør kjernen, spesielt kalt atomnummer og bemerket Z . Et atom som har så mange elektroner som protoner, som forklarer dets elektriske nøytralitet, Z er også antall elektroner til et slikt element.
For det samme elementet finner vi i naturen forskjellige nuklider med forskjellige antall nøytroner. Disse kjernene kalles isotoper av elementet med dette atomnummeret. Massetallet A for et atom er det totale antallet nukleoner (protoner og nøytroner) som utgjør en kjerne. Antallet nøytroner N er lik A - Z .
Et nuklid X er derfor en kjerne preget av massetallet A og atomnummeret Z ; det er betegnet A Z X (les XA , atomnummeret er implisitt).
For eksempel er hydrogen 1 1 H, deuterium D eller 2 1 H og tritium T eller 3 1 H tre isotoper av hydrogen.
I praksis blir atomnummeret Z generelt utelatt fordi det er overflødig med det kjemiske symbolet, for å bare beholde betegnelsen A X. Så hvis vi tar eksemplet som er nevnt ovenfor, blir vanlig hydrogen, deuterium og tritium oftest notert: 1 H, 2 H og 3 H.
Ulike isotoper av samme grunnstoff har lignende kjemiske egenskaper fordi de hovedsakelig avhenger av antall elektroner. Imidlertid tillater deres distinkte atommasse dem å skilles ved hjelp av en sentrifuge eller massespektrometer .
Isotoper skiller seg også ut fra stabilitet og halveringstid (eller radioaktiv halveringstid ): isotoper med underskudd eller overskudd i nøytroner er ofte mer ustabile og derfor radioaktive . For eksempel er karbon 12 (den vanligste) og karbon 13 perfekt stabile, mens karbonisotoper "tyngre" enn 13 C er radioaktive (som karbon 14 , med en halveringstid på 5730 år). Eller "lettere" enn 12 C (som karbon 11 , med en halveringstid på 20 minutter). Merk at det også er elementer som alle isotoper er ustabile for, for eksempel teknetium eller prometium .
Nukleære isomerer er atomer med identisk antall protoner og nøytroner (og som derfor hører til den samme isotopen), men som har forskjellige energitilstander. Dette er vanligvis resultatet av en annen organisering av nukleonene i kjernen. Tilstanden med lavest energi kalles "grunntilstand", og enhver tilstand med høyest energi kalles "opphisset tilstand".
Når skillet er nødvendig, identifiseres andre isomerer enn grunntilstanden med bokstaven "m" lagt til etter massenummeret og muligens etterfulgt av et tall hvis det er flere glade tilstander for den aktuelle isotopen. Aluminium 26 har således to isomerer betegnet 26 Al for grunntilstanden og 26m Al for den eksiterte tilstanden. Et annet eksempel, tantal 179 har ikke mindre enn syv isomerer, som er notert (går fra bakken til den eksiterte tilstanden med høyest energi): 179 Ta, 179m1 Ta, 179m2 Ta, 179m3 Ta, 179m4 Ta, 179m5 Ta, og til slutt 179m6 Ta.
Generelt er eksiterte tilstander veldig ustabile og gjennomgår raskt en isomer overgang som bringer dem til grunntilstanden (eller en mindre energisk eksitert tilstand) og under hvilken overskuddsenergien evakueres i form av et foton . Imidlertid er det unntak, og noen spente tilstander til noen isotoper kan ha lengre halveringstid enn tilsvarende bakketilstand (for eksempel 180 meter tantal eller 242 meter americium ).
Den isotopiske atommassen av et element er massen tilsvarende N A nuklider i denne samme isotop, N A blir Avogadros tall (ca. 6,022 04 x 10 23 ).
Definisjon: massen av N A- atomer av karbon 12 er nøyaktig 12 g .
Atommassen til et kjemisk element er det vektede gjennomsnittet av atommassene til dets naturlige isotoper; noen kjemiske elementer har svært langvarige radioaktive isotoper, og derfor endres deres naturlige isotopiske sammensetning, så vel som atommassen, over lange perioder, for eksempel geologiske epoker. Dette er spesielt tilfelle for uran .
Noen kjerner er stabile, det vil si at deres bindingsenergi er tilstrekkelig, og deretter gjør levetiden ubegrenset. Andre er ustabile og har en tendens til å transformere seg spontant til en mer stabil kjerne ved å avgi stråling. Denne ustabiliteten skyldes det store antallet nukleoner som reduserer enhetsenergien til hver binding i kjernen, noe som gjør den mindre sammenhengende. Den (spontane) transformasjonen ved radioaktivitet resulterer alltid i en økning i den gjennomsnittlige bindingsenergien til de aktuelle nukleonene.
Det er tre typer radioaktivitet, avhengig av typen partikkel som slippes ut:
Disse to typene radioaktivitet er mesteparten av tiden ledsaget av gammastråling (utslipp av fotoner ).
Eksempel:
Stabiliteten til en atomkjerne avhenger av naturen og antall nukleoner som komponerer den.
Det ble funnet en høyere frekvens av stabile kjerner (152) hvis de er sammensatt av et antall protoner (Z) og nøytroner (N) jevnaldrende . Dette tallet øker til 55 for Z jevn og N odd og til 52 for Z odd og N jevn. Det er bare noen få stabile kjerner med oddetall protoner og antall nøytroner.
Det er også magiske tall (antall protoner og / eller antall nøytroner) som den naturlige overfloden av stabile isotoper er større for: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Dette er for eksempel for helium kjerne , dobbelt magi, tilsvarende alfapartikkelen som sendes ut av visse kjerner.
Halvt livHalveringstiden til en isotop er perioden etter hvilken, statistisk, halvparten av atomene i en innledende prøve vil være forråtnet. Kjerner kan ha veldig forskjellige halveringstider, faktisk spenner over hele tidsområdet .
En kjerne anses å være et element (i motsetning til en resonans) når levetiden er lang nok til at en elektronisk prosesjon har tid til å danne (dvs. ~ 10-15 s)
varighetsintervall | Isotop | Halvt liv |
---|---|---|
<1 sekund | Hydrogen 7 | 2,2 × 10 −23 s |
Fra 1 sekund til 1 minutt | Nitrogen 16 | 7.13 s |
Fluor 20 | 11,163 s | |
Fra 1 minutt til 1 time | Oksygen 15 | 2.037 min |
Karbon 11 | 20.38 min | |
Fra 1 time til 1 dag | Fluor 18 | 1,8293 t |
Fra 1 dag til 1 år | Radium 224 | 3,62 d |
Radon 222 | 3.8235 d | |
Fra år til årtusen | Natrium 22 | 2.605 år |
Kobolt 60 | 5,272 år | |
Tritium ( Hydrogen 3) | 12.329 år | |
Strontium 90 | 28,78 år | |
Cesium 137 | 30 254 år | |
Fra årtusen til millioner år | Radium 226 | 1602 år |
Karbon 14 | 5730 år | |
Klor 36 | 301.000 år | |
Aluminium 26 | 717 000 år | |
Fra en million år til en milliard år | Plutonium 244 | 80,8 × 10 6 år |
Uranium 235 | 704 × 10 6 år | |
Fra milliarder (10 9 ) til tusen milliarder (10 12 ) år | Kalium 40 | 1,28 × 10 9 år |
Uranium 238 | 4.468 × 10 9 år | |
Thorium 232 | 14.05 × 10 9 år | |
Samarium 147 | 106 × 10 9 år | |
Fra tusen milliarder (10 12 ) til en million milliarder (10 15 ) år | Osmium 184 | 56 × 10 12 år |
Indium 115 | 441 × 10 12 år | |
Fra millioner milliarder (10 15 ) til milliarder milliarder (10 18 ) år | Vanadium 50 | 140 × 10 15 år |
Utover en milliard milliarder år (> 10 18 år) | Kalsium 48 | > 6 × 10 18 år |
Molybden 100 | 7,8 × 10 18 år | |
Vismut 209 | (19 ± 2) × 10 18 år | |
Zirkonium 96 | > 20 × 10 18 år | |
Tellurium 130 | 790 × 10 18 år gammel | |
Xenon 124 | 1,8 × 10 22 år | |
Utover en million billioner milliarder år (> 10 24 år) | Tellurium 128 | 2,2 × 10 24 år |
Faktisk er de såkalte kjernene stabile så bare i den grad at deres levetid er rundt protonens , en baryon (meta?) Stabil. I følge teorien ville protonet ha en halveringstid på omtrent 10 33 år, men eksperimentene som ble utført for å måle dette forfallet av protonen, den sanne hjørnesteinen i saken, bekreftet ikke denne spådommen: proton ville være mer stabil forutsatt at.
Radien til et nukleon er i størrelsesorden 10 −15 m, eller 1 fm ( femtometer ), og begrepet radius forstås her i betydningen å ha en betydelig sannsynlighet for å oppdage nukleonet i det ansett volum. Som en første tilnærming vurderer vi generelt at radien r til en kjerne med massetall A er verdt ( væskedråpemodell ) , med r o = 1,4 fm . Merk når A er liten, spesielt mindre enn 16, kan r o være 1,2 fm .
Dette er mindre enn 0,01% av atomens totale radius. Den tettheten av kjernen er derfor vesentlig større enn for det atom i seg selv. Det er stort sett konstant for alle kjerner i sin grunntilstand (ikke eksitert ): ca. 200 millioner tonn pr cm 3 ( 2 x 10 14 g · cm -3 ), densiteten av kjernevæsken . (Denne verdien virker for lav: se diskusjonen).
Den faktiske størrelsen og formen til en bestemt kjerne er avhengig av antall nukleoner i den, så vel som deres energitilstand. De mest stabile kjernene har generelt en sfærisk form i hvile og kan for eksempel ta formen på en ellipsoid hvis de blir begeistret. Ganske merkelige former kan observeres i henhold til tilstandene av spenning, pære , tallerken, til og med peanøtt .
Når det gjelder halokjerner , kan noen få nukleoner ha klart utstrakte bølgefunksjoner, og dermed omgir den mer kompakte kjernen som dannes av de andre nukleonene med en glorie. De litium 11 vises for eksempel sammensatt av en litium kjerne 9 (den mest stabile isotoper) som er omgitt av en glorie av to nøytroner; dens størrelse er da nær den til bly 208 , som har 20 ganger flere nukleoner.
Den tyngste stabile kjernen består av 82 protoner og 126 nøytroner: den er bly 208 . De tyngre elementene er ustabile. Inntil og med uran er de alle naturlig til stede på jorden, grunnstoffer med atomnummer større enn uran eller til stede i spormengder kan syntetiseres i laboratoriet. Det tyngste elementet hittil er kjent har 118 protoner: det er oganesson .