Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 14

Gdyby spontanicznie zbudować dowolne jądro atomowe z protonów i neutronów, prawdopodobnie nie byłoby ono stabilne. Jądra mogą się mianowicie przekształcać poprzez rozpad promieniotwórczy w inne jądra tak, by ostatecznie powstało jądro z możliwie jak największą energią wiązania.

Energia wiązania to wypadkowa konkurencyjnej walki między dwiema siłami: mocną, przyciągającą energią jądrową a siłą odpychania elektrycznego. Silna energia jądrowa pozwala na to, aby nukleony, czyli protony i neutrony – tworzyły jądra atomowe. Zakres oddziaływania tej siły jest jednak bardzo ograniczony, ponieważ oddziałuje ona jedynie między bezpośrednio sąsiadującymi nukleonami.

Energia wiązania w jądrze w MeV na nukleon dla najczęściej występujących jąder atomowych

Można zatem w uproszczeniu wyobrażać sobie jądra atomowe jako krople wody, ponieważ siła przyciągania między cząsteczkami wody również charakteryzuje się niewielkim zakresem oddziaływania. W tzw. modelu kroplowym jądra atomowe mają „napięcie powierzchniowe”, w związku z czym małe jądra chętnie łączą się w większe, jak krople wody. Z tego powodu podczas fuzji małych jąder atomów uwalnia się duża ilość energii, o ile siła ich odpychania elektrycznego może zostać przezwyciężona przez wysoką temperaturę.

Jądro atomowe z neutronami (na czarno) i protonami (na czerwono)

Przeciwnikiem silnej energii jądrowej jest siła odpychania elektrycznego między dwoma dodatnio naładowanymi protonami. Neutronów to nie dotyczy – są one neutralne pod względem elektrycznym. To odpychanie elektryczne jest co prawda znacznie słabsze między dwoma bezpośrednio sąsiadującymi protonami niż silna energia jądrowa, lecz działa ono na większe odległości, przez co odpychające oddziaływanie wszystkich protonów w jądrze sumuje się i może ostatecznie pokonać bardzo silną energię jądrową. W układzie okresowym nie istnieją już żadne stabilne jądra atomowe ponad pierwiastkiem ołowiu, który ma 82 protony.

Równowaga między tymi obiema siłami występuje mniej więcej przy pierwiastkach żelaza i niklu. Ich jądra mają największą energię wiązania na nukleon – zatem fuzja żelaza do cięższych jąder atomowych nie przynosi żadnego zysku energetycznego.

Ale czy wówczas jądra neutronowe bez żadnych protonów nie musiałyby być najbardziej stabilne? Trzeba przy tym wiedzieć, że neutron może poprzez rozpad beta przemienić się w proton, uwalniając energię oraz elektron i antyneutrino. W czystym jądrze neutronowym w obecności uwalnianej energii neutrony tak długo zmieniałyby się w protony, aż rosnąca energia elektryczna pola między protonami zużyłaby każdy kolejny przyrost energii. Również tutaj istnieje wartość optymalna, która w przypadku małych jąder prowadzi do wyrównanego stosunku między protonami a neutronami, natomiast większe jądra potrzebują trochę więcej neutronów.

Istnieje jeszcze szereg innych zjawisk, które wpływają na energię wiązania. Prowadzą one np. do tego, że jądra helu-4 oraz wiele jąder, które można zbudować z jąder helu-4, wykazują dosyć wysokie energie wiązania. Od tej zasady istnieją jednak wyjątki, co widać na przykładzie bardzo niestabilnego berylu-8. Mamy również dwie nietypowe luki w stabilności w samym środku grzbietu pierwiastków stabilnych: mianowicie wszystkie izotopy pierwiastków technetu (43 protony) i prometu (61 protonów) są niestabilne. Jak widać, jądra atomowe są złożonymi, kwantowo-mechanicznymi systemami wielocząsteczkowymi, które nas nieustannie zaskakują.

Okresy połowicznego rozpadu znanych jąder atomowych z liczbą protonów (Z) i liczbą neutronów (N). Tylko jądra przedstawione na wąskim, czarnym grzbiecie na środku wykresu są trwałe