Atom çekirdeği

Atom çekirdeği, 1911'de Ernest Rutherford tarafından 1909 Geiger-Marsden altın folyo deneyine dayanarak keşfedilen, bir atomun merkezindeki proton ve nötronlardan oluşan küçük, yoğun bölgedir. Nötronun 1932'de keşfedilmesinden sonra, protonlardan ve nötronlardan oluşan bir çekirdek için modeller, Dmitri Ivanenko ve Werner Heisenberg tarafından hızla geliştirildi. Bir atom, elektrostatik kuvvetle birbirine bağlanmış, kendisini çevreleyen negatif yüklü bir elektron bulutu ile pozitif yüklü bir çekirdekten oluşur. Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı, elektron bulutunun çok küçük bir katkısıyla çekirdekte bulunur. Protonlar ve nötronlar, nükleer kuvvet tarafından bir çekirdek oluşturmak için birbirine bağlanır.

Çekirdeğin çapı, hidrojen (tek bir protonun çapı) için 1.7566 fm (1.7566x10^-15 m) ila uranyum için yaklaşık 11.7142 fm aralığındadır. Bu boyutlar, atomun kendi çapından (çekirdek + elektron bulutu), yaklaşık 26.634 (uranyum atom yarıçapı yaklaşık 156 pm (156x10^-12 m)) ila yaklaşık 60.250 (hidrojen atom yarıçapı, yaklaşık 52.92 pm).

Atom çekirdeğinin bileşimi ve onu birbirine bağlayan kuvvetler dahil, incelenmesi ve anlaşılmasıyla ilgili fizik dalına nükleer fizik denir.

Giriş

Tarihçe

Çekirdek, 1911'de Ernest Rutherford'un Thomson'ın atomun "erikli puding modeli" ni test etme çabalarının bir sonucu olarak keşfedildi. Elektron zaten JJ Thomson'ın kendisi tarafından keşfedilmişti. Atomların elektriksel olarak nötr olduğunu bilen J.J. Thomson, pozitif bir yük olması gerektiğini de öne sürdü. Erik puding modelinde Thomson, bir atomun pozitif yüklü bir küre içinde rastgele dağılmış negatif elektronlardan oluştuğunu öne sürdü. Ernest Rutherford daha sonra araştırma ortağı Hans Geiger ile ve Ernest Marsden'ın yardımıyla, ince bir metal folyo tabakasına yönlendirilmiş alfa parçacıklarının (helyum çekirdekleri) sapmasını içeren bir deney geliştirdi. JJ Thomson'ın modeli doğru olsaydı, pozitif yüklü alfa parçacıklarının yollarında çok az sapma ile folyodan kolayca geçebileceğini, çünkü negatif ve pozitif yükler tarafsız görünecek kadar çok yakın bir şekilde karıştırılırsa folyo elektriksel olarak nötr olarak hareket etmelidir. Şaşırtıcı bir şekilde, parçacıkların çoğu çok büyük açılarda saptı. Bir alfa parçacığının kütlesi bir elektronunkinin yaklaşık 8000 katı olduğundan, çok büyük ve hızlı hareket eden alfa parçacıklarını saptırabilecekse çok güçlü bir kuvvetin olması gerektiği ortaya çıktı. Erikli puding modelinin doğru olamayacağını ve alfa parçacıklarının sapmalarının ancak pozitif ve negatif yüklerin birbirinden ayrılması ve atomun kütlesinin konsantre bir pozitif yük noktası olması durumunda açıklanabileceğini fark etti. Bu, yoğun bir pozitif yük ve kütle merkezine sahip bir nükleer atom fikrini haklı çıkardı.

Nükleer düzen

Bir atomun çekirdeği nötronlar ve protonlardan oluşur; bunlar da, baryon adı verilen belirli kararlı hadron kombinasyonlarında nükleer kuvvet tarafından bir arada tutulan kuark adı verilen daha temel parçacıkların tezahürüdür. Nükleer kuvvetli kuvvet, pozitif yüklü protonlar arasındaki itici elektrik kuvvetine karşı nötronları ve protonları birbirine bağlayacak kadar her baryondan yeterince uzağa uzanır. Nükleer kuvvetin çok kısa bir menzili vardır ve esasen çekirdeğin kenarının hemen ötesinde sıfıra düşer. Pozitif yüklü çekirdeğin toplu hareketi, elektriksel olarak negatif yüklü elektronları çekirdek etrafındaki yörüngelerinde tutmaktır. Çekirdeğin yörüngesindeki negatif yüklü elektronların toplanması, yörüngelerini kararlı kılan elektronların belirli konfigürasyonları ve sayıları için bir afinite sergiler. Bir atomun temsil ettiği kimyasal element, çekirdekteki protonların sayısına göre belirlenir; nötr atom, bu çekirdeğin etrafında dönen eşit sayıda elektrona sahip olacaktır. Tek tek kimyasal elementler, elektronlarını paylaşmak için birleştirerek daha kararlı elektron konfigürasyonları oluşturabilir. Bize makro dünyamızın kimyası olarak görünen çekirdek hakkında kararlı elektronik yörüngeler yaratmak için elektronların paylaşılmasıdır.

Protonlar, bir çekirdeğin tüm yükünü ve dolayısıyla onun kimyasal kimliğini tanımlar. Nötronlar elektriksel olarak nötrdür, ancak bir çekirdeğin kütlesine neredeyse protonlarla aynı ölçüde katkıda bulunur. Nötronlar, izotop fenomenini açıklayabilir (farklı atom kütleli aynı atom numarası). Nötronların ana rolü, çekirdek içindeki elektrostatik itmeyi azaltmaktır.

Bileşim ve şekli

Protonlar ve nötronlar, güçlü izospin kuantum sayısının farklı değerlerine sahip fermiyonlardır, bu nedenle iki proton ve iki nötron aynı kuantum varlıkları olmadıkları için aynı uzay dalgası işlevini paylaşabilir. Bazen aynı parçacığın iki farklı kuantum durumu, nükleon olarak görülür. İki proton veya iki nötron veya bir proton + nötron (döteron) gibi iki fermiyon, tamsayı dönüşüne sahip çiftler halinde gevşek bir şekilde bağlandıklarında bozonik davranış sergileyebilir.

Nadir bir hiper nükleus durumunda, bir veya daha fazla garip kuark veya diğer alışılmadık kuark(lar) içeren, hiperon adı verilen üçüncü bir baryon da dalga fonksiyonunu paylaşabilir. Bununla birlikte, bu tür bir çekirdek son derece kararsızdır ve yüksek enerjili fizik deneyleri dışında Dünya'da bulunmaz.

Nötronun yarıçapı 0.3 fm olan pozitif yüklü bir çekirdeği vardır ve 0.3 fm ile 2 fm arasında telafi edici bir negatif yarıçap yükü ile çevrelenmiştir. Proton, yaklaşık 0.8 fm'lik bir ortalama kare yarıçapı ile yaklaşık olarak üssel olarak azalan bir pozitif yük dağılımına sahiptir.

Çekirdekler küresel, rugby top şeklinde (prolat deformasyon), disk şeklinde (yassı deformasyon), üç eksenli (oblate ve prolate deformasyon kombinasyonu) veya armut şeklinde olabilir.

Kuvvetler

Çekirdekler, kalıcı güçlü kuvvet (nükleer kuvvet) ile birbirine bağlanır. Kalan güçlü kuvvet, kuarkları protonlar ve nötronlar oluşturmak için birbirine bağlayan güçlü etkileşimin küçük bir kalıntısıdır. Nötronlar ve protonlar arasında bu kuvvet çok daha zayıftır, çünkü nötr atomlar arasındaki elektromanyetik kuvvetlerin (iki atıl gaz atomu arasında hareket eden van der Waals kuvvetleri gibi) elektromanyetik kuvvetlerden çok daha zayıf olması gibi, atomların parçalarını dahili olarak bir arada tutar (örneğin, elektronları çekirdeğine bağlı bir inert gaz atomunda tutan kuvvetler) bunların içinde çoğunlukla nötralize edilir.

Nükleer kuvvet, tipik nükleon ayrımı mesafesinde oldukça çekicidir ve bu, elektromanyetik kuvvet nedeniyle protonlar arasındaki itmeyi bastırır, böylece çekirdeklerin var olmasına izin verir. Bununla birlikte, artık kuvvetli kuvvet sınırlı bir menzile sahiptir çünkü mesafe ile hızla azalır (bkz. Yukawa potansiyeli); bu nedenle yalnızca belirli bir boyuttan daha küçük çekirdekler tamamen kararlı olabilir. Bilinen en büyük tamamen kararlı çekirdek (yani alfa, beta ve gama bozunmasına karşı kararlı), toplam 208 nükleon (126 nötron ve 82 proton) içeren kurşun-208'dir. Bu maksimumdan daha büyük çekirdekler kararsızdır ve daha fazla sayıda nükleon ile giderek daha kısa ömürlü olma eğilimindedir. Bununla birlikte, bizmut-209 aynı zamanda beta bozunmasına karşı kararlıdır ve evrenin yaşından bir milyar kat daha uzun olduğu tahmin edilen bilinen herhangi bir izotopun alfa bozunması için en uzun yarı ömrüne sahiptir.

Kalan güçlü kuvvet, çok kısa bir aralıkta etkilidir (genellikle sadece birkaç femtometre (fm); kabaca bir veya iki nükleon çapı) ve herhangi bir nükleon çifti arasında bir çekime neden olur. Örneğin, protonlar ve nötronlar arasında [NP] döteron oluşturmak için ve ayrıca protonlar ile protonlar ve nötronlar ve nötronlar arasında.

Halo çekirdekleri ve nükleer kuvvet aralığı sınırları

Nükleer kuvvet aralığının etkin mutlak sınırı (artık kuvvetli kuvvet olarak da bilinir), lityum-11 veya boron-14 gibi halo çekirdekleriyle temsil edilir; burada dineutronlar veya diğer nötron koleksiyonları, yaklaşık 10 fm'lik mesafelerde yörüngede döner (kabaca uranyum-238 çekirdeğinin 8 fm yarıçapına benzer). Bu çekirdekler maksimum derecede yoğun değildir. Halo çekirdekleri, çekirdeklerin (nötron damlama çizgisi ve proton damlama çizgisi) haritasının en uç kenarlarında oluşur ve bunların tümü, milisaniye cinsinden ölçülen kısa yarı ömürlerle kararsızdır; örneğin, lityum-11'in yarı ömrü 8,8 ms'dir.

Nükleer modeller

Standart fizik modelinin çekirdeğin bileşimini ve davranışını tamamen tanımladığına inanılıyor olsa da, teoriden tahminler üretmek parçacık fiziğinin diğer alanlarının çoğundan çok daha zordur.

Bu iki nedenden kaynaklanmaktadır:

• Prensip olarak, bir çekirdek içindeki fizik tamamen kuantum kromodinamiğinden (QCD) türetilebilir. Ancak pratikte, çekirdekler gibi düşük enerjili sistemlerde QCD'yi çözmek için mevcut hesaplamalı ve matematiksel yaklaşımlar son derece sınırlıdır. Bunun nedeni, yüksek enerjili kuark maddesi ile düşük enerjili hadronik madde arasında meydana gelen faz geçişidir, bu da pertürbatif teknikleri kullanılamaz hale getirerek nükleonlar arasındaki kuvvetlerin doğru bir QCD'den türetilmiş modelini oluşturmayı zorlaştırır. Mevcut yaklaşımlar, Argonne v18 potansiyeli veya kiral etkili alan teorisi gibi fenomenolojik modellerle sınırlıdır.
• Nükleer kuvvet iyi bir şekilde kısıtlanmış olsa bile, çekirdek ab initio'nun özelliklerini doğru bir şekilde hesaplamak için önemli miktarda hesaplama gücü gerekir. Çok cisim teorisindeki gelişmeler, bunu birçok düşük kütleli ve nispeten kararlı çekirdek için mümkün kılmıştır, ancak ağır çekirdekler veya oldukça kararsız çekirdeklerin üstesinden gelinmeden önce hem hesaplama gücü hem de matematiksel yaklaşımlarda daha fazla iyileştirme yapılması gerekmektedir.

Tarihsel olarak deneyler, zorunlu olarak kusurlu olan nispeten kaba modellerle karşılaştırılmıştır. Bu modellerin hiçbiri nükleer yapı hakkındaki deneysel verileri tamamen açıklayamaz.

Nükleer yarıçap (R), herhangi bir modelin öngörmesi gereken temel miktarlardan biri olarak kabul edilir. Kararlı çekirdekler için (halo çekirdekler veya diğer kararsız bozulmuş çekirdekler değil), çekirdek yarıçapı kabaca çekirdeğin kütle numarasının (A) küp kökü ile orantılıdır ve özellikle çok sayıda nükleon içeren çekirdeklerde daha küresel konfigürasyonlarda düzenlenirler:

Kararlı çekirdek yaklaşık olarak sabit bir yoğunluğa sahiptir ve bu nedenle nükleer yarıçap R aşağıdaki formülle yaklaşık olarak hesaplanabilir

$R=r_{0}A^{1/3}\,$

burada A = Atomik kütle numarası (Z proton sayısı artı nötron sayısı N) ve r₀ = 1.25 fm = 1.25 × 10⁻¹⁵ m. Bu denklemde, "sabit" r0, söz konusu çekirdeğe bağlı olarak 0.2 fm kadar değişir, ancak bu, bir sabitten %20'den az değişikliktir.

Başka bir deyişle, çekirdekteki proton ve nötronların paketlenmesi, sabit boyuttaki sert kürelerin (mermerler gibi) sıkı küresel veya neredeyse küresel bir torbaya paketlenmesiyle yaklaşık olarak aynı toplam boyut sonucunu verir (bazı kararlı çekirdekler çok küresel değildir, ancak prolat oldukları bilinmektedir). Nükleer yapı modelleri şunları içerir:

Sıvı damla modeli

Çekirdeğin ilk modelleri çekirdeği dönen bir sıvı damlası olarak görüyordu. Bu modelde, uzun menzilli elektromanyetik kuvvetler ve nispeten kısa menzilli nükleer kuvvetlerin değiş tokuşu birlikte, farklı boyutlardaki sıvı damlalarında yüzey gerilimi kuvvetlerine benzeyen davranışa neden olur. Bu formül, çekirdeklerin boyutları ve bileşimleri değiştikçe değişen miktarlarda bağlanma enerjisi gibi birçok önemli olguyu açıklamada başarılıdır (bkz. Yarı deneysel kütle formülü), fakat çekirdekler proton veya nötronların özel "sihirli sayılarına" sahip olduğunda ortaya çıkan özel kararlılığı açıklamaz.

Yarı ampirik kütle formülündeki, birçok çekirdeğin bağlanma enerjisine yaklaşmak için kullanılabilen terimler, beş tür enerjinin toplamı olarak kabul edilir (aşağıya bakınız). Daha sonra, sıkıştırılamaz bir sıvı damlası olarak bir çekirdeğin resmi, çekirdeğin bağlanma enerjisinin gözlemlenen varyasyonunu kabaca açıklar:

Hacim enerjisi. Aynı büyüklükteki bir nükleon topluluğu birlikte en küçük hacme paketlendiğinde, her bir iç nükleonun kendisiyle temas halinde olan belirli sayıda başka nükleonları vardır. Yani bu nükleer enerji hacimle orantılıdır.

Yüzey enerjisi. Bir çekirdeğin yüzeyindeki bir nükleon, çekirdeğin içindekinden daha az başka nükleonla etkileşime girer ve dolayısıyla bağlanma enerjisi daha azdır. Bu yüzey enerjisi terimi bunu hesaba katar ve bu nedenle negatiftir ve yüzey alanıyla orantılıdır.

Coulomb enerjisi. Çekirdekteki her proton çifti arasındaki elektrik itme, bağlanma enerjisinin azalmasına katkıda bulunur.

Asimetri enerjisi (Pauli Energy olarak da bilinir). Pauli dışlama ilkesiyle ilişkili bir enerji. Coulomb enerjisi olmasaydı, nükleer maddenin en kararlı formu protonlarla aynı sayıda nötron içerirdi, çünkü eşit olmayan sayıda nötron ve protonlar, bir tür partikül için daha yüksek enerji seviyelerini doldururken, diğer tip için daha düşük enerji seviyelerini boş bırakır.

Eşleştirme enerjisi. Proton çiftlerinin ve nötron çiftlerinin oluşma eğiliminden kaynaklanan bir düzeltme terimi olan enerji. Çift sayıda parçacık, tek sayıdan daha kararlıdır.

Kabuk modelleri ve diğer kuantum modelleri

Atomik fizik teorisindeki atomik orbitallere çok benzer şekilde, nükleonların orbitalleri işgal ettiği çekirdek için bir dizi model de önerilmiştir. Bu dalga modelleri, nükleonların ya potansiyel kuyulardaki boyutsuz nokta parçacıkları ya da potansiyel kuyularda yüksek hızda sürtünmesiz bir şekilde yörüngede dönen "optik model" deki gibi olasılık dalgaları olduğunu hayal eder.

Yukarıdaki modellerde, nükleonlar, deneylerden iyi bilinen çift / tek Z ve N etkilerinin açıklamasına izin veren, fermiyon olmaları nedeniyle çiftler halinde orbitalleri işgal edebilir. Nükleer kabukların kesin doğası ve kapasitesi, atomik orbitallerdeki elektronlarınkinden farklıdır, çünkü nükleonların hareket ettiği potansiyel kuyunun (özellikle daha büyük çekirdeklerde), atomlardaki elektronları bağlayan merkezi elektromanyetik potansiyel kuyusundan oldukça farklı olmasıdır. Atomik yörünge modellerine bazı benzerlikler, helyum-4'ünki gibi küçük bir atom çekirdeğinde görülebilir; burada iki proton ve iki nötron, helyum atomundaki iki elektron için 1s yörüngesine benzer şekilde ayrı ayrı 1s yörüngesini işgal eder ve alışılmadık aynı sebepten dolayı istikrar saglar. 5 nükleonlu çekirdeklerin hepsi son derece kararsız ve kısa ömürlüdür, ancak 3 nükleonlu helyum-3, kapalı bir yörünge kabuğu olmasa bile çok kararlıdır. 3 nükleonlu başka bir çekirdek olan triton hidrojen-3 kararsızdır ve izole edildiğinde helyum-3'e bozunacaktır. 1s yörüngesindeki 2 nükleonlu {NP} zayıf nükleer stabilite döteron hidrojen-2'de bulunur ve proton ve nötron potansiyel kuyularının her birinde yalnızca bir nükleon bulunur. Her bir nükleon bir fermiyon iken, {NP} döteron bir bozondur ve bu nedenle kabuklar içinde yakın paketlenme için Pauli Hariç Tutulmasını takip etmez. 6 nükleonlu Lityum-6, kapalı ikinci 1p kabuk yörüngesi olmadan oldukça kararlıdır. Toplam nükleon sayısı 1'den 6'ya kadar olan hafif çekirdekler için, sadece 5'e sahip olanlar bazı kararlılık kanıtı göstermezler. Kapalı kabukların dışındaki hafif çekirdeklerin beta kararlılığı gözlemleri, nükleer kararlılığın, sihirli sayıda proton ve nötron içeren kabuk yörüngelerinin basit kapanmasından çok daha karmaşık olduğunu göstermektedir.

Daha büyük çekirdekler için, nükleonların işgal ettiği kabuklar elektron kabuklarından önemli ölçüde farklılaşmaya başlar, ancak yine de mevcut nükleer teori, hem protonlar hem de nötronlar için doldurulmuş nükleer kabukların sihirli sayılarını tahmin etmektedir. Kararlı kabukların kapanması, kimyadaki neredeyse inert gazların soylu grubuna benzer şekilde alışılmadık şekilde kararlı konfigürasyonları öngörür. Bir örnek, kalayın diğer tüm elementlerden daha fazla 10 kararlı izotopa sahip olmasına izin veren 50 protonluk kapalı kabuğun stabilitesidir. Benzer şekilde, kabuk kapanmasından uzaklık, radyoaktif elementler 43 (teknetyum) gibi bu parçacıkların sabit sayılarından uzak olan izotopların olağandışı kararsızlığını açıklar ve 61 (prometyum), bunların her biri önce gelir ve bunu 17 veya daha fazla stabil element izler.

Bununla birlikte, kapalı kabuklardan çok uzaktaki nükleer mülkleri hesaba katmak için bir girişimde bulunulduğunda kabuk modeliyle ilgili sorunlar vardır. Bu, deneysel verilere uyacak potansiyel kuyunun şeklinin karmaşık post hoc bozulmalarına yol açmıştır, ancak soru, bu matematiksel manipülasyonların gerçekte gerçek çekirdeklerdeki uzamsal deformasyonlara karşılık gelip gelmediğini merak etmektedir. Kabuk modeliyle ilgili sorunlar, bazılarının nükleon kümelerini içeren gerçekçi iki cisim ve üç cisimli nükleer kuvvet etkileri önermelerine ve ardından çekirdeği bu temelde inşa etmelerine yol açtı. Bu türden üç küme modeli, John Wheeler'ın 1936 Rezonans Grup Yapısı modeli, Linus Pauling'in Kapalı Paketlenmiş Spheron Modeli ve MacGregor'un 2D Ising Modelidir.

Modeller arasında tutarlılık

Süperakışkan sıvı helyum durumunda olduğu gibi, atom çekirdeği, hem (1) hacim için "sıradan" parçacık fiziksel kurallarının hem de (2) bir dalga benzeri doğa için sezgisel olmayan kuantum mekanik kurallarının geçerli olduğu bir duruma bir örnektir. Süperakışkan helyumda, helyum atomlarının hacmi vardır ve esasen birbirine "temas eder", ancak aynı zamanda bir Bose-Einstein yoğunlaşması ile tutarlı olarak garip yığın özellikleri sergiler. Atom çekirdeğindeki nükleonlar da dalgaya benzer bir yapı sergiler ve sürtünme gibi standart sıvı özelliklerinden yoksundur. Fermiyon olan hadronlardan yapılan çekirdekler için, Bose-Einstein yoğunlaşması meydana gelmez, ancak yine de, birçok nükleer özellik ancak benzer şekilde, hacim ile parçacıkların özelliklerinin bir kombinasyonu ile açıklanabilir. Erwin Schrödinger'in kuantum yörüngelerinde hapsolmuş nesnelerin dalga benzeri davranışlarının sürtünmesiz hareket karakteristiğine ek olarak.