JĄDRO ATOMOWE

W samym środku atomu znajduje się niewielki obiekt o średnicy bilionowych części milimetra, ale skupiający w sobie ponad 99.9% masy całego atomu. To jądro atomowe. Złożone jest z nukleonów: protonów (o dodatnim ładunku elektrycznym) i neutronów (elektrycznie obojętnych).

Jądro jest niezwykle małe nawet w stosunku do atomu. Jego promień jest około  sto tysięcy razy mniejszy, przez co zajmuje w przybliżeniu jedną biliardową (jedynka na piętnastym miejscu po przecinku) część objętości atomu. Gdyby powiększyć atom tak, aby jądro miało wielkość jabłka, najbliższe elektrony tworzące ten atom znajdowałyby się w odległości około 10 kilometrów.

 

Get the Flash Player to see this player.
Otwórz w nowym oknie

Mimo to, i to jest bardzo ciekawe, jądro skupia w sobie ponad 99.9% masy atomu – praktycznie cała masa otaczającej nas materii zawarta jest w jądrach atomowych. Dzieje się tak ze względu na dużą masę nukleonów w porównaniu z otaczającymi jądro ujemnie naładowanymi elektronami – nukleon jest prawie dwa tysiące razy cięższy od elektronu.  To, w jakim stopniu masa skupiona jest w jądrze atomowym, byłoby dobrze widoczne, gdybyśmy zbudowali kostkę do gry z samych jąder atomowych, czyli odrzucając otaczające je w atomach elektrony. Taka kostka ważyłaby 140 milionów ton!

 

Get the Flash Player to see this player.
Otwórz w nowym oknie

Każdy nukleon składa się z kwarków. Kwarki przyciągają się wzajemnie za pośrednictwem tak zwanego oddziaływania silnego. W jego przenoszeniu pośredniczą gluony. Te same siły odpowiedzialne są za wiązanie nukleonów w jądrze – w tym przypadku oddziaływanie polega na przyciąganiu się kwarków wchodzących w skład sąsiadujących nukleonów.

Za odkrywcę jądra atomowego uważa się Ernesta Rutherforda, który w 1911 r. poprawnie zinterpretował wyniki doświadczenia wcześniejszej przeprowadzonego przez Hansa Geigera i Ernesta Marsdena. Eksperymenty te polegały na bombardowaniu cienkich folii złota cząstkami alfa emitowanymi przez izotop promieniotwórczy.

 

Get the Flash Player to see this player.
Otwórz w nowym oknie
Zaobserwowano, że niektóre cząstki alfa „odbijały się” od atomów złota, co było nie do pogodzenia z ówczesnym modelem atomu. Ernest Rutherford wyraził to następująco: „To było najbardziej niezwykłe wydarzenie w moim życiu. Niemal tak niezwykłe, jak gdybym wystrzelił kulę armatnią, która trafiając w papierową serwetę odbiłaby się do tyłu i ugodziła we mnie”.

 Kolejnymi kamieniami milowymi w rozwoju naszej wiedzy na temat jądra atomowego były: odkrycie neutronu w 1932 r., drugiego oprócz protonu składnika jądra, odkrycie mezonów, cząstek pośredniczących w przenoszeniu efektywnego oddziaływania jądrowego, a także stworzenie modelu kroplowego oraz modelu powłokowego jądra atomowego.

Codziennie jesteśmy świadkami zjawisk, które są wywołane przez procesy zachodzące w świecie jąder atomowych. Weźmy pod uwagę na przykład świecenie Słońca. Łączenie się dwóch jąder lekkich w jądro cięższe, czyli fuzja jądrowa, wyzwala ogromną ilość energii.

 

Get the Flash Player to see this player.
Otwórz w nowym oknie

Energia ta w przypadku jednego aktu fuzji prowadzącej do jądra cięższego jest miliony razy większa niż energia przypadająca na jeden atom w procesie spalania. To właśnie dzięki procesom fuzji jądrowej świeci Słońce, (jak i wszystkie gwiazdy), dostarczając na Ziemię energię niezbędną dla istnienia na naszej planecie życia. Praktycznie wszystkie pierwiastki oprócz wodoru i helu zawdzięczają swoje powstanie procesom jądrowym zachodzącym w gwiazdach.

Mimo ogromnego postępu na polu fizyki jądrowej, prawa rządzące reakcjami jądrowymi, jak i sama struktura jąder, ciągle jest pełna zagadek. W IFJ PAN prowadzi się zakrojone na szeroką skalę prace badawcze w dziedzinie fizyki jądrowej – w niektórych tematach Instytut może poszczycić się najwyższej klasy osiągnięciami. Ta strona internetowa zawierała będzie materiały ilustrujące w sposób popularnonaukowy przedsięwzięcia podejmowane w IFJ PAN w celu wyjaśnienia zagadek, które stawia przed nami mikroświat jądra atomowego.

Tekst: Bogdan Fornal; Jerzy Grębosz
Rysunki i animacje: Jerzy Grębosz