Budowa jądra atomowego – chemia

W roku 1911 fizyk E. Rutherford eksperymentalnie dowiódł istnienia jądra atomowego. Z doświadczenia, które przeprowadził, wynikało, że masa i cały dodatni ładunek atomu skupione są w bardzo małej objętości, którą później nazwano jądrem atomu.

Rozmiary jądra atomowego są rzędu 10^-14-10^-15 m. Ponieważ odległości pomiędzy znajdującymi się w jądrze protonami są niezwykle małe, występują w nim znaczne siły odpychania elektrostatycznego. Pomimo to jądra większości atomów pozostają układami trwałymi. Dzieje się tak dlatego, że w jądrze występują siły przyciągania między protonami i neutronami nazywane siłami jądrowymi (naturą takich oddziaływań zajmuje się fizyka jądrowa). Cechą charakterystyczną tych sił jest fakt, że zanikają bardzo szybko w miarę zwiększania odległości pomiędzy cząstkami im podlegającymi (są to siły o bardzo małym zasięgu).

Jądro atomu zbudowane jest z dwóch rodzajów cząstek elementarnych: protonów i neutronów zwanych ogólnie nukleonami.

Energię wiązania nukleonów w jądrze można obliczyć, co zostanie zaprezentowane poniżej na przykładzie trwałego izotopu rubidu . Jego atom zbudowany jest z 37 protonów, 48 neutronów i 37 elektronów. Gdyby wszystkie te cząsteczki znajdowałyby się w stanie wolnym ich łączna masa, wynosiłaby:

masa 37 elektronów                           370,0005485799 = 0,0202974563 u

masa 37 protonów                              371,007276740   =  37,26922939   u

masa 48 neutronów                            481,008664904   = 48,415915392  u

                                                                                       85,7054422383 u

Najdokładniejsza masa atomowa wynosi natomiast 84,911800 u. Z obliczeń wynika więc, że masa ta jest o 0,7936422383 mniejsza, niż wynikałoby z prostej sumy cząstek składowych. Z teorii względności Einstaina wynika natomiast, że w przyrodzie mogą zachodzić procesy, w których masa układu ulega zmianie wskutek wymiany z otoczeniem nie tylko masy, a również energii. Innymi słowy, ubytek masy jądra został zamieniony na energię, którą nazywamy energią wiązania jądra. Taką samą ilość energii należałoby dostarczyć, aby jadro rozbić na wolne nukleony.

Dokładne rozważania składu jader wykazały, że trwałe są jadra o określonym stosunku neutronów do protonów. W trwałych jądrach, których liczba atomowa nie przekracza 20, stosunek liczby protonów do neutronów równy jest 1:1 w miarę zwiększania liczby atomowej, stosunek ten wzrasta do 10:16. Zwiększenie liczby protonów lub neutronów (względem stosunku 1:1 lub 10:16), powoduje nietrwałość jądra atomowego, co prowadzi do przemian (promieniowania naturalnego), prowadzących do utworzenia trwałego jądra.