Budowa atomu i jądra atomowego

Materia

Obserwując dowolny przedmiot na Ziemi można bez trudu dostrzec jego kształt, konsystencję czy barwę. Mniejsze przedmioty obserwuje się przy pomocy urządzeń powiększających, takich jak lupa czy mikroskop. Gdyby udało się nam jeszcze głębiej wniknąć w materię, naszym urządzeniom pomiarowym ukazałyby się atomy, stanowiące główny budulec materii występującej we wszechświecie.

 

GRAFIKA_BUDOWA ATOMU
 

Pierwotnie sądzono, iż atomy są najmniejszymi, całkowicie niepodzielnymi cegiełkami materii. Dziś wiemy, iż składają się one z masywnego jądra otoczonego chmurą lekkich elektronów. Rozmiary i masy atomów mogą się różnić w zależności od typu pierwiastka chemicznego, jednakże ich średnie wartości wynoszą odpowiednio ok. 10-10 m i 10-26 kg. Nic więc dziwnego, iż atomy nie są dostrzegalne gołym okiem.

Obserwacja atomów oraz ich elementów składowych jest możliwa wyłącznie za pomocą specjalistycznej aparatury, takiej jak np. mikroskop elektronowy czy akceleratory.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Materia jest formą energii, i odwrotnie. W wielu eksperymentach możliwa jest zamiana materii „m” na energię „E”, co zapisać można za pomocą słynnego wzoru Einsteina: E=mc2.

Budowa atomu

Centralną częścią każdego atomu jest jego jądro. Posiada ono ładunek dodatni, w przeciwieństwie do otaczających go ujemnie naładowanych elektronów. Elektrony krążą wokół jądra po ściśle ustalonych powłokach stanowiąc tzw. chmurę elektronową. Jeśli całkowity ładunek chmury elektronowej będzie równy ładunkowi jądra, wówczas atom jako całość będzie elektrycznie obojętny. W pewnych warunkach możliwy jest niedobór bądź nadmiar elektronów. W takiej sytuacji atom nazywamy dodatnio bądź ujemnie naładowanym jonem.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Zjawisko oddzielania elektronów od jąder atomowych nazywa się jonizacją. W wyniku zajścia aktów jonizacji otrzymuje się ładunki ujemne (elektrony) oraz dodatnie (jony).

Elektrony są najmniejszymi i najmniej masywnymi cząstkami wchodzącymi w skład atomu. Ich masa wynosi ok. 9,11×10-31 kg, a ładunek jakim są obdarzone definiuje tzw. ładunek elementarny „e”.

Elektrony związane są z jądrem poprzez oddziaływanie elektromagnetyczne i pozwalają atomom łączyć się w cząsteczki, gdyż chmura elektronów i jej struktura odpowiada bezpośrednio za własności chemiczne i magnetyczne.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Oprócz powszechnie występujących ujemnie naładowanych elektronów występują także dodatnio naładowane antyelektrony, zwane pozytonami. Obecnie uważa się, iż elektrony i pozytony są niepodzielne, czyli nie posiadają swojej wewnętrznej struktury.
czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Elektron jest najpowszechniej występującym przedstawicielem rodziny leptonów naładowanych, czyli cząstek do których należą także mion (µ) oraz taon (τ), a także odpowiadające im antycząstki. Do grupy leptonów obojętnych należą neutrina. Leptony, obok kwarków, są podstawowym i niepodzielnym budulcem materii.

Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów. Protony posiadają ładunek dodatni oraz masę 1,673×10-27 kg. Decydują też o miejscu danego atomu w układzie okresowym pierwiastków. Z kolei neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego, zaś ich masa jest zbliżona do masy protonu i wynosi 1,675×10-27 kg. Zarówno neutrony jak i protony mają podobną średnicę równą ok. 2,5×10-15 m.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
W pewnych warunkach istnieje możliwość laboratoryjnego wytworzenia ujemnie naładowanych protonów (tzw. antyprotonów). Antyprotony wraz z otaczającymi ich pozytonami (antyelektronami) stanowią tzw. antymaterię.
czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Nukleony, czyli protony i neutrony, należą do rodziny cząstek zwanych barionami. Do tej samej rodziny należą tzw. hiperony, czyli cząstki posiadające niektóre właściwości zbliżone do nukleonów i niewiele większą od nich masę. W związku z tym w pewnych warunkach składnikami jądra atomowego, oprócz protonów i neutronów, mogą być hiperony. Mówimy wówczas o tzw. hiperjądrach i hiperatomach. Pierwszy raz hiperjądro zostało zaobserwowane w 1952 roku w Warszawie przez profesorów Mariana Danysza i Jerzego Pniewskiego.

GRAFIKA_SCHEMAT ATOMU

Wizja atomu najbliższa rzeczywistości

Jądro atomowe

Neutrony i protony, noszące wspólną nazwę nukleonów, stanowią budulec jądra atomowego, które jest średnio ok. 20 000 razy mniejsze od całego atomu i stanowi niemal całą jego masę (ok. 99,9%). Gęstość materii w jądrze jest ogromna i wynosi 2,8×1017 kg/m3, czyli 24 biliony razy więcej niż gęstość ołowiu.

 

GRAFIKA_STADION

Gdyby jądro powiększyć do rozmiarów monety, wówczas cały atom miałby rozmiar stadionu. Wnioskować można, iż atom w zdecydowanej większości jest pusty w środku.

 

Oddziaływania pomiędzy poszczególnymi nukleonami świadczą o istnieniu tzw. sił jądrowych, które różnią się od dużo słabszych oddziaływań grawitacyjnych czy elektromagnetycznych. Siły jądrowe są krótkozasięgowe, zanikają w odległości ok. 2×10-15 m, i są niezależne od ładunku elektrycznego. Oznacza to, że nie rozróżniają one typów nukleonów (czyli protonów od neutronów) i wiążą je ze sobą na niewielkich odległościach w obrębie samego jądra.

W powszechnej świadomości utarła się wizja jądra jako zwartego obiektu złożonego ze ściśle połączonych ze sobą nukleonów. Jednakże wiele eksperymentów wykazało, iż wewnętrzna struktura jądra jest dużo bardziej skomplikowana, a nukleony układają się w powłoki.

Schodząc na jeszcze głębszy poziom dowiemy się, iż nukleony posiadają także swoją wewnętrzną strukturę. Zbudowane są z kwarków – silnie oddziałujących cząstek elementarnych, które samodzielnie nigdy nie mogą występować w przyrodzie. Znanych jest sześć typów kwarków i tyleż samo antykwarków, jednakże nukleony składają się tylko z dwóch z nich, tzw. kwarków górnych („u”) oraz dolnych („d”). Proton posiada skład kwarkowy „uud”, natomiast neutron „udd”.

Jak dotąd nikomu nie udało się odkryć wewnętrznej struktury kwarków, toteż przyjmuje się je za najmniejsze i niepodzielne cząstki stanowiące budulec jąder atomowych.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Składnikami nukleonów, oprócz kwarków, są także gluony. Gluony są przedstawicielami rodziny bozonów cechowania, czyli cząstek przenoszących oddziaływania. Gluon jest więc cząstką przenoszącą oddziaływania między kwarkami, „sklejającą” kwarki ze sobą. Wszystkie kwarki, antykwarki oraz gluony noszą ogólną nazwę partonów, czyli rodziny cząstek wchodzących w skład hadronów. Do olbrzymiej rodziny hadronów (w sumie ponad 100 cząstek) należą m.in. proton i neutron.

Izotopy

GRAFIKA_SCIEZKA STAB IZOTOPOW

Ścieżka stabilności izotopów (zwana tabelą nuklidów)

 

Każdy atom charakteryzuje się liczbą atomową Z (zwaną też liczbą porządkową) mówiącą o tym ile jest protonów w jądrze, a także liczbą masowąAbędąca sumą liczby protonów i neutronów.

O ile dla danego pierwiastka liczba protonów jest stała, o tyle liczba neutronów może się zmieniać. Atomy danego pierwiastka różniące się jedynie liczbą neutronów w jądrze nazywamy izotopami. Zdecydowana większość pierwiastków posiada wiele, nawet kilkadziesiąt własnych izotopów, czego przykładem jest chociażby rad (34 znane izotopy) czy wodór (3 izotopy, w tym deuter i tryt). Poszczególne izotopy mogą być stabilne lub niestabilne, o czym decyduje m.in. wypadkowa wszystkich oddziaływań zachodzących wewnątrz jądra. Izotopy niestabilne mogą ulec rozpadowi promieniotwórczemu, w wyniku czego emitowane jest promieniowanie jonizujące. Efekt ten popularnie nazywany jest radioaktywnością i dotyczy większości izotopów występujących w przyrodzie lub wytworzonych sztucznie przez człowieka.

czy_wiesz_ze_giwazdka
Czy wiesz, że...
Nuklid jest to jądro atomowe posiadające pewną określoną liczbę protonów i neutronów. Grupa jednakowych nuklidów stanowi izotop danego pierwiastka.