28-1 Nukleóny

28-1 Nukleóny; 28-2 Modely jadra; 28-3 Hmotnostný defekt a väzbová energia jadra; 28-4 Hmotnostný defekt a jadrové reakcie; 28-5 Fúzia a štiepenie jadier; 28-6 Potenciálna bariéra jadra; 28-7 Tunelový jav; 28-8 Alfa rozpad a reakcie nabitých častíc;

Úlohy

28-1 Nukleóny

Zmienili sme sa o tom, že dávnejšie mali predstavu o jadre atómu pozostávajúceho z protónov a elektrónov. Túto myšlienku zavrhli až po roku 1920 vďaka rozvíjajúcej sa kvantovej mechaniky. V roku 1920 Rutherford predpokladal – bez toho, že by ho v tom utvrdili experimentálne údaje – existenciu kompaktnej elektricky neutrálnej častice, ktorej už dal aj meno: neutrón.

Skutočný dôkaz sa nepodarilo predložiť až do roku 1930. Vtedy si W. Bothe¹, nemecký fyzik všimol, že keď bombarduje berýlium časticami alfa z rozpadu polónia, vznikne prenikavé a veľmi zvláštne žiarenie. Na žiarenie nepôsobilo magnetické pole, preto sa Bothe domnieval, že sa jedná o vysoko energetické fotóny. James Chadwick², Rutherfordov spolupracovník, však v roku 1932 potvrdil, že žiarenie pozostáva z takých častíc, ktorých hmotnosť je zhodná s hmotnosťou protónu. Nakoľko Rutherford už predstihom časticu pomenoval, Botheho experiment môžeme zapísať nasledovne

$_{4}^{9} Be +_{2}^{4} He \to_{6}^{12} C +_{0}^{1} n .$

Stalo sa evidentným, že v jadre sa nachádzajú neutróny, a rôzne izotopy bolo možné jednoznačne popísať počtom protónov a neutrónov v jadre atómu. Zvláštne je, že neutróny v jadre atómu sa väčšinou javia ako stabilné (napr. v deutériu), kým voľné neutróny, neutróny mimo jadro sa chovajú odlišne, rozpadajú sa. Polčas rozpadu neutrónu je $10 min$ , a sa rozpadá na jeden protón a jeden elektrón:

$_{0}^{1} n \to_{1}^{1} p +_{0}^{- 1} e .$

Neutróny sú ideálnymi bombardujúcimi časticami pre skúmanie vlastností jadier atómu. Nemajú elektrický náboj preto na ne nepôsobí odpudivá elektrická sila jadra, a prenikajú aj do najťažších jadier. Poznamenáme, že kým v ľahkých stabilných jadrách je počet protónov a neutrónov približne rovnaký, tak v stredne ťažkých stabilných jadrách je približne o 20 % viac neutrónov, než protónov, a v najťažších jadrách ako urán je tento prebytok už 50 %. Tento posun v pomere protónov a neutrónov je dôsledkom toho, že protóny v jadre sa všetky vzájomne odpudzujú, kým sily, ktoré ich držia pohromade pôsobia len na veľmi krátke vzdialenosti. Jadro preto je stabilné len vtedy, ak počet neutrónov prevyšuje počet neutrónov.

¹Walter Bothe [valter bóte] (08.01.1891-08.02.1957) nemecký fyzik, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 1954 „za metódu koincidencie a objavy, ktoré sa s ňou dosiahli.“ O Nobelovu cenu sa delil s Maxom Bornom, ktorý ho získal „za jeho základný výskum v kvantovej mechanike, najmä za jeho štatistickú interpretáciu vlnovej funkcie“.
Čo je metóda koincidencie? Je to prepojenie viac zariadení, najčastejšie rôznych detektorov – prepojením sa sleduje presná časová odozva z detektorov, či sú súčasné, alebo časovo posunuté. Napríklad pri Comptonovom rozptyle je odrazený fotón a súčasne vyrazený elektrón. Ak sú fotón a elektrón zaregistrované súčasne, potom skoro s istotou môžeme prehlásiť, že sú produktmi jedného rozptylu. Procesy pri bombardovaní sú rýchle, preto zaznamenávanie absolútneho času signálu z jednotlivých detektorov neodhalí, či signály sú dôsledkom jedného procesu alebo nie. Pri koincidencii, tj. „súčasnom“ zaznamenaní signálov z dvoch detektorov, sa sleduje časový odstup medzi signálmi, ktorý sa vie merať napriek tomu, že sa jedná o milióntiny sekundy. Bothe v metóde filmoval prístroje, dnes sa to rieši čisto elektronicky. Touto metódou je možné získať výrazne bohatšie údaje o priebehu experimentu, než čisto detegovaním častíc experimentu.

²Sir James Chadwick [džejms čedvick] (20.10.1891-24.07.1974), anglický fyzik, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku za rok 1935 „za objavenie neutrónu“. Zúčastnila sa projektu Manhattan, na vývoji prvej atómovej bomby, kam prešiel po zlúčení s podobným britským projektom, na ktorý však počas druhej svetovej vojny Veľká Británia spolu s Kanadou nemali dostatok zdrojov. Projekt s krycím menom Tube Alloys bol zahájený ešte pred projektom Manhattan a jeho výsledky dali veľký začiatočný impulz projektu Spojených štátov.

28-2 Modely jadra