Make your own free website on Tripod.com

NUKLEARNA FIZIKA

Nuklearna fizika je dio fizike koji se bavi gra|om i procesima u atomskoj jezgri. Ona zapo~inje, mo`e se uzeti 1911. eksperimentima Rutherforda, Geigera, Nuttala i Marsdena. E. Rutherford je prou~avao prolaz alfa zraka kroz tanke listi}e zlata i ustanovio da alfa zrake prolaze kroz listi}e ~ija je debljina ekvivalentna debljini nekoliko hiljada atoma zlata. Na osnovu toga Rutherford je zaklju~io, da su atomi "{upljikavi", te da stvarni prosotor, prostor koji tvar zauzima mora biti daleko manji od samog atoma. Daljnjim ispitivanjima zaklju~io je da u atomu mora postojati centralno tijelo poztivna naboja, ~ije su dimenzije reda veli~ine od 1-10 X 10 na (-13)cm, dakle, gotovo stotinu hiljada puta manje od promjera atoma. To ga je ponukalo da atom zamisli kao sun~ev sistem u minijaturi, t.j. kao sistem od te{ke jezgre, oko koje se okre}u elektroni. Jezgra nosi pozitivan naboj Z, izra`en u jedinicama elektronskog naboja, jednak rednom broju doti~nog elementa u periodnom sistemu.

modeli atoma.bmp (1040130 bytes)

Nakon otkri}a atomske jezgre postavilo se pitanje njena sastava. Znalo se da jezgra nosi uglavnom svu masu atoma, dok elektroni imaju malo udjela u tome. Bilo je te{ko pretpostaviti da svaka jezgra predstavlja posebnu elementarnu ~esticu. Zbog toga je pronalazak izotopa, na osnovu kojega je pokazano da su te`ine atoma gotovo jednake cjelobrojnim vi{ekratnicima te`ine najlak{eg atoma, t.j. vodikova atoma, ponovo akuelizirao Proutovu hipotezu (1815-16) prema kojoj bi sve jezgre bile izgra|ene od vodikovih jezgara. Jezgra vodika ili proton bila bi prema tome uz elektron jedina elementarna ~estica. Naboj protona jednak je naboju elektrona (zbog neutralnosti vodikova atoma) i protivnog predznaka. Kako se masa jezgre pokazala, grubo uzeto, dvostruka od njena naboja (sve izra`eno u jedinicama jezgre vodika) pretpostavilo se, da se u jezgri, uz protone, nalaze i elektroni, koji kompenziraju naboj suvi{nih protona. Tome u prilog i{la je i op}e poznata ~injenica, da pojedine atomske jezgre izbacuju iz sebe elektrone. Zakoni beta radioaktivnosti govorili su u prilog te hipoteze.

izotopi hidrogena.bmp (600762 bytes)

Nekoliko godina kasnije, otkriveno je da se elektroni ne mogu ni u kojem slu~aju stalno nalaziti u jezgri, nego se u njoj stvaraju neposredno prije emisije. Trebalo je, dakle, tra`iti sastojke jezgre. atom.bmp (33614 bytes) God. 1932. otkrio je Chadwick novu elementarnu ~esticu, neutron. Neutron je ~estica bez naboja, s masom od prilike jednakoj masi protona. Iste godine Heisenberg je pretpostavio da je neutron sastavni dio jezgre: jezgra je sastavljena od protona i neutrona. Na taj na~in je obja{njeno za{to se naboj jezgre razlikuje od njene mase: neutroni, kao neutralne ~estice, pridonose samo masi, a ne i naboju.

Broj protona u jezgri odre|uje njen naboj, koji je jednak rednom broju elementa. Broj protona u jezgri je za dani element stalan i odre|uje njegova svojstva. Broj neutrona kod jezgara jednog istog elementa ne mora biti stalan. Jezgre istog elementa, koje se razlikuju samo u broju neutrona zovu se izotopne jezgre. Proton i neutron, ~estice koje izgra|uju atomsku jezgru (nukleus) zovu se jednim imenom nukleoni.

Danas jo{ nije poznata priroda tzv. nuklearnih sila koje dr`e nukleone na okupu u atomskoj jezgri. O njoj se zna samo toliko da je u su{tini razli~ita od gravitacionih i elektromagnetskih sila, da je izvanredno jaka, privla~na i kratkog dosega. U posljednje vrijeme pretpostavlja se da se nuklearno me|udjelovanje odvija putem virtuelne emisije apsorpcije pi-mezona. Ta, tzv. mezonska teorija nuklearnih sila koju je postavio Yukawa 1935., iako kvalitativno obja{njava niz svojstava nuklearnih sila, nailazi danas na niz principijelnih pote{ko}a i nije op}enito primljena.

Protoni uz ~esto nuklearno me|udjelovanje odbijaju se jedan od drugoga i elektrostatski, zbog svog pozitivnog elektri~nog naboja. Nuklearne sile moraju biti dovoljno jake da kompenziraju odbijanje. Budu}i da su neutroni nosioci ~isto nuklearnog privla~nog me|udjelovanja, jasno je, da }e kod te`ih jezgara, gdje je broj protona ve}i, trebati i vi{e neutrona da kompenziraju elektrostatsko odbijanje. Zbog toga kod tih jezgara broj neutrona raste br`e nego broj protona.

Kao {to se malo zna o prirodi nuklearnih sila, tako se isto malo zna i o strukturi jezgre, t.j. o na~inu kako bi nukleoni raspore|eni u jezgri. U nedostatku teorija, koje bi dale raspored nukleona u jezgri, fizika pribjegava modelima na osnovu kojih poku{ava prora~unati svojstva atomskih jezgara. Me|u najpoznatije modele spadaju modeli kapljice(N.Bohr,1953.), koji atomsku jezgru uspore|uje sa kapljicom teku}ine, te model ljuske, koji pretpostavlja da su nukleoni u jezgri poredani, te model ljuske, koji pretpostavlja da su nukleoni u jezgri poredani u pravilnim ljuskama, sli~no elektronima u atomskom pla{tu (M.Gopert-Mayer,1950.). Unificirani model(N.Bohr, 1953.) poku{ava spojiti svojstva tih dvaju modela u jednu cjelinu.

Atomske jezgre imaju svoj vlastiti angularni moment, nuklearni spin, koji se o~ituje u tzv. hiperfinoj strukturi atomskih spektara. Svojstvo spina subatomskih ~estica otkrili su 1927. Stern i Gerlach. Mjerenje spina nekih atomskih jezgara bio je prvi nepobitni dokaz da elektroni ne mogu predstavljati sastavne dijelove jezgre.

Nuklearne transmutacije

Godine 1895.supruzi Curie otkrili su spontani raspad atomskih jezgara, radioaktivnost .

Oni su otkrili da atomske jezgre nekih elemenata emitiraju same od sebe zra~enja, koja su oni nazvali alfa, beta i gama zra~enja. Emitiranjem alfa i beta zra~enja atomske jezgre prelaze jedna u drugu. Time je otkrivena spontana nuklearna transmutacija. Prvu umjetnu transmutaciju izveo je E. Rutherford. Bombardiraju}i du{ik alfa-~esticama dobio je kao produkte bombardiranja kisik i vodik. Na taj na~in u principu bio je rije{en problem alkemi~ara, kako da jadan element pretvore u drugi. Eksperiment E. Rutherforda bio je primjer tzv. nuklearne reakcije, t.j. reakcije kod koje se bombardiranjem atomske jezgre vrlo brzim nuklearnim projektilima(obi~no protonima, deuteronima i alfa-~esticama) izaziva njena transmutacija u jednu ili vi{e novih jezgra. Nuklearne reakcije, koje se danas vr{e uz pomo} sna`nih akceleratora nuklearnih ~estica: ciklotrona, sinhrotrona, betatrona i dr. danas su osnovni na~in izu~avanja nuklearne strukture i nuklearnih sila. Jedna od najpoznatijih reakcija je nuklearna fisija ili cijepanje atomske jezgre na dva podjednaka dijela "Lan~ana reakcija".