fizika za osnovce
Radioaktivnost
Struktura atoma i nuklearne sile
Još u antičkom svetu filozofi su razmišljali o građi supstance. U to vreme postojale su dve struje - po jednoj struji, supstancu je moguće deliti do beskonačnosti, a po drugoj struji su postojali najmanji delovi supstance koji ne mogu da se dele. Te delove supstance su nazvali atomima (od grčke reči koja znači "nedeljiv"). U današnje vreme (od hemičara Daltona koji je radio na početku 19. veka) se smatra da je ova druga struja grčkih filozofa bila u pravu.
Atomi su najmanji delovi nekog hemijskog elementa koji zadržavaju njegova svojstva. Atomi se međusobno povezuju u molekule koji imaju različita svojstva od atoma koji ih čine.
Kako izgledaju atomi? Do odgovora na ovo pitanje naučnici su došli posle mnogo truda i vremena. Kroz istoriju (ne računamo stare Grke, koji su do svojih zaključaka dolazili isključivo razmišljanjem, a ne pomoću eksperimenata) razvijeno je više modela atoma (model - prikaz neke pojave, najčešće uprošćen tako da su odbačeni svi činioci koji ne utiču mnogo) koji su bili u skladu sa znanjem svog vremena.
Modeli atoma:
-
Tomsonov model (model pudinga od šljiva) - atom se sastoji od velikog pozitivno naelektrisanog jezgra za koje su zakačeni mali, negativno naelektrisani elektroni.
-
Raderfordov model (planetarni model) - atom se sastoji od pozitivno naelektrisanog jezgra oko kojeg (kao planete oko Sunca) kruže negativno naelektrisani elektroni.
-
Borov model (kvantni model) - poboljšan Raderfordov model, elektroni se kreću po tačno određenim putanjama (orbitalama). Borov model je tokom vremena poboljšavan, pa je originalni Borov model samo osnova današnjeg modela atoma.
Prema današnjim saznanjima atomi se sastoje od:
-
atomskog jezgra (nukleusa) - pozitivno naelektrisan deo atomakoji se sastoji od protona (p) i neutrona (n) (jednim imenom protoni i neutroni se zovu nukleoni) i
-
elektronskog omotača - negativno naelektrisan deo atoma koji se sastoji od elektrona (e).
U atomu se nalazi jednak broj protona i elektrona koji imaju jednake količine naelektrisanja suprotnih znakova, pa se atom kao celina ponaša elektroneutralno (kao da nije naelektrisan).
Broj protona u jezgru (p) (i elektrona u omotaču atoma) se obeležava slovom Z i zove se redni ili atomski broj, a broj nukleona (ukupan broj protona i neutrona) se obeležava slovom A i zove se maseni broj. Osim što pokazuje broj protona u jezgru atoma atomski broj pokazuje i mesto atoma u periodnom sistemu elemenata, a maseni broj, osim broja nukleona, pokazuje molarnu masu elementa.
U nazivu elementa tj. njegovoj oznaci redni broj se najčešće piše dole levo, a maseni broj se piše gore levo (videti sliku).
Na primeru litijuma vidimo da je redni broj Z = 3, a maseni broj A = 7. To znači da atom litijuma ima 3 protona u jezgru (i 3 elektrona u omotaču neutralnog atoma) i 7 nukleona. Pa možemo da izračunamo:
-
broj protona: p = Z = 3
-
broj elektrona: e = Z = 3
-
broj neutrona: p + n = A => n = A - p = 7 - 3 = 4
Izotopi - jezgra sa istim atomskim brojem Z a različitim masenim brojem A (različitim brojem neutrona)
Izobari - različita jezgra koji imaju isti broj nukleona(isti redni, a različit maseni broj)
Sve sile u prirodi spadaju u jednu od sledećih kategorija:
-
gravitacione sile - javljaju se između svih tela koja imaju masu
-
elektromagnetne sile - javljaju se između naelektrisanih tela
-
jaka nuklearne sila - javlja se između nukleona
-
slaba nuklearna sila - javlja se između nukleona
Jaka nuklearna sila je najjača vrsta sila u prirodi i odgovorna je za postojanje atomskog jezgra i ima sledeće osobine:
-
kratkog je dometa – radijus delovanja reda veličine 10 na -15 metara.
-
nezavisna je od naelektrisanja – iste sile deluju između dva protona, kao i između dva neutrona, odnosno između protona i neutrona
-
pokazuje svojstvo zasićenja – jedan nukleon interaguje samo sa nukleonima koji ga okružuju;
Slaba nuklearna sila je odgovorna za neke radioaktivne raspade tj. neki radioaktivni raspadi se odvijaju pod uticajem ove sile.
Prirodna radioaktivnost. Radioaktivno zračenje
Radioaktivnost je proces transformacije atomskog jezgra u drugo atomsko jezgro uz emisiju zračenja i energije. Ovako dobijeno zračenje se zove radioaktivno zračenje.
U slučaju da se proces transformacije jezgra odvija spontano reč je u prirodnoj radioaktivnosti, a u slučaju da je transformacija jezgra izazvana spoljašnjim uticajima reč je o veštačkoj (indukovanoj) radioaktivnosti.
α - raspad
Alfa raspad je transformacija jezgra sa rednim brojem Z i masenim brojem A u jezgro čije je maseni broj manji za 2 (Z-2) i masenim broj manji za 4 (A-4) uz emisiju α čestica (zračenja) i energije.
Kasnija istraživanja su pokazala da su alfa čestice jezgra atoma helijuma.
β - raspad
Beta raspad je transformacija jezgra u jezgro sa rednim brojem većim za 1 i istim masenim brojem uz emisiju β čestice (zračenja) i energije.
Kasnija istraživanja su pokazala da je beta čestica elektron.
Ovaj tip beta raspada se zove beta minus (β-) raspad, a osim njega postoji i beta plus (β+) raspad prilikom kog se ne emituje elektron, nego pozitron (pozitron je antičestica elektrona).
γ - raspad
Gama raspad je tip radioaktivnog raspada pri kojem se ne menjaju ni redni, ni maseni broj jezgra, već se jezgro oslobađa energije emitovanjem gama zračenja. Gama zračenje je, kao i svetlost, elektromagnetno zračenje, ali mnogo veće energije od vidljive svetlosti.
Ovaj tip zračenja se najčešće javlja posle alfa i beta raspada kada nastalo jezgro ima višak energije (nalazi se u pobuđenom stanju).
Različita jezgra imaju različite brzine raspada, pa se zato uvodi pojam period poluraspada. Period poluraspada je vreme za koje se raspadne polovina od početnog broja jezgara. Period poluraspada jezgara se nalazi u intervalu od nekoliko mikrosekundi do nekoliko milijardi godina.