Nucleii atomici constau din protoni și neutroni. Protonii au o sarcină pozitivă, neutronii nu au sarcină electrică. Le ține împreună așa-numitele forță nucleară puternică (care poate depăși repulsia protonilor).

stabili

Modul în care funcționează acest lucru este oarecum analog cu legarea electronilor atomilor sau moleculelor. Prin urmare, poate fi utilizată o descriere similară, despre care vom vorbi aici.

Diferența este forța care este responsabilă de legare, în timp ce pentru electroni este o forță electrostatică, pentru nuclei este forța nucleară puternică menționată (pentru care nu cunoaștem legea simplă a forței sau nu există).

Cu toate acestea, este posibil să procedăm în mod analog pentru nuclee ca pentru atomi și molecule și să găsim paralele între fizica nucleară și chimie. Acesta este așa-numitul un model stratificat al nucleului, pentru care Maria Goeppert Mayer (ca a doua femeie) și Hans Jensen au primit Premiul Nobel pentru fizică în 1963 (cei doi au împărțit jumătatea Premiului Nobel, cealaltă jumătate în același an a fost acordată lui Eugene Wigner pentru o altă descoperire). Desigur, în spatele modelului stratificat se află calcule fizice cuantice complexe, dar rezultatele pot fi ilustrate în mod similar ca în chimie.

Particulele nucleului, protonii și neutronii încearcă să ocupe orbite în perechi (dar acestea arată diferit de cele pe care le cunoaștem din chimie). Orbitele sunt aranjate în straturi în funcție de energia în creștere (de aici și modelul stratului), stratul umplut este mai stabil decât parțial umplut. Există „scări” separate de orbite pentru protoni și neutroni (deci nu este ca un orbital să poată fi umplut de un proton și un neutron).

Din chimie ne amintim că atomii stabili (în termeni de electroni) erau cei care aveau un strat complet umplut de orbitali, așa-numitul dublet (heliu), resp. octet (alte gaze rare). Aceste elemente sunt foarte ușor reactive. Este similar pentru nuclee, numărul de protoni și electroni corespunzător straturilor solide corespunde nucleelor ​​stabile. Cu toate acestea, nu se numesc octeți, ci numere magice. Dacă un nucleu are un număr magic de protoni și neutroni, acesta este numit de două ori mai magic și un astfel de nucleu este deosebit de stabil.

Alte nuclee sunt mai puțin stabile decât foarte mult, depinde de ocupația specifică a orbitelor. Cei cu ocuparea cea mai nefavorabilă sunt radioactivi și sunt stabilizați de radiația unor particule. În mod similar, atomii reactivi sunt stabilizați prin pierderea sau absorbția electronilor.

Radiația alfa este de fapt emisia a doi protoni și neutroni, nucleii de heliu. Radiația beta este cauzată de un (anti) electron radiat care apare atunci când un neutron este transformat într-un proton (sau invers).

Și ce zici de radiațiile gamma? Este emisia de energie în exces sub formă de radiație electromagnetică. Acesta este modul în care nu se comportă nucleele instabile, ci nucleele care se află într-o stare excitată, ceea ce înseamnă că o particulă a sărit pe orbita unui strat superior. Se stabilizează prin radierea excesului de energie. Și pentru că diferențele de energie dintre orbitele nucleare sunt mari, este vorba de radiații gamma de mare energie și nu de razele UV sau de lumina vizibilă ca în cazul atomilor și moleculelor în care electronii sar între niveluri.

Cum se poate forma un astfel de atom? De exemplu, prin decăderea radioactivă a unui nucleu mai greu, unde energia utilizată pentru excitație provine din energia eliberată în timpul decăderii (iar restul energiei este tradițional convertită în energia cinetică a particulelor zburătoare).

Modelul stratificat este ilustrativ și explică multe, dar conține mai multe aproximări. Una este înlocuirea relației necunoscute pentru forța nucleară puternică cu relații model (ghicite). A doua este însăși esența modelului stratificat, care este doar o soluție aproximativă și nu exactă la ecuațiile cuantice-fizice pentru multe particule care interacționează (același lucru este valabil și pentru modelul stratificat din chimie, deci există atât de multe excepții încât adorat atât de mult la școală). Prin urmare, fizicienii lucrează pentru a dezvolta metode care ne vor permite să prezicem stabilitatea nucleelor ​​cu mai multă precizie, ceea ce poate ajuta, de exemplu, la găsirea de noi izotopi stabili sau elemente grele la sfârșitul tabelului periodic.

Deci, de ce sunt unele elemente radioactive? Deoarece nucleul cel mai stabil posibil cu un număr dat de protoni și neutroni este încă instabil, deoarece forțele care dețin particulele din nucleu nu permit să asambleze ceva mai stabil. La fel ca elementele cu un număr de electroni, acestea sunt foarte reactive și, ca și casele compuse din unele numere de cărți, sunt mai predispuse la decădere.

PS: Imaginea prezintă un proton din punctul de vedere al cromodinamicii cuantice, aceasta este cea mai exactă idee fizică a noastră a ceea ce se întâmplă de fapt în nucleele atomice.