Fizica nucleului

III.5. METODE NUCLEARE DE STUDIU A SISTEMELOR MATERIALE

Sfârşitul secolului XIX şi începutul secolului XX este caracterizat printr-o serie de mari descoperiri ştiinţifice, cum sunt: razele X (Röentgen – 1895); radioactivitatea sărurilor naturale de uraniu (Becquerel – 1896); detectorul de radiaţii cu descărcări în gaze (Rutheford şi Geiger – 1908); reacţiile nucleare (Rutheford – 1917); neutronul (Chadwick – 1932) cât şi realizări teoretice: teoria cuantelor (Max Planck – 1900); teoria relativităţii restrânse (Einstein – 1905), care au impulsionat dezvoltarea deosebită a fizicii la nivel subatomic. Printre aceste descoperiri fac parte şi cele legate de structura atomului: nucleu şi electroni. Nucleul la rândul lui s-a dovedit a fi compus din nucleoni: neutroni şi protoni. Studiul proprietăţilor nucleului a deschis un orizont nebănuit în dezvoltarea ştiinţei şi tehnicii cât şi în perspectiva rezolvării energiei viitorului.

III. 5.1. CARACTERIZAREA GENERALĂ A NUCLEULUI

1. Masa nucleului A. Se determină cu spectrografe de masă. Avându-se în vedere masa deosebit de mică în locul unităţii kg se utilizează unitatea de masă atomică.

Unitatea de masă atomică este o unitate relativă şi anume din masa radionuclidului 12C:

Conform relaţiei lui Einstein , unităţii de masă atomică îi corespunde energia E0:

2. Sarcina nucleului Z. Din experienţele lui Rutheford şi Chadwick referitor la împrăştierea radiaţiilor în interacţiunea cu un nucleu s-a ajuns la concluzia că sarcina Z corespunde cu numărul de ordine al elementului în sistemul periodic şi este un multiplu cu semn pozitiv al sarcinii electronului , unde C.

3. Câmpul şi raza nucleului. Experienţele de împrăştiere a radiaţiilor  de către un nucleu şi de asemenea studiul atenuării fasciculelor de electroni atunci când trec prin materie au arătat că în interiorul atomului există un nucleu care are proprietatea de a manifesta unele forţe numite forţe nucleare ce acţionează pe distanţe scurte şi sunt superioare forţei coulombiene pe aceste distanţe. Toate particulele  care se apropie la o distanţă R0 de nucleu sunt captate, deşi conform legilor electrostatice trebuie să fie respinse. Reprezentând grafic potenţialul între nucleu şi particula  cu care se face bombardarea nucleului, se constată că la micşorarea distanţei între nucleu şi particula , potenţialul forţelor de respingere între nucleu şi particulă U creşte conform legii lui Coulomb, până la o distanţă R0, pentru care particula este captată de nucleu ca şi cum nucleul şi-ar schimba sarcina. În figura III.5.1 în care se reprezintă variaţia potenţialului U în funcţie de distanţa între nucleu şi particula  cu sarcină 2e, apare o scădere bruscă a potenţialului când R scade spre R0. Curba potenţialului are forma unei gropi numită groapa de potenţial. Nucleul se poate aşeza pe diferite nivele de excitaţie în groapa de potenţial.

Distanţa R0 este distanţa până la care acţionează forţele nucleare şi este definită ca rază a nucleului.

În studiul dezintegrării prin radiaţii  a

nucleelor se stabileşte relaţia între masa atomică şi raza nucleului: (m) unde R0 se exprimă în m, iar A în u.

Considerând nucleul ca un corp sferic, se poate calcula volumul şi densitatea nucleului:

Densitatea H a nucleului de hidrogen calculată cu relaţia de mai sus este:

adică masa unui volum de 1 cm3 de nucleu ar fi egală cu 100 milioane de tone.

4. Componenţa nucleului. Un nucleu se compune din particulele elementare numite nucleoni. Aceştia sunt de două tipuri: neutroni şi protoni. Numărul de protoni este întotdeauna egal cu numărul de ordine Z, iar numărul de neutroni este egal cu diferenţa A – Z.

5. Spinul nucleului. Studiul structurii liniilor spectrale fine în câmp magnetic, a arătat că aceste linii se transformă în dubleţi. Apariţia dubleţilor este explicată prin spinul electronului. La rândul lor dubleţii au o structură hiperfină compusă din câte două linii corespunzătoare fiecărei linii a dubleţilor. Existenţa structurii hiperfine se explică numai prin momentul cinetic de rotaţie al nucleului care se adaugă spinului electronilor.

6. Izotopi. Nucleele sunt caracterizate prin sarcina Z şi numărul de masă A. În sistemul periodic sunt catalogate 92 elemente naturale şi altele artificiale departajate de numărul de protoni ai fiecărui atom. Acest număr corespunde cu numărul de electroni şi cu poziţia din sistemul periodic.

Izotopii sunt atomi sau nuclee caracterizate prin masele atomice diferite între ele însă cu acelaşi număr Z de electroni în stare neexcitată sau de protoni.

Sistemul periodic cuprinde aproximativ 1000 de specii de nuclee caracterizate prin numărul A sau Z diferit. Izotopii se află în proporţii diferite. Elementul H are trei izotopi care la nivel de atomi au denumirea; hidrogen , deuteriu , tritiu , iar la nivel de nucleu au denumirea: proton, deuteron, triton. Celelalte elemente au izotopi cu denumire specială.

Proporţia în care se află izotopii unui element poartă denumirea de abundenţă izotopică.

În cazul elementelor H şi Si masele atomice A şi abundenţele izotopice P sunt repartizate după cum urmează:

Nucleele pentru care abundenţa atomică este 0%, nu se află în natură, deoarece se dezintegrează foarte rapid.

Izomerii sunt nuclee caracterizate cu aceleaşi numere A şi Z însă au perioade de înjumătăţire diferite.

Elementul In are mai mulţi izomeri: In-110, cu perioadele de înjumătăţire 5,0 ore şi 66 min.; In-112, cu perioadele de înjumătăţire 21 min. şi 14,5 min.; In-115, cu perioadele de înjumătăţire 4,5 ore şi 61014 ani; In-117, cu perioadele de înjumătăţire: 1,9 ore şi 1,1 ore.

III. 5.2. STRUCTURA NUCLEULUI ŞI ENERGIA DE LEGĂTURĂ

Încercările de a pune în concordanţă echilibrul între forţele centrifuge ale electronilor de pe orbite şi forţele de atracţie coulombiene a dus la acceptarea existenţei în interiorul nucleului a protonilor care ar da masa nucleului. Pentru cei A protoni ar exista un număr A – Z electroni care să compenseze plusul de sarcină pozitivă a nucleului. Acest model ar explica emisia beta minus, emisie rezultată din deplasarea unui electron din interiorul nucleului în exteriorul său. Modelul nucleului compus din protoni şi electroni a dus la un impas al fizicii atunci când s-au studiat proprietăţile spectrale ale nucleului N. de asemenea, măsurătorile de moment magnetic al spinului nuclear nu erau în concordanţă cu acest model, deoarece momentele magnetice ale electronilor din nucleu ar trebui să fie mai mari decât cele măsurate pe cale experimentală.

Descoperirea neutronului a permis înlocuirea de către Heisenberg a modelului proton-electron cu modelul proton-neutron în care nucleul are Z protoni şi A – Z neutroni.