چرا پروتونها در هسته همدیگر را دفع نمی کنند

فیزیک هسته‌ای شاخه‌ای از فیزیک است که به ساختار هسته، برهم‌کنش‌ها و فروپاشی هسته‌های اتمی می‌پردازد. بسیاری از پیشرفت‌ها در فیزیک هسته‌ای به دلیل تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های انجام شده در قرن گذشته توسط دانشمندان در زمینه‌های فیزیک و شیمی است.

ساختار مرکزی

کشف رادیواکتیویته طبیعی در سال 1896 میلادی توسط هانری بکرل، فیزیکدان فرانسوی، آغاز آگاهی از وجود هسته اتم بود. با کاوش در داخل اتم، در مرکز آن، هسته ای را می یابیم که شعاع آن 0.00001 برابر شعاع اتم است.

ساختار هسته یک اتم از نوترون ها و پروتون ها تشکیل شده است که معمولاً به آنها نوکلئون می گویند. نوترون اولین بار در سال 1932 توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز چادویک کشف شد. نوترون ها بار الکتریکی ندارند و جرم آنها کمی بیشتر از پروتون ها است. علاوه بر کیلوگرم، جرم اتم ها و همچنین جرم اتمی را نیز بیان می کند.

عدد جرمی و عدد اتمی در ساختار هسته

تعداد پروتون های هسته را عدد اتمی (Z) می نامند که برای عناصر مختلف متفاوت است. در یک اتم خنثی، تعداد پروتون های هسته برابر با تعداد الکترون های اطراف هسته است. تعداد نوترون های هسته را عدد نوترونی (N) و تعداد کل پروتون ها و نوترون ها را عدد جرمی (A) می گویند.

A=Z+N

تعداد نوترون + تعداد پروتون = عدد جرمی

برای عنصری با نماد شیمیایی X، نماد هسته در زیر نشان داده شده است.

لازم نیست N در نماد بالا مشخص شود، زیرا می توان آن را به دست آورد. همچنین از آنجایی که نماد شیمیایی عنصر نشان دهنده مقدار Z است، در بسیاری از موارد نمی توان به Z اشاره کرد.

ایزوتوپ ها

خواص هسته با تعداد پروتون ها و نوترون ها تعیین می شود. خواص شیمیایی هر اتم با تعداد پروتون های هسته تعیین می شود. به همین دلیل، هسته هایی که تعداد پروتون های یکسانی دارند اما تعداد نوترون های متفاوتی دارند، خواص شیمیایی یکسانی دارند. در نتیجه این هسته ها در جدول تناوبی عناصر در یک مکان یافت می شوند و ایزوتوپ نامیده می شوند.

به عنوان مثال، کربن در طبیعت به دو شکل پایدار و با درصد فراوانی بسیار متفاوت یافت می شود که یکی از آن ها (6 پروتون و 6 نوترون) و دیگری از (شش پروتون و هفت نوترون) تشکیل شده است. این دو هسته ایزوتوپ های کربن هستند.

جرم اتمی نمایش داده شده در جدول تناوبی عناصر، میانگین جرم اتمی ایزوتوپ های مختلف هر عنصر است که بر اساس درصد فراوانی آنها محاسبه می شود. به استثنای هیدروژن، ایزوتوپ های مختلف یک هسته با نام همان هسته مشخص می شوند.

ثبات هسته

ابعاد هسته در مقایسه با ابعاد اتم بسیار کوچکتر است، با وجود این، بیشتر جرم اتم، بیش از 99.9 درصد آن، در هسته متمرکز است. ترتیب قدر چگالی هسته 1014 است که بسیار بزرگ است.

به این شکل از هسته توجه کنید. به نظر می رسد که نوکلئون ها باید دور شوند. زیرا پروتون ها همگی دارای بار مثبت هستند و با نیروی الکترواستاتیک یکدیگر را دفع می کنند. در ابعاد هسته، نیروی دافعه الکترومغناطیسی بین دو پروتون بسیار زیاد است، در این صورت چه چیزی مانع از فروپاشی هسته می شود؟

از آنجایی که بسیاری از هسته های موجود در طبیعت پایدار هستند، می توان نتیجه گرفت که نیروی گرانشی اجزای هسته را در کنار هم نگه می دارد. از سوی دیگر، جاذبه نیروی گرانشی بین نوکلئون ها به قدری ضعیف است که نمی تواند با نیروی دافعه الکترواستاتیکی مبارزه کند. نیرویی که نوکلئون ها را در کنار هم نگه می دارد و هسته را تثبیت می کند نیروی هسته ای است.

قدرت هسته ای

نیروی هسته ای برد کوتاهی دارد و در فاصله ای کمتر از اندازه هسته عمل می کند. نیروی هسته ای مستقل از بار الکتریکی است، یعنی نیروی جاذبه هسته ای بین دو پروتون و دو نوترون یا بین یک پروتون و یک نوترون یکسان است. به همین دلیل از نظر نیروی هسته ای تفاوتی بین پروتون ها و نوترون ها وجود ندارد و به همین دلیل نام کلی نوکلئون به آن ها داده شده است.

در هسته یک نیروی خارجی سعی می کند ذرات را از هسته جدا کند و این نیرو دافعه الکترواستاتیکی است و نیروی جاذبه هسته ای سعی می کند ذرات را به هسته نزدیک کند. برای ثبات هسته، باید بین این دو نیرو تعادل برقرار شود. اما به دلیل نیروی الکترواستاتیک دوربرد، یک پروتون تمام پروتون های دیگر درون هسته را دفع می کند، در حالی که یک پروتون و یک نوترون تنها نزدیکترین نوکلئون های همسایه خود را با نیروی هسته جذب می کنند.

به همین دلیل وقتی تعداد پروتون های درون هسته زیاد می شود، اگر هسته بخواهد پایدار بماند، باید تعداد نوترون های درون هسته نیز افزایش یابد. با بزرگتر شدن اتم و افزایش تعداد پروتون ها، نیروی دافعه بین پروتون ها باعث می شود که برخی از پروتون ها از هسته خارج شوند. به دلیل تغییر تعداد پروتون های هسته، اتم به اتم های دیگر تبدیل می شود. این واپاشی اتمی نامیده می شود.

شکل زیر نمودار Z بر حسب N را برای عناصر مختلف نشان می دهد. هسته پایدار با بیشترین تعداد پروتون (Z=83) به بیسموت متصل است.

نکات مربوط به نمودار Z-N

در میان عناصر ناپایدار با عدد اتمی بیشتر از 83 (Z> 83)، توریم و اورانیوم تنها عناصری هستند که تجزیه آنها به قدری آهسته است که از زمان شکل گیری منظومه شمسی در چندین میلیارد سال پیش، تنها مقدار کمی از آنها به نور تبدیل شده است. عناصر بیشتر شد

در نمودار بالا، هر نقطه آبی نشان دهنده یک هسته پایدار و هر نقطه زرد نشان دهنده یک هسته ناپایدار است. تا حدود Z=20 نسبت N/Z برابر با یک است اما به تدریج و با افزایش Z تعداد نوترون های هسته افزایش می یابد به طوری که از Z=50 به ازای هر افزایش یک پروتون چندین نوترون وارد هسته می شود. هسته، اضافه خواهد شد.

برای برخی از Z، تعداد ایزوتوپ های هر عضو را می توان با شمارش تعداد دانه های آبی و زرد در امتداد محور N تعیین کرد.

مثال 1:

ترتیب قدر تعداد نوترون هایی را که می توانند محکم در یک توپ تنیس با شعاع 3.2 سانتی متر قرار بگیرند را تخمین بزنید. در این صورت، ترتیب قدر جرم این توپ چقدر است؟ (ترتیب قدر شعاع و جرم نوترون را به ترتیب 15-10 متر و m = 27-10 کیلوگرم در نظر بگیرید.)

پاسخ:

مثال 2:

آیا می توان ایزوتوپ عنصر (Z=25، A=61) را از ایزوتوپ (Z=25، A=59) با روش شیمیایی جدا کرد؟ در مورد ایزوتوپ (Z=26، A=61) چطور؟ پاسخ خود را توضیح دهید.

پاسخ:

ایزوتوپ های (Z=25، A=61) و (Z=25، A=59) به یک عنصر مرتبط هستند زیرا عدد اتمی آنها یکسان است. و دارای خواص شیمیایی یکسانی هستند. بنابراین نمی توان آن را با روش های شیمیایی جدا کرد.

اما (Z=25، A=61) و (Z=26، A=61) دو عدد اتمی متفاوت دارند، یعنی دو عنصر متفاوت با خواص شیمیایی متفاوت هستند. از این رو می توان این دو را با روش های شیمیایی از هم جدا کرد.

انرژی به هسته بستگی دارد

برای جدا کردن نوکلئون ها از ساختار هسته، انرژی برای غلبه بر نیروی جاذبه هسته ای مورد نیاز است. انرژی مورد نیاز برای این کار انرژی اتصال هسته ای نامیده می شود.

اگر جرم هسته را با ابزار دقیق اندازه گیری کنیم و سپس با استفاده از مجموع جرم پروتون ها و نوترون ها جرم هسته را محاسبه کنیم، خواهیم دید که آنها با یکدیگر متفاوت هستند. جرم هسته کمتر از جرم پروتون و نوترون است. این کمبود جرم هسته ای مقدار جرمی است که به انرژی تبدیل شده است. می دانیم که طبق معادله انیشتین E=mc2 جرم و انرژی به یکدیگر تبدیل می شوند. برای محاسبه انرژی اتصال هسته ای، به سادگی این کسری جرم هسته ای را در (c2) ضرب کنید. که معمولا تعداد زیادی است.

توجه داشته باشید که محاسبه انرژی اتصال هسته ای در کتاب فیزیک 3 نباید ارزیابی شود.

تعادل انرژی اولیه

انرژی نوکلئون‌های متصل به هسته، مانند انرژی الکترون‌های متصل به اتم، کوانتیزه است و نمی‌تواند انرژی مطلوبی داشته باشد. نوکلئون ها همچنین می توانند با جذب انرژی و ایجاد یک هسته برانگیخته به سطوح بالاتری برسند. و فوتون ها را ساطع می کنند که به سطوح پایین تر باز می گردند.

انرژی فوتون تابش شده برابر است با اختلاف انرژی بین سطح برانگیخته و سطح زمین. هسته برانگیخته شده با قرار دادن یک ستاره در بالا سمت راست نشان داده می شود.

تفاوت انرژی بین سطوح نوکلئون در هسته حدود KeV به MeV است، در حالی که تفاوت بین سطوح الکترون در اتم به ترتیب eV است. بنابراین، هسته ها در واکنش های شیمیایی برانگیخته نمی شوند.

نسخه PDF جزوه ساختار هسته را دانلود کنید

پس از کشف نوترون در سال 1932، درک فیزیکدانان از هسته اتم کاملتر شد. اما هنوز یک سوال بسیار مهم بی پاسخ مانده است.

این یک سوال بسیار مهم در رابطه با پایداری هسته های اتم بود. در آن زمان مشخص بود که تمام هسته های اتم از تعداد معینی پروتون و نوترون تشکیل شده اند.

اما با توجه به اینکه پروتون ها دارای بار مثبت هستند و به شدت یکدیگر را دفع می کنند، چگونه هسته اتم ثابت می ماند و از داخل تجزیه نمی شود؟ چه عاملی باعث می شود که پروتون ها با وجود دافعه قوی آنها را در هسته کنار هم نگه می دارد؟ پاسخ به این سوال بسیار مهم توسط یک فیزیکدان ژاپنی به نام Hide K. Yukawa در سال 1935 پیدا شد. یوکاوا متوجه شد که باید یک نیروی گرانشی ناشناخته در هسته اتم وجود داشته باشد که در برابر الکتریسیته دافعه قوی بین پروتون ها مقاومت کند و از هسته جلوگیری کند. از متلاشی شدن طبق مدل یو کاوا، این نیروی ناشناخته – که او آن را نیروی هسته ای نامید – اساساً با نیروی الکترومغناطیسی متفاوت است و به عنوان یک نیروی کاملاً جدید با ماهیت کاملاً متفاوت دیده می شود که بین نوکلئون ها (یعنی پروتون ها و نوترون ها) اعمال می شود.

بر اساس محاسبات یوکاوا، برد نیروی هسته ای بسیار کوتاه و به ترتیب ابعاد هسته یک اتم است و به همین دلیل تا آن زمان در هیچ آزمایشی این نیرو مستقیما مشاهده نشده بود و تا آن زمان ناشناخته باقی ماند. سپس. علاوه بر این، از آنجایی که یوکاوا با نظریه میدان کوانتومی دیراک آشنا بود و می دانست که بر اساس این نظریه، میدان الکترومغناطیسی از تبادل فوتون بین ذرات باردار تشکیل می شود. بنابراین، او فکر می کرد که نیروی هسته ای باید از مبادله ذرات خاص بین نوکلئون ها ایجاد شود.

یوکاوا این ذرات حامل نیروی هسته ای را پیون (یا مزون پی) نامید. محاسبات یوکاوا نشان داد که جرم پیون ها باید حدود 250 برابر جرم الکترون ها باشد. 12 سال پس از این پیش‌بینی (یعنی در سال 1947)، یک گروه تحقیقاتی انگلیسی به سرپرستی فیزیکدانی به نام سیسیل پاول، با نصب آشکارسازهای پرتوهای کیهانی در بالای کوه‌های پیرنه در اروپا و رشته کوه‌های آند در آمریکای جنوبی، سرانجام موفق شدند پیاده‌ها را در میان پیاده‌ها شناسایی کنند. کیهانی ذرات اشعه ثانویه شده اند. به این ترتیب صحت مدل نیروی هسته ای یوکاوا به صورت تجربی تایید شد و به مناسبت این دستاورد مهم که کشف نیروی هسته ای و ذره حامل این نیرو یعنی پیاده هاست جایزه نوبل را دریافت کرد. در فیزیک در سال 1949 و 1950 به ترتیب به یوکاوا و پاول اعطا شد. .

با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت منتشر خواهد شد.

متأسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داد. دوباره امتحان کنید.