Structura nucleului atomic
Nucleul atomic este alcatuit din trei elemente fundamentale: neutronul, protonul si quarcul.
NEUTRONUL particula elementara cu polaritate neutra, care face parte din nucleul atomului, este una din cele mai mici parti de materie pe care oamenii de stiinta o pot izola, numita si particula elementara. Neutronul are aproximativ 10-13 cm in diametru si cantareste 1.6749 x 10-27 kg.
Neutronii si protonii se imbina strans pentru a crea nucleul atomic. Numarul de protoni continut de un atom determina ce element chimic este, pornind de la 1 proton pentru hidrogen pana la 92 pentru uraniu. Oamenii de stiinta au reusit totusi in laboratoare sa creeze atomi cu pana la 116 protoni. Fiecare atom contine de obicei cam atatia neutroni cat si protoni, dar diferiti atomi specifici aceluiasi element pot avea numere diferite de neutroni.
Atomii care difera doar prin numarul de neutroni se numesc izotopi. De exemplu, cei mai multi atomi ai celui mai simplu element, hidrogenul, au un nucleu ce contine un singur proton. Totusi, in hidrogenul natural, 0.015% din atomi au un neutron in aditie la proton. Izotopul se numeste hidrogen greu sau deuteriu. Un element are de obicei cativa izotopi, aproape toti identici in felul in care reactioneaza chimic cu alte elemente si cu fiecare dintre ei.
STRUCTURA SI CARACTERISTICI:
Neutronul este sensibil mai greu decat protonul si de 1.883 ori mai greu decat electronul. Este afectat de cele patru forte fundamentale ale naturii. Deoarece are masa este afectat de gravitatie, forta de atractie dintre toate obiectele universului. Desi neutronul nu are incarcatura electrica el este usor magnetic deci este afectat de forta electromagnetica, forta de atractie sau respingere dintre particule magnetice sau incarcate electric. Neutronul este afectat de puternica forta nucleara, o atractie care mentine neutronii alaturi de protoni si de alti neutroni in nucleu. Neutronul este de asemenea afectat de slaba forta atomica, o interactiune dintre componentele neutronului care-i cauzeaza descompunerea sau ruperea. Izolat de materia nucleara, un neutron liber se descompune intr-un electron incarcat pozitiv si un electron incarcat negativ, eliberand in acest fel energie. Timpul mediu de existenta a unui neutron liber este putin mai mic de 15 minute.
Oamenii de stiinta au descoperit neutroni dupa ce mai intai ai descoperit protonii in nucleele atomilor. Pentru o perioada, fizicienii au crezut ca neutronii si protonii sunt cele mai mici particule din nucleu. Totusi dupa 1947 fizicienii au descoperit alte particule elementare cum ar fi lambda si mesons. Aceste particule nu se gasesc in nucleu dar pot fi create de reactii nucleare, schimbari in nucleu care elibereaza particule. Multe din aceste particule elementare au proprietati similare cu cele ale neutronului si protonului. Fizicienii au emis ideea ce, devreme ce particulele elementare par a fi inrudite, ele trebuie sa fie compuse din aceleasi mai mici "caramizi ale universului", pe care le-au numit quarci. La inceput oamenii de stiinta au crezut ca quarcii nu erau obiecte reale, dar in 1967 ei au folosit raze de electroni cu energie inalta pentru a "mina" in proton si neutron si au dovedit existenta unor particule asemanatoare unor granule, quarcii. Neutronul, ca si protonul este alcatuit din trei quarci. Forta nucleare puternica de atractie este de fapt una care atrage quarcii unii de altii pentru a alcatui protonii si neutronii. Quarcii unui proton si neutron vor atrage si quarcii altui proton sau neutron, formand in acest fel nucleul.
PROTONUL, particula elementara purtatoare de sarcina pozitiva, alaturi de neutron si electron este una din componentele tuturor nucleelor. El este singura particula elementara stabila acest lucru insemnand ca poate exista de unul singur pentru o perioada mare de timp. Sarcina lor pozitiva este de of 1.602 x 10-19 coulomb. Sarcina este egala si de sens opus cu cea a electronului. Ei au o masa de 1.67x 10-27 kg si alaturi de neutroni sunt raspunzatori pentru cea mai mare parte din masa atomului. Atomii contin un numar egal de protoni si neutroni astfel incat fiecare atom au per total o sarcina zero.
Numarul atomic al unui element este egal cu numarul de protoni din nucleu. Numarul de electroni dintr-un atom neschimbat trebuie sa fie egal cu numarul de protoni si aranjarea acestor electroni determina proprietatile chimice ale atomului.
STRUCTURA SI CARACTERISTICI
Protonul este de 1.836 ori mai greu decat electronul. Pentru un atom de hidrogen care contine un electron si un proton, protonul asigura 99.95% din masa. Neutronul cantareste putin mai mult decat protonul. Elementele mai grele decat hidrogenul contin de obicei cam acelasi numar de protoni si neutroni in nucleele lor, deci masa atomica sau masa unui atom este de obicei de doua ori mai mare decat numarul atomic.
Protonii sunt afectati de cele patru forte fundamentale ale naturii care guverneaza toate interactiunile dintre particulele si energia din univers. De forta electromagnetica cauzeaza ca protonii incarcati pozitiv sa atraga electronii incarcati negativ si ii mentine pe orbita nucleului atomic. Aceasta forta face de asemenea ca protonii stransi laolalta in nucleu sa se respinga cu o forta de 100 milioane de ori mai mare decat atractia electrica care leaga electronii. Repulsia este totusi contrata de forta nucleara puternica, cere leaga protonii si neutronii impreuna intr-un nucleu compact. Celelalte doua forte fundamentale, gravitatie si forta nucleara slaba de asemenea afecteaza protonul. Gravitatia este forta care atrage orice element din univers care are masa ( protonul ) de orice altceva cu masa. Este slaba cand masele sunt mici dar poate deveni foarte puternica atunci cand masele sunt mari. Forta nucleara slaba este una ce poate fi "simtita" care se manifesta intre anumite particule elementare, incluzand protonul si care guverneaza modul cum anumite particule elementare se descompun in alte particule.
Protonul a fost mult timp crezut a fi o particula punctiforma, invizibila, ca electronul. In anii 1950, oamenii de stiinta au folosit raze de electroni pentru a "mina" in proton si au descoperit ca are forma si marime definite. Aceste experimente au aratat ca, in loc sa fie un punct invizibil, protonul are un diametru de aproximativ 10-13 cu un exterior asemanator unui nor ce inconjoara un centru dens.
Protonii s-au format initial dupa o miime de secunda dupa Big Bang, explozia despre care cred savantii ca a stat la inceputul universului. In acest scurt timp, temperatura universului a scazut suficient pentru ca quarcii sa se uneasca. Este posibil ca protonii sa de mai descompuna, dar acest tip de eveniment, numit descompunerea protonilor, este extrem de rar. Experimentele au dovedit ca timpul mediu de viata al protonului este de cel putin 1035 ani. Acesta poate parea ciudat avand in vedere ca universul are aproximativ 15 x 109 ani. Unii protoni traiesc pentru un timp mult mai scurt decat timpul mediu de viata. Totusi savantii fac experimente de proportii cu mii de tone de material, sperand sa vada o descompunere de protoni.
QUARCII, cele mai mici bucati de materie stiute, nu exista niciodata singuri. Sunt mereu gasiti in combinatie cu alti quarci in particule de materie mai mari. Studiind aceste particule mai mari, oamenii de stiinta au determinat proprietatile quarcilor. Protonii si neutronii, particulele care alcatuiesc atomii, sunt alcatuiti din quarci. Fara quarci nu ar fi existat atomi, iar fara atomi materia nu ar fi existat asa cum o stim.
Exista sase tipuri de quarci. Ei sunt numiti up, down, charm, strange, top, bottom. Toti quarcii au o anumita masa si incarcatura electrica. Materia obisnuita, adica materia facuta din atomi, contine doar cei mai usori doi quarci, up si down. Urmatorii cei mai usori, charm si strange, sunt gasiti in particule ce se numesc raze cosmice, care isi au originea spatiu. Savantii au produs top si bottom, cei mai grei quarci, in laborator, dar nu i-au gasit si in natura. Multi fizicieni si astronauti cred ca chiar imediat dupa Big Bang toate cele sase tipuri de quarci au existat. Cei mai grei quarci s-au descompus apoi in tipurile mai usoare.
Quarcii au antiparticule contrare in natura, numite antiquarci, care se combina pentru a crea antimateria. Antimateria du exista in natura pe Pamant si majoritatea oamenilor de stiinta considera ca este destul de rara in univers, totusi ea a fost produsa in laborator. Antiquarcii au multe din proprietatile pe care le au si corespunzatorii lor quarci, dar unele proprietati sunt opuse celor pe care le au quarcii.
