ATOMSKE JEZGRE, NJIHOVO OZNAČAVANJE I NUKLEARNE REAKCIJE
Nuklearna fizika bavi se atomskim jezgrama zbog čega je i dobila ime: riječ nukleus potječe iz latinskog i znači "jezgra".
Atomske jezgre sastoje se od pozitivno nabijenih protona i negativno nabijenih neutrona. Za broj protona vezano je i ime elementa - tako se element s osam protona u jezgri zove kisik, element s 12 protona je ugljik, element sa 79 protona je zlato, a s 82 protona olovo. Naime, ljudi koji su otkrivali kemijske elemente od srednjeg vijeka do danas - kemičari i alkemičari -razlikovali su ih po njihovim kemijskim svojstvima koja proizlaze isključivo iz broja elektrona u elektronskom omotaču, a taj broj, opet, ovisi isključivo o broju protona u jezgri. Zato se elementi i zovu - kemijski elementi. Za kemičare potpuno je svejedno koliko u atomu ima neutrona - jer, opet, kemijska svojstva ovise o broju elektrona, a broj elektrona ovisi o broju protona - i, što se tiče kemije, potpuno je svejedno je li riječ o atomu kisika (osam protona) s osam neutrona ili atomu kisika s devet neutrona.
Fizičarima, s druge strane, to nije svejedno. Zbog toga su uveli svoj, poseban način obilježavanja atomskih jezgri, koji uzima u obzir i ona svojstva koja su njima bitna. Dok su kemičari zauzeli gornji i donji desni kraj simbola kemijskog elementa
nuklearni fizičari su uzeli ono što im je preostalo - lijevu stranu. Tako u donjem lijevom dijelu simbola kemijskog elementa stoji broj protona (ili redni broj elementa) i označava se slovom Z. U gornjem lijevom dijelu nalazi se broj koji označava ukupan broj protona i neutrona (zajedničkim imenom: nukleoni) u jezgri. Pošto se u jezgri nalazi oko 99,99 posto mase atoma, taj se broj govori o masi jezgre i zato se naziva maseni broj i označava se slovom A.
Iz ovoga je jasno da je broj neutrona lako odrediti - jednostavno se od masenog broja oduzme broj protona. Tako je na gornjoj slici prikazana jezgra selena s 34 protona i 45 neutrona (79-34=45).
Iz ovoga je očigledno da ćemo proton označavati kao
(jer jedan proton, očito, "ima" jedan proton i jedan nukleon, dakle samoga sebe), dok ćemo neutron označavati kao
(jer ovdje nema protona, a ima jedan nukleon).
Jasno je da je ime kemijskog elementa uvijek vezano uz broj protona. Tako će helij (He), bez obzira na broj neutrona, uvijek imati dva protona. Dušik (N) će uvijek imati sedam protona, kisik (O) osam, fluor (F) devet, a neon (Ne) deset. Zbog toga se često broj protona uopće ne označava jer on proizlazi iz imena elementa i često ćete vidjeti ovaj oblik: 17O, 28Si, 235U. Dakle, kisik uvijek ima 8 protona, silicij uvijek ima 14 protona, a uran ih uvijek ima 92 i zato te brojeve, ako nisu bitni za konkretan problem, i nije toliko potrebno pisati.
Ono što je bitno spomenuti je broj neutrona - i to preko masenog broja, to jest ukupnog broja nukleona - jer se on može razlikovati od jezgre do jezgre. Jezgre s istim brojem protona, a različitim brojem neutrona (na primjer, kisik koji ima osam protona, ali može imati osam, devet ili više neutrona) naziva se izotopi. Tako se 16O, 17O i 18O svi nazivaju "izotopima kisika". Kemijski, svi oni imaju ista svojstva i zato ih kemičari sve zovu istim imenom - kisik. A pošto su kemičari prvi došli u to područje, dobili su pravo imenovati stvari i zato danas i fizičari elemente imenuju po broju protona, iako njima nikako nije svejedno koliko neutrona ima jezgra.
Nuklearne reakcije su procesi u kojima nastaju i nestaju atomske jezgre, slično kao što su kemijske reakcije procesi u kojima nastaju i nestaju kemijski spojevi. I kao što u svakoj kemijskoj reakciji broj pojedinih atoma prije i poslije reakcije mora biti isti - recimo, atom kisika koji je ušao u reakciju mora iz nje i izaći, ne može nestati - u nuklernim reakcijama ulogu atoma preuzimaju protoni i neutroni. Zato vrijedi pravilo: koliko protona i neutrona uđe u reakciju, toliko ih mora i izaći (istini za volju, postoji slučaj kad ovo ne vrijedi, ali o tome ćemo kasnije; za sada pretpostavite da koliko protona uđe u reakciju, toliko ih i izađe). Na primjer:
Ovdje se vidi da su u reakciju ušla 92 protona, a izašlo ih je također 92: 90 u jezgri torija i dva u jezgri helija. U reakciju su ušla 143 neutrona (235-92=143), a izašao je 141 u toriju i dva u heliju.
Pogledajmo još jedan primjer: lančana reakcija u atomskoj bombi počinje kad na jezgru urana-235 naleti brzi neutron.
Ako prebrojite sve protone i neutrone s lijeve i desne strane, vidjet ćete da ih je iz reakcije izašlo onoliko koliko ih je i u reakciju ušlo.
Sljedeća lekcija: Defekt mase i energija vezanja