Μέγεθος Πυρήνα

Η μικρότερη μονάδα ύλης είναι ένα άτομο, το οποίο έχει τις ιδιότητες ενός χημικού στοιχείου και είναι το θεμελιώδες δομικό στοιχείο της χημείας. Τα άτομα είναι οι μικρότερες μονάδες όλης της ύλης. Το εσωτερικό ενός ατόμου αποτελείται κυρίως από κενό χώρο, με το κέντρο του να περιέχει θετικά φορτισμένα σωματίδια γνωστά ως πρωτόνια και ουδέτερα σωματίδια γνωστά ως νετρόνια, αντίστοιχα. Αυτή η συλλογή πρωτονίων και νετρονίων είναι γνωστή ως ο πυρήνας του ατόμου. Αρνητικά φορτισμένα σωματίδια γνωστά ως ηλεκτρόνια περιβάλλουν και προστατεύουν τον πυρήνα, σχηματίζοντας ένα σύννεφο ηλεκτρονίων γύρω του.

Ως αποτέλεσμα του πειράματος με χρυσό φύλλο Rutherford, θα μπορέσουμε να κατανοήσουμε καλύτερα τη θεωρία που βρίσκεται πίσω από το μέγεθος του πυρήνα σε αυτό το άρθρο.

Ιστορικό:

Ήταν ο Ernest Rutherford που ανακάλυψε για πρώτη φορά τον ατομικό πυρήνα το 1911, μετά το πείραμα με φύλλο χρυσού Geiger–Marsden το 1909. Ο ατομικός πυρήνας είναι η μικρή, πυκνή περιοχή που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια στο κέντρο του ένα άτομο. Μετά την ανακάλυψη του νετρονίου το 1932, ο Ντμίτρι Ιβανένκο και ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ εργάστηκαν γρήγορα για να αναπτύξουν μοντέλα ενός πυρήνα που αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Ένα άτομο αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα που περιβάλλεται από ένα νέφος αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων που συγκρατούνται μεταξύ τους με ηλεκτροστατική δύναμη για να σχηματίσουν ένα μόριο. Ο πυρήνας ενός ατόμου περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα του ατόμου, με μόνο μια πολύ μικρή συμβολή που προέρχεται από το νέφος ηλεκτρονίων. Η πυρηνική δύναμη είναι υπεύθυνη για τη συνένωση πρωτονίων και νετρονίων για να σχηματίσουν έναν πυρήνα.

Το πείραμα του χρυσού φύλλου Rutherford:

Αν και ο J.J. Ο Thomson είχε προτείνει το μοντέλο ενός ατόμου, ήταν το μοντέλο του Ernest Rutherford που έγινε τελικά αποδεκτό ως το σωστό πυρηνικό μοντέλο του σύμπαντος. Το πείραμα Rutherford Gold Foil Experiment είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη του τελικού μοντέλου. Ο Ράδερφορντ ενδιαφέρθηκε για το πώς τα ηλεκτρόνια ήταν διατεταγμένα μέσα σε ένα άτομο και ξεκίνησε να το ανακαλύψει. Για να το πετύχει αυτό, αποφάσισε να πραγματοποιήσει ένα πείραμα στο οποίο προκάλεσε την πτώση σωματιδίων που κινούνταν γρήγορα (σωματίδια άλφα) σε ένα λεπτό κομμάτι φύλλου χρυσού.

• Τα σωματίδια άλφα είναι ιόντα ηλίου (διπλά φορτισμένα) με μάζα 4 και σημαντική ποσότητα ενέργειας. Τα σωματίδια άλφα είναι ιόντα ηλίου με μάζα 4 και σημαντική ποσότητα ενέργειας.

• Το φύλλο χρυσού επιλέχθηκε επειδή χρειαζόταν ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα προστασίας. Το φύλλο χρυσού είχε πάχος περίπου 1000 ατόμων, το οποίο ήταν αρκετά λεπτό.

• Λόγω του γεγονότος ότι τα σωματίδια είναι σημαντικά βαρύτερα από τα πρωτόνια, περίμενε ότι θα εκτρέπονταν μόνο οριακά από τα υποατομικά σωματίδια των ατόμων χρυσού.

Ωστόσο, τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος ήταν εντελώς απροσδόκητα.

Αποτέλεσμα των παρατηρήσεών του:

Όταν ένα μεγαλύτερο κομμάτι από ταχέως κινούμενα σωματίδια άλφα πέρασε μέσα από το φύλλο χρυσού, το έκανε χωρίς καμία παραμόρφωση ή ανάκλαση.

Μερικά από τα σωματίδια άλφα παρουσίασαν παραμορφώσεις μόνο μερικών μοιρών σε μικρές γωνίες.

Η ανακάλυψη της πλήρους ανάκαμψης μερικών σωματιδίων άλφα ήταν το πιο απροσδόκητο αποτέλεσμα του πειράματος. Τουλάχιστον ένα στα 12.000 σωματίδια επέστρεφε στην αρχική θέση.

Η παρατήρηση του πειράματος:

Επειδή η συντριπτική πλειονότητα των σωματιδίων διέρχεται από το φύλλο χρυσού, η συντριπτική πλειοψηφία του ατόμου αποτελείται από κενό χώρο.

Επειδή ο αριθμός των σωματιδίων που είχαν ελαφρώς εκτραπεί ήταν τόσο μικρός, καθορίστηκε ότι το φορτίο του ατόμου καταλάμβανε πολύ μικρό χώρο.

Συνεπώς, το θετικό φορτίο του φύλλου χρυσού στο άτομο χρυσού συγκεντρώθηκε σε μικρό όγκο μέσα σε αυτό λόγω του γεγονότος ότι το φύλλο χρυσού αναπήδησε εντελώς από μερικά σωματίδια από το φύλλο χρυσού.

Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα των πειραμάτων του, ο Rutherford πρότεινε το πυρηνικό μοντέλο ενός ατόμου που φαίνεται παρακάτω.

Τα θετικά φορτία συγκεντρώνονται στον πυρήνα ενός ατόμου, ο οποίος περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα του ατόμου. Ο πυρήνας είναι το κεντρικό τμήμα ενός ατόμου που περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα.

Οι τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα είναι καλά καθορισμένες και καλά παρατηρημένες.

Σε σύγκριση με το μέγεθος ενός ατόμου, το μέγεθος ενός ατομικού πυρήνα είναι εξαιρετικά μικρό.

Συμπέρασμα:

Μέγεθος του πυρήνα:Το μέγεθος ενός πυρήνα είναι σημαντικά μικρότερο από το μέγεθος ενός ατόμου. Ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου είναι 145.000 φορές μεγαλύτερος από το μέγεθος του εξωτερικού κελύφους του ατόμου. Επειδή περιέχει μόνο ένα πρωτόνιο, ο πυρήνας του υδρογόνου είναι ο μικρότερος (1,75 * 10-15 m). Το 1,2 * 10-15 m είναι μια λογική εκτίμηση για το μέγεθος του πυρήνα και οι πυρηνικές ακτίνες είναι στην περιοχή από 1 – 10 * 10-15 m. Ένας σφαιρικός πυρήνας μπορεί να βρεθεί σε ορισμένα κύτταρα, ενώ άλλα είναι πεπλατυσμένα και έχουν παραμορφωμένα σχήματα. Ακολουθεί ο τύπος για τον προσδιορισμό του μεγέθους ενός πυρήνα:

R =R0A1/3

Όπου  R0 =1,2 * 10-15 m

Πυκνότητα πυρηνικής ύλης:Η πυκνότητα ενός πυρήνα (ρ) ορίζεται ως η μάζα του πυρήνα διαιρούμενη με τον συνολικό όγκο του πυρήνα. Τα νουκλεόνια ορίζονται ως ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων σε έναν πυρήνα και η μάζα ενός πυρήνα ορίζεται ως Η μάζα ενός νουκλεονίου μετράται σε χρόνο (A είναι ο αριθμός των νουκλεονίων στο άτομο)