Structura energetica a nucleului
Modele atomice
Din structura atomo-moleculara cunoastem ca orice substanta este formata din molecule, iar acestea la randul lor sunt formate din atomi (athomos = indivizibil).
Atomul avand o structura ceva mai stabila, el a fost considerat multa vreme indivizibil si fara structura interna. La inceputul secolului XX, a fost pus in evidenta caracterul sa complex, pentru a carui studiere au fost construite diferite modele, capabile sa permita intelegerea fenomenelor care se petrec la scara atomica.
[A] Modelul J. J. Thomson (1903)
Ø pleaca de la legea interactiunii dintre sarcinile electrice
Ø concepe modelul sub forma de sfera, care cuprinde o
sarcina electrica pozitiva, uniform distribuita, iar in
interiorul acesteia se gasesc electronii intr-o continua
miscare.
Ø modelul a putut explica anumite fenomene legate de
atom, dar ulterior s-a dovedit a fi nepotrivit pentru
interpretari cu caracter mai general, fiind abandonat,
mai ales ca repartizarea sarcinilor electrice nu avea nici o baza experimentala.
[B] Modelul Rutherford (1906) - modelul planetar
Ø atomul este un sistem electric neutru, format dintr-un numar de sarcini negative si un nucleu central cu sarcina pozitiva.
Ø intreaga sarcina pozitiva si aproape intreaga masa a atomului sunt concentrate in nucleu - care are diametrul de aproximativ 10-15m.
Ø intre nucleu si electroni exista forte de atractie si respingere coulombiana, ceea ce confera stabilitate atomului.
Ø deficientele modelului: modelul este conceput pe baza legilor clasice ale mecanicii si electromagnetismului; conform legilor electromagnetismului orice sarcina electrica ce se misca accelerat, emite continuu radiatii electromagnetice (unde) pierzand continuu energie si apropiindu-se din ce in ce mai mult de nucleu, in cele din urma cazand pe acesta, lucru care nu se intampla, deoarece stim ca atomul este stabil.
[C] Modelul cuantificat Bohr (1913)
Ø se bazeaza pe modelul Rutherford, dar pe baza urmatoarelor postulate:
a) electronii se misca in jurul nucleului numai pe anumite orbite, de energii bine definite, numite orbite stationare, iar miscarea electronilor pe orbitele stationare se face fara absorbtie sau emisie de energie.
b) la tranzitia unui electron de pe o orbita stationara pe alta, se emite sau absoarbe o cantitate de energie egala cu diferenta energiilor corespunzatoare celor doua orbite:
h = En - Em; unde h = constanta lui Planck, = frecventa radiatiei emise.
[D] Modelul lui Sommerfeld (1916)
se admite ca un electron in miscare descrie
pe langa orbite circulare si orbite eliptice;
avand r = raza vectoare, = unghiul descris
de raza vectoare; F1 = unul din focarele
elipsei.
modelul pastreaza orbitele indicate de Bohr,
dar adauga fiecareia dintre ele (n - 1) orbite
eliptice.
Izotopii - sunt atomi ai aceluiasi element care ocupa toti acelasi loc in tabelul lui Mendeleev dar au mase atomice diferite (A - acelasi, Z - diferite); nucleele izotopilor au acelasi numar de protoni, dar au numar diferit de neutroni, ei au aceleasi propietati chimice, dar proprietatile lor fizice difera destul de mult.
Orice atom se reprezinta AZX numarul de masanumarul atomic (izos = acelasi; topos = loc)
Exemple: carbon: 12C, 13C, 16C; oxigen 16O, 17O, 14O; plumb 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb;
hidrogen 1H, 2H = D = deuteriu, 3H = T = tritiu.
A = nr. de masa = nr. intreg cel mai apropiat de masa atomica
Z = nr. atomic = nr. de ordine din sistemul periodic (Mendeleev)
Nucleul atomic
Este constituit din particule care se numesc nucleoni; acestia fiind protonii cu sarcina electrica pozitiva (+e) cu masa mp = 1,007597u si neutronii care sunt neutrii din punct de vedere electric cu masa mn = 1,008987u
Pentru nucleu: Z - exprima numarul protonilor din nucleu, iar A - numariul total de nucleoni, adica (A - Z) neutroni.
Masa nucleului este suma maselor protonilor si neutronilor, deci m = Z.mp + (A - Z)mn adica m = mp + mn
Prin metoda spectroscopiei de masa, s-au determinat masele diferitelor nuclee M (cu o precizie de pana la 5 zecimale) si cele calculate prin suma maselor protonilor si neutronilor, aparand o diferenta de masa m = m - M = Zmp + (A - Z)mn - M care se mai numeste si defect de masa.
Energia de legatura:
Fortele nucleare sunt fortele de atractie dintre nucleoni, sunt de natura electromagnetica si sunt forte specifice nucleului. Aceste forte sunt mult mai mari decat fortele de respingere coulombiene dintre protoni.
Interactiunea dintre nucleoni se realizeaza prin intermediul unui camp nuclear, numit camp mezonic. La formarea unui nucleu atomic din nucleoni, fortele nucleare efectueaza un lucru mecanic si de aceea la formarea nucleului se elibereaza energie. O parte din aceasta energie eliberata este preluata de nucleu sub forma de energie cinetica, iar restul este radiat prin fotoni.
Energia de legatura este energia necesara pentru desfacerea nucleului in nucleoni. Energia de legatura a nucleului cu masa de repaus M, are expresia, data de relatia:
W = [Z.mp + (A - Z)mn].c2 - M.c2 si este exprimata in MeV = megaelectron - volt.
Eliberarea energiei nucleare
In toate reactiile nucleare energia totala se conserva, adica, energia totala a particulelor care participa la reactie este egala cu energia totala a particulelor care ies din reactie: E01 + E1 = E02 + E2, unde E01, E1 - este energia de repaus, respectiv energia cinetica care intra in reactie; E02, E2 - este energia de repaus si cinetica a produselor de reactie (E1 E2).
Energia de reactie Q este diferenta dintre energia cinetica E2 a produselor de reactie si energia cinetica E1 a particulelor intrate in reactie: Q = E2 - E1, sau Q = E01 - E02 = m01.c2 - m02.c2
a) Daca Q 0, avem reactii endoenergetice, care se petrec numai cu absorbtia unei parti din energia cinetica a particulelor incidente.
b) Daca Q 0, avem reactii exoenergetice, in care se elibereaza energie nucleara sub forma de energie cinetica
Reactiile nucleare sunt transformarile nucleelor ca rezultat al actiunii unor particule din exterior. Un nucleu tinta este supus bombardarii cu o particula proiectil si ca urmare se formeaza un nou nucleu (nucleu produs) si o alta particula.
Radioactivitatea
Fizica nucleara se ocupa cu studiul nucleului atomic, privind structura si transformarile nucleului, interactiunile dintre nucleu si particule.
Nuclidul este o specie de nuclee caracterizata printr-un anumit numar de masa si un anumit numar atomic. Numarul de masa A al unui nuclid este egal cu suma maselor protonilor si neutronilor din nucleu, iar numarul atomic Z egal cu numarul de protoni din nucleu.
Descoperirea radioactivitatii: in 1886 Henry Becquerell a observat ca o sare de uraniu impresioneaza o placa fotografica, chiar daca este invelita in hartie neagra, iar Marie si Pierre Curie (1898); Rutherford si Soddy (1902) au observat acest fenomen pentru saruri de uraniu. Sarea de uraniu emite radiatii care trec usor prin hartie, dar intensitatea radiatiei emise de diversele saruri ale uraniului depinde numai de numarul atomilor de uraniu existenti si nu depinde de felul combinatiei chimice in care se gasesc acesti atomi; radiatiile emise sunt ale atomilor de uraniu.
Radioactivitatea este proprietatea nucleelor unor elemente, de a emite radiatii in mod continuu si spontan. Avem doua tipuri de radioactivitate: naturala - cand are loc emisie de radiatii in mod spontan si artificiala - cand emisia este provocata, prin bombardarea cu particule sau neutroni.
Radioactivitatea naturala
Radiatiile X sau Röntgen, care au fost descoperite de Wilhwlm Conrad Röntgen (1845 - 1923); folosind tuburi röntgen - care constau dintr-o incinta vidata in interiorul careia avem doi electrozi: anodul A(+) si catodul C(-). Catodul este incalzit si datorita
agitatiei termice a electronilor in jurul lui
se formeaza un strat subtire de electroni.
Prin aplicarea de tensiuni de zeci de kV
intre anod si catod, tensiuni care obliga
deplasarea electronilor catre anod,
catodul avand forma unei oglinzi sferice
pentru ca electronii emisi sa fie focalizati
pe o suprafata mica a anodului A.
Energia electronilor care patrund in
interiorul anodului scade prin franarea lor in interiorul anodului, aceasta energie pierduta prin franare este preluata partial de o noua radiatie numita radiatie X.
Radiatiile X sunt radiatiile emise de atomii unui corp, cand acestia interactioneaza cu electroni rapizi.
Proprietatile radiatiilor X:
se propaga in vid cu viteza luminii (3.105km/s);
impresioneaza placa fotografica;
nu sunt deviate in campuri electrice si magnetice;
produc fluorescenta unor substante (ex. sulfura de zinc primeste o culoare galben verzuie);
sunt invizibile (nu actioneaza asupra ochiului - nu impresioneaza ochiul);
patrund cu usurinta prin corpuri care sunt opace pentru lumina;
sunt absorbite de metale cu densitate mare (ex. plumbul), puterea de penetratie depinde de masa atomilor
substantei si de grosimea stratului de substanta;
ionizeaza gazele prin care trec; fiind folosite la detectoare de radiatii;
au actiune fiziologica, distrugand celule organice, fiind nocive pentru om; de aceea se folosesc in tratarea tumorilor canceroase, distrugand celulele bolnave.
Aplicatiile radiatiilor X - in radioscopii si in radiografii:
daca obiectul de studiat se aseaza intre sursa de raze X si un ecran fluorescent
atunci avem radioscopie
daca obiectul de studiat este asezat intre sursa de raze x si o placa fotografica,
atunci avem radiografie.
