Fysiikka 8 luku 4 Atomin ydin

4.1 Ytimen rakenne

Atomin ydintä kuvataan symbolilla ^A_ZX, jossa X on alkuaineen kemiallinen merkki, X järjestysluku ja A massaluku. A = Z + N, jossa N on neutroniluku eli ytimessä olevien neutronien lukumäärä. Niitä ytimiä, joilla on sama protonien lukumäärä mutta eri määrä neuroneita, kutsutaan isotoopeiksi.

Isotooppeja ei voi erotella toisistaan kemiallisin menetelmin, koska niillä on samanlainen elekroniverhon rakenne. Alkuaineiden ytimiä ja niiden eri isotooppeja kutsutaan nuklideiksi. Pysymättömiä isotooppeja kutsutaan radioaktiivisiksi isotoopeiksi. Ne lähettävät hajotessaan sähkömagneettista säteilyä tai hiukkassäteilyä.

4.2 Ydinvoima                 

Maailmankaikkeuden perusvuorovaikutukset ovat gravitaatiovuorovaikutus, sähkämagneettinen vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus ja vahva vuorovaikutus. Maailmankaikkeuden rakenne voidaan selittää näiden vuorovaikutusten avulla. Vahva vuorovaikutus tapahtuu ytimessä protonien ja neutronien rakenneosasten, kvarkkien, välillä. Sen välittäjiä kutsutaan gluoneiksi.

Kvarkeilla on sähkövaraksen lisäksi toinen varaus, värivaraus. Vahva vuorovaikutus ilmenee värivarauksellisten hiukkasten välillä vaikuttavana voimana, eli vahvana voimana, joka sitoo kvarkit toisiinsa. Ytimessä nukleonien välillä vallitsevaa voimaa kutsutaan ydinvoimaksi. Se on siis vahvan vuorovaikutuksen aiheuttama.

Atomimassayksikkö

Koska atomien massat ovat hyvin pieniä, käytetään ydinfysiikassa atomin massan yksikkönä atomimassayksikköä 1 u = 1,6605402*10^-27 kg.

Massa ja energia

Sisäinen energia on aineen massaan sisältyvää energiaa. Massa on yksi sidotun energian muoto. Massaan m sisältyy sisäinen energia

E = mc²

jossa c on valon nopeus tyhjiössä. Atomimassayksikön 1 u suuruista massaa vastaa likimain energia

931,49 MeV eli 1 u = 931,49 MeV/c².

4.3 Sidosenergia ja massavaje

Ytimen massavaje voidaan laskea yhtälöstä

Ytimen massavajetta vastaavaa energiaa kutsutaan ytimen sidosenergiaksi EB. Se on energia, joka vapautuu, kun nukleonit sitoutuvat toisiinsa muodostaen ytimen. Jos ydin halutaan hajottaa takaisin erillisiksi nukleoneiksi, pitää ytimeen tuoda tämä sama energiamäärä. Ytimen sidosenergia on

E_B = ∆mc²

Sidososuus eli sidosenergia nukleonia kohti on atomiytimen pysyvyyden eli stabiliteetin mitta. Sidososuus on keskimääräinen energia, jolla yksi nukleoni on sitoutunut ytimeen. Ytimen sidososuus b on ytimen sidosenergia yhtä nukleonia kohden. Sidososuus saadaan yhtälöstä

b = E_B / A

Sidososuus on suurin keskiraskaissa ytimissä. Siksi keskiraskaat ytimet ovat pysyvimpiä ytimiä. esim rauta ja nikkeli.