Atomkjerne er den sentrale delen av et atom. Kjernen er bygget opp av protoner og nøytroner. Atomkjernen utgjør en svært liten del av volumet til atomet, men den har svært høy massetetthet, og det meste av massen til atomet er samlet i atomkjernen.
nukleus
Atomkjernens struktur, og kjernereaksjoner, det vil si reaksjoner som involverer atomkjerner, står sentralt i forskningsområdet kjernefysikk.
Et atom består av en atomkjerne med positiv elektrisk ladning, og elektroner med negativ elektrisk ladning som befinner seg i området utenfor kjernen. Selve atomkjernen består av protoner, som har positiv ladning, og nøytroner, som ikke har elektrisk ladning. Nøytronene og protonene i atomkjernen holdes sammen av kjernekrefter (sterk vekselvirkning), mens elektronene er bundet til kjernen av elektrostatiske krefter.
Nøytronene og protonene i atomkjernen er ikke elementærpartikler: de består av enda mindre partikler som kalles for kvarker. Kunnskap om atomkjernenes oppbygging har bidratt vesentlig til forståelsen av hvordan universet er blitt til og har utviklet seg, og har bidratt til dypere forståelse av mange områder av fysikken.
Utforskningen av atomkjernen har hatt stor praktisk betydning. En av de viktigste anvendelsene er utviklingen av kjernekraft, som er en viktig energikilde. Dessuten har anvendelse av radioaktive stoffer hatt stor betydning innen medisin og teknikk, og for forskning innen mange områder.
Atomkjernens egenskaper er bestemt av vekselvirkninger mellom de partiklene som den er bygd opp av, protoner og nøytroner. Fellesbetegnelsen for disse partiklene er nukleoner.
Et atom karakteriseres ut fra hvor mange nøytroner og protoner det er sammensatt av. Atomer med et bestemt protontall Z, et bestemt nøytrontall N og dermed et bestemt nukleontall A=Z+N, kalles en nuklide.
Symbolet for en nuklide er \( {^{A}_{Z} X} \), der X er det kjemiske symbolet for vedkommende grunnstoff. For eksempel er \( {^{235}_{92} U}\) urannukliden med 235 nukleoner og 92 protoner. Den tomme plassen nederst til høyre er reservert for det tallet som angir hvor mange atomer det er i molekylet.
Siden A=Z+N, utelates nøytrontallet N ofte i symbolet. Z er entydig bestemt når det kjemiske symbolet er kjent.
Eksempel: Karbonnukliden med 7 nøytroner og 6 protoner er tilstrekkelig karakterisert ved 13C, og den omtales som karbon-13-nukliden.
Nuklider av samme grunnstoff, altså med samme Z, men forskjellig N, kalles isotoper av vedkommende grunnstoff. Nuklider med samme N, men forskjellig Z, kalles isotoner, og nuklider med samme A, men forskjellig Z og N kalles isobarer.
For å bryte en kjerne opp i enkelte nukleoner, må man tilføre den en energimengde EB, som kalles bindingsenergi. Atomkjernens masse, M, er litt mindre enn summen av massene til de nukleonene den er bygd opp av.
Masseforskjellen ΔM mellom summen av nukleonmassene og massen til atomkjernen kan beregnes via formelen ΔM = Z · mp + N · mn− M. Her er mp protonets og mn nøytronets masse, og ΔM kalles massedefekt eller massesvinn. I overensstemmelse med Einsteins ligning er EB = ΔM · c2, hvor c er lyshastigheten.
Som regel angir man ikke massen av en atomkjerne, men av det nøytrale atomet. Denne størrelsen kalles nuklidemassen. Elektronenes masse utgjør vanligvis bare 0,2–0,3 promille av nuklidemassen.
Nuklidemasser angis oftest i atommasseenheter. Denne enheten, som betegnes med u, er definert som 1/12 av massen til et atom av 12C-nukliden. Den er 1,66057 · 10−27 kg.
Angitt i enheter av u er nuklidemassen meget nær lik nukleontallet A, som derfor også kalles massetallet.
Kjernens størrelse angis ved en kjerneradius, som kan oppfattes som radius i en kule som nukleonene stort sett holder seg innenfor. Kjernens volum øker proporsjonalt med antallet nukleoner, A.
Kjerneradien kan tilnærmet angis som r = r0 · A1/3, hvor r0 er mellom 1,2 og 1,4 fm (femtometer = 10−15 m). Den varierer noe fra nuklide til nuklide og avhenger av hvilke målemetoder man bruker for å bestemme den, og av hvordan den mer nøyaktig defineres.
Kjerneradien er mellom 1/10000 og 1/100000 av atomradien. Siden praktisk talt hele atomets masse er konsentrert i kjernen, blir tettheten svært stor, vel 1014 ganger vannets, eller over 100 000 tonn per mm3.
Hyperfinstruktur i atomspektra viser at det i noen atomer er en magnetisk vekselvirkning mellom kjerne og elektroner. Dette forklares ved å tillegge kjernen et magnetisk moment som enten oppstår ved at kjernen som helhet roterer eller ved at nukleonene har en ordnet bevegelse inne i kjernen. I begge tilfeller må man tillegge kjernen et spinn eller en egenrotasjon.
Kjennskap til kjernens oppbygning får man ved å studere hvordan masse eller bindingsenergi, radius og spinn varierer med N og Z, ved å studere radioaktive prosesser (alfastråling, betastråling og gammastråling) og kjernereaksjoner.
En kjernereaksjon kan fremprovoseres når man bombarderer en kjerne A med en partikkel a og denne enten overfører en del av sin energi til kjernen eller absorberes av kjernen, som derpå sender ut en ny partikkel, b, og derved går over til en ny slags kjerne, B. Merk at kjernereaksjoner også inkluderer spontane prosesser slik som radioaktivt henfall.
Symbolsk skrives dette a + A → B + b eller kortere A(a,b)B. Partikkel a og b kan være et nukleon, et deuteron, en alfapartikkel, en tyngre kjerne, et gammakvant eller et elektron. Kjernen B kan være forskjellig fra A, eller samme kjerne i en annen energitilstand.
Iblant kan det i en reaksjon sendes ut flere partikler, A(a,b1,b2)B. Reaksjonen beskrives ved et virkningstverrsnitt, som angir sannsynligheten for at reaksjonen skal finne sted.
Ved å studere forandringer i virkningstverrsnitt som funksjon av energien til den innkommende partikkel, ved å undersøke i hvilke retninger partiklene fortrinnsvis sendes ut, og ved å sammenligne forskjellige reaksjoner, kan man få opplysninger om strukturen til de kjernene som er med i reaksjonen.
Teoretisk forsøker man i kjernestrukturforskningen å beskrive kjernenes oppbygning ut fra den kjennskapen man har til vekselvirkningen mellom nukleonene og de generelle symmetriprinsipper som gjelder innen fysikken.
Siden kjernene er for små til å bli iakttatt direkte, har man for en stor del benyttet seg av modeller eller bilder fra andre deler av fysikken for å få en brukbar beskrivelse. Av de modellene som har hatt størst betydning, er Niels Bohrs dråpemodell, som han blant annet brukte for å forklare fisjonsprosessen, og som senere er utviklet videre av hans sønn Aage Bohr og andre. I denne modellen tenker man seg at nukleonene beveger seg i kjernen omtrent på samme måte som molekylene i en væskedråpe, og man finner en rekke trekk ved kjernen som minner om kollektive egenskaper av molekylene i væskedråpen, for eksempel overflatespenning og overflatevibrasjoner.
Dråpemodellen danner utgangspunkt for rotasjonsmodellen, der væskedråpen har prolat (sigarformet) eller oblat (diskosformet) overflate og kan rotere om en akse vinkelrett på symmetriaksen. I dag har forskerne klart å sette slike kjerner i voldsom rotasjon, slik at kjernen får et spinn på 60–70ℏ. Den hurtige rotasjonen gjør at kjernen blir sterkt prolat ved de høyeste spinnene; dette kalles superdeformasjon.
En annen modell er skallmodellen, som er dannet etter eksempel fra atomfysikken, der elektronene beveger seg i skall omkring kjernen. Man forestiller seg at nukleonene på tilsvarende måte beveger seg i bestemte skall inne i kjernen. I atomfysikken forklarer man blant annet edelgassenes meget stabile egenskaper ved at elektronene der utgjør lukkede eller fylte skall. På samme måte kan man i kjernefysikken forklare de såkalte magiske tallene 2, 8, 20, 28, 50, 82 og 126. Kjerner med et slikt antall nøytroner eller protoner viser seg spesielt stabile og forekommer hyppigere enn andre kjerner, og man antar at dette skyldes at det tilsvarende nukleonskallet er fullt eller lukket.
Disse modellene er etter hvert utviklet videre, og man har oppnådd å komme frem mot en enhetlig teori for kjernens struktur. Etter hvert som den teoretiske beskrivelsen blir bedre, øker behovet for nøyaktigere målinger slik at teorien kan etterprøves. En videre utvikling av den teoretiske behandlingen forutsetter derfor at også det eksperimentelle grunnlaget utvides.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.