La metà del secolo scorso ha segnato la nascita di una nuova era nella storia dell'umanità. L'età della pietra fu un tempo sostituita dall'età del bronzo, poi si susseguirono i periodi del regno del ferro, del vapore e dell'elettricità. Siamo ora all'inizio dell'era dell'atomo. Anche la conoscenza più superficiale nel campo della struttura del nucleo atomico apre all'umanità orizzonti senza precedenti.
Cosa sappiamo del nucleo atomico? Il fatto che costituisca il 99,99% della massa dell'intero atomo e sia costituito da particelle che vengono comunemente chiamate nucleoni. Cosa sono i nucleoni, quanti di loro, cosa sono, ora ogni studente delle superiori che ha un solido quattro in fisica lo sa.
Come immaginiamo la struttura dell'atomo
Ahimè, non sarà presto che comparirà una tecnica che permette di vedere le particelle che compongono un atomo, un nucleo atomico. Ci sono migliaia di domande su come è organizzata la materia e ci sono anche molte teorie sulla struttura delle particelle elementari. Ad oggi, la teoria cherisponde alla maggior parte delle domande, è il modello planetario della struttura dell'atomo.
Secondo ciò, gli elettroni caricati negativamente ruotano attorno a un nucleo caricato positivamente, trattenuto dall'attrazione elettrica. Cosa sono i nucleoni? Il fatto è che il nucleo non è monolitico, è costituito da protoni e neutroni carichi positivamente - particelle con carica zero. Queste sono le particelle da cui è costruito il nucleo atomico, ed è consuetudine chiamarle nucleoni.
Da dove viene questa teoria, se le particelle sono così piccole? Gli scienziati sono giunti alla conclusione sulla struttura planetaria dell'atomo dirigendo fasci di varie microparticelle sulle piastre metalliche più sottili.
Quali sono le sue dimensioni
La conoscenza della struttura dell'atomo non sarà completa se non immagini i suoi elementi su una scala. Il nucleo è estremamente piccolo, anche rispetto all'atomo stesso. Se immagini un atomo, ad esempio, l'oro, sotto forma di un enorme pallone con un diametro di 200 metri, il suo nucleo sarà solo … una nocciola. Ma cosa sono i nucleoni e perché svolgono un ruolo così importante? Sì, se non altro perché in essi si concentra l'intera massa dell'atomo.
Nei nidi del reticolo cristallino, gli atomi d'oro si trovano abbastanza densi, quindi la distanza tra le "noci" vicine sulla scala da noi adottata sarà di circa 250-300 metri.
Protone
Gli scienziati sospettano da tempo che il nucleo di un atomo non sia una specie di sostanza monolitica. Le grandezze della massa e della carica, che crescevano a "passi" da un elemento chimico all' altro, erano dolorosamente impressionanti. Era logico supporreche ci sono alcune particelle con una carica positiva fissa, da cui vengono "raccolti" i nuclei di tutti gli atomi. Quanti nucleoni carichi positivamente ci sono nel nucleo, questa sarà la sua carica.
Le ipotesi sulla complessa struttura del nucleo atomico furono fatte nel periodo della costruzione da parte di Mendeleev della sua tavola periodica degli elementi. Tuttavia, le possibilità tecniche per confermare sperimentalmente le congetture non esistevano in quel momento. Solo all'inizio del 20° secolo Ernest Rutherford fece un esperimento che confermò l'esistenza del protone.
Come risultato dell'esposizione alla sostanza da parte della radiazione di metalli radioattivi, di tanto in tanto appariva una particella: una copia del nucleo di un atomo di idrogeno. Aveva lo stesso peso (1,67 ∙ 10-27 kg) e carica atomica +1.
Neutron
La conclusione sulla necessità di cercare un' altra particella, in contumacia chiamata neutrone, giunse rapidamente. Poiché la domanda su quanti nucleoni ci sono nel nucleo e cosa sono, risiede nella crescita irregolare della massa e carica con un cambiamento nel numero ordinale dell'elemento. Rutherford fece un'ipotesi sull'esistenza di un gemello protonico con carica zero, ma non riuscì a confermare la sua congettura.
In generale, gli scienziati nucleari avevano già una buona idea di cosa fossero i nucleoni e della composizione quantitativa dei nuclei atomici. E la particella sfuggente, ma scoperta sperimentalmente da nessuno, stava aspettando dietro le quinte. James Chadwick è considerato il suo scopritore, che riuscì a isolare l'"invisibile" dalla sostanza,sottoponendolo a bombardamento con nuclei di elio accelerati a velocità ultra elevate (particelle α). La massa della particella, come previsto, si è rivelata uguale alla massa del protone precedentemente scoperto. Secondo la ricerca moderna, il neutrone è leggermente più pesante.
Un po' di più sui "mattoni" del nucleo atomico
Calcolare quanti nucleoni nel nucleo di un elemento chimico o del suo isotopo è facile. Ciò richiede due cose: una tavola periodica e una calcolatrice, anche se puoi calcolare nella tua mente. Un esempio sono i due isotopi comuni dell'uranio: 235 e 238. Questi numeri rappresentano la massa atomica. Il numero di serie dell'uranio è 92, denota sempre la carica del nucleo.
Come sai, i nucleoni nel nucleo di un atomo possono essere protoni carichi positivamente o neutroni della stessa massa, ma senza carica. Il numero di serie 92 indica il numero nel nucleo dei protoni. Il numero di neutroni si calcola con una semplice sottrazione:
- - uranio 235, numero di neutroni=235 – 92=143;
- - uranio 238, numero di neutroni=238 – 92=146.
E quanti nucleoni possono essere riuniti alla volta? Si ritiene che ad un certo stadio della vita di stelle di massa sufficiente, quando la reazione termonucleare non è più in grado di frenare la forza di gravità, la pressione nelle viscere della stella aumenti così tanto da "attaccare" gli elettroni a protoni. Di conseguenza, la carica diventa zero e la coppia protone-elettrone diventa un neutrone. La materia risultante, costituita da neutroni "pressati", è estremamente densa.
Una stella che pesa nel nostro Sole si trasforma in una palladiverse decine di chilometri di diametro. Un cucchiaino di tale "porridge di neutroni" potrebbe pesare diverse centinaia di tonnellate sulla Terra.
