Warto przeczytać

Jądro atomowe jest stanem związanym protonów i neutronów, nazywanych wspólnie nukleonami (Rys. 1.). Neutron jest cząstką obojętną elektrycznie, natomiast proton ma ładunek dodatni, +1$e$ ($e$ oznacza ładunek elementarny, równy co do wartości bezwzględnej ładunkowi pojedynczego elektronu). Obie cząstki mają podobne rozmiary i masy. Jądro atomowe jest bardzo małym obiektem, prawie pięć rzędów wielkości mniejszym niż atom. Można je sobie wyobrażać jako kroplę bardzo gęstej cieczy o promieniu rzędu kilku femtometrów1 fmfemtometrów ($1fm=10^{-15}m$) zbudowaną ze znajdujących się blisko siebie i wzajemnie oddziałujących nukleonów.

Re6p9mHNYtznT

Rys. 1. Rysunek ma charakter poglądowy, grafika w sposób symboliczny przedstawia: pod napisem nukleony, w dwóch naczyniach znajdujące się kulki, w jednym pomarańczowe, a w drugim niebieskie. Nad kulkami pomarańczowymi umieszczono opis: protony, nad niebieskimi opis: neutrony. Oba naczynia mają w dnie otwory, którymi kulki mogą wypadać i zbliżać się do siebie. Poniżej naczynia umieszczono obiekt składający się z ciasno zlepionych kilku kulek pomarańczowych i niebieskich. Odcinkiem zaznaczono rozmiar tego obiektu i opis dwa femtometry. Obiekt opisano jądro atomowe.

Każde jądro atomowe zbudowane jest tylko z dwóch typów cząstek, więc do jednoznacznego określenia, o jakie jądro nam chodzi, wystarczy podać liczbę budujących je protonów i neutronów. Do opisu jądra można użyć także całkowitej liczby nukleonów, czyli sumy liczb protonów i neutronów. Te trzy liczby: liczba protonów, liczba neutronów i ich suma służą do uszeregowania wszystkich zbadanych eksperymentalnie jąder atomowych, których znamy obecnie około 3500. Każda z tych liczb ma także przypisaną nazwę i niesie ze sobą określone informacje.

Zacznijmy od liczby protonów w jądrze atomowym (Rys. 2.).

Ru5hTwCA8OpRI

Rys. 2. Na rysunku znajduje się obiekt zbudowany z ciasno zlepionych czterech kulek czerwonych i pięciu kulek niebieskich. Obok jest napis: liczba protonów wielkie Z równa się 4.

W obojętnym elektrycznie (niezjonizowanym) atomie dowolnego pierwiastka liczba elektronów znajdujących się na powłokach elektronowych jest zawsze równa liczbie protonów znajdujących się w jądrze atomowym. Atomy o tej samej liczbie protonów w jądrze zachowują się identycznie pod względem chemicznym, dlatego liczba protonów posłużyła do uporządkowania pierwiastków w układzie okresowym. Liczbę protonów w jądrze atomowym nazywamy liczbą atomowąLiczba atomowaliczbą atomową i oznaczamy symbolem $Z$. Podanie liczby $Z$ jednoznacznie określa, o jaki pierwiastek nam chodzi. Obecnie (stan na rok 2019) znamy 118 pierwiastków. Najlżejszym pierwiastkiem jest wodór o symbolu H i liczbie atomowej $Z$ = 1. Natomiast najcięższym znanym pierwiastkiem jest oganesson o symbolu Og i $Z$ = 118, w którego jądrze atomowym znajduje się aż 118 protonów.

Liczbę neutronów w jądrze atomowym oznaczamy symbolem $N$ (Rys. 3.).

REpXG2zhhr2Xe

Rys. 3. Na rysunku jest obiekt składający się z ciasno zlepionych czterech kulek czerwonych i pięciu kulek niebieskich. Obok jest napis: liczba protonów wielkie Z równa się 4, liczba neutronów wielkie N równa się 5.

Neutrony jako cząstki obojętne elektrycznie nie oddziałują z elektronami i nie wpływają na strukturę powłok elektronowych, dlatego właściwości chemiczne atomów danego pierwiastka są niezależne od liczby neutronów w jądrze. Wpływa ona natomiast na właściwości fizyczne atomu, takie jak np. masa czy stabilność ze względu na przemiany promieniotwórcze. Atomy tego samego pierwiastka różniące się między sobą liczbą neutronów w jądrze atomowym nazywamy izotopamiIzotopyizotopami. Termin izotopIzotopyizotop pochodzi od dwóch greckich słów: isos – taki sam i topos – miejsce (w układzie okresowym pierwiastków).

Sumaryczną liczbę protonów i neutronów w jądrze nazywamy jego liczbą masowąLiczba masowaliczbą masową i oznaczamy symbolem $A$ (Rys. 4.).

RTXye9tTflZFC

Rys. 4. Na rysunku jest obiekt składający się z ciasno zlepionych czterech kulek czerwonych i pięciu kulek niebieskich. Obok jest napis: liczba protonów wielkie Z równa się 4, liczba neutronów wielkie N równa się 5. Na górze jest napis: liczba masowa wielkie A równa jest 9.

Zachodzi oczywisty związek $A=Z+N$. Jądra atomów różnych pierwiastków o tej samej liczbie masowej nazywamy izobaramiIzobaryizobarami. Izobarami są zatem jądra zbudowane z takiej samej liczby nukleonówNukleonynukleonów, różniące się między sobą liczbą atomową. W nazewnictwie stosowanym w fizyce jądrowej liczba masowa jest częściej używana niż liczba neutronów. Zdecydowały o tym względy praktyczne. Podanie nazwy pierwiastka wraz z liczbą masową jednoznacznie określa, o jaki izotopIzotopyizotop nam chodzi (Rys. 5.). Jednoznacznie określa też skład jego jądra atomowego.

RWTNHOgjWn8pD

Rys. 5. Na rysunku jest obiekt składający się z ciasno zlepionych czterech kulek czerwonych i pięciu kulek niebieskich. Poniżej obiektu z lewej strony jest symbol berylu Be. Powyżej obiektu z lewej strony nad symbolem Be jest cyfra 9.

Z prawej strony symbolu Be jest poziomy odcinek zakończony z obu końców strzałkami. Z drugiej strony tego odcinka jest napis: liczba protonów Z równa się 4. Z prawej stronu obiektu jest napis: liczba neutronów N równa się 5.

Z prawej strony cyfry 9 jest poziomy odcinek zakończony z obu końców strzałkami. Z drugiej strony tego odcinka jest równanie: liczba neutronów N dodać liczba protonów Z równa się liczba masowa 9.

Fizyk jądrowy prosząc drugiego fizyka jądrowego o izotop uranu ($Z\mathrm{=\; 92}$) o liczbie neutronów $N\mathrm{=\; 146}$ powie po prostu: “Podaj mi, proszę, uran‑238”.

Skład dowolnego jądra atomowego można opisać stosując różne notacje. Najbardziej podstawowym jest zapis:

gdzie $X$ oznacza symbol pierwiastka, a $A$ oznacza liczbę masową. Jądro uranu‑238 możemy zatem zapisać jako ${}^{238}U$. Często spotykany jest również zapis uwzględniający liczbę atomową pierwiastka $Z$:

W tym zapisie jądro uranu‑238 zapisujemy jako ${}_{92}^{238}U$. Najbardziej rozbudowany zapis, ale również najrzadziej stosowany, uwzględnia również liczbę neutronów $N$:

Używając tej metody zapisujemy ${}_{92}^{238}{U}_{146}$.

Podane powyżej metody zapisu składu jąder atomowych mają również swoje zastosowanie w zapisie reakcji jądrowych i przemian promieniotwórczych. Więcej na ten temat możesz przeczytać w e‑materiałach “Zapis równań reakcji jądrowych” oraz “Zasada zachowania ładunku elektrycznego i całkowitej liczby nukleonówNukleonynukleonów w reakcjach jądrowych”.

Więcej na temat budowy jądra atomowego możesz dowiedzieć się w e‑materiale “Jak definiujemy jądro atomowe?”. Struktura nukleonówNukleonynukleonów jest omówiona w e‑materiale “Z jakich kwarków składa się proton, a z jakich neutron?”.

Słowniczek