Ο πυρήνας του ατόμου έχει δομή

Παρουσίαση με θέμα: "Ο πυρήνας του ατόμου έχει δομή"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Ο πυρήνας του ατόμου έχει δομή
20ος αιώνας Ο πυρήνας του ατόμου έχει δομή

2 Όπως συνέβη και με το ηλεκτρόνιο η άκρη του νήματος που οδήγησε
ΠΡΩΤΟΝΙΟ Όπως συνέβη και με το ηλεκτρόνιο η άκρη του νήματος που οδήγησε στο πρωτόνιο βρίσκεται στη μελέτη της αγωγιμότητας σε σωλήνα υψηλού κενού. Το 1886 ο Γερμανός Eugen Goldstein χρησιμοποίησε μία διάτρητη κάθοδο μέσα στον καθοδικό σωλήνα και διαπίστωσε την ύπαρξη «ακτίνων» οι οποίες «φαίνονταν» να διαδίδονται μέσα από τις οπές της καθόδου σε αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη των καθοδικών ακτίνων. Στις ακτίνες αυτές έδωσε στο όνομα Kanalstrahlen το οποίο στην ελληνική γλώσσα αποδόθηκε ως Διαυλικές ακτίνες. Μερικά χρόνια αργότερα ο Γάλλος Perrin απέδειξε εργαστηριακά ότι κάθε τέτοια δέσμη αποτελείται από θετικά φορτισμένα σωματίδια. Μετά το ενδιαφέρθηκε για τις ακτίνες αυτές και ο J.J. Thomson. Τις ονόμασε Positive rays -στα ελληνικά Θετικές ακτίνες- και χρησιμοποιώντας μορφές «ανάκρισης» με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία κατάφερε να καταγράψει και να συγκρίνει τις εκτροπές διαφορετικών θετικών «ιόντων». Η μέθοδος αυτή έμελλε να οδηγήσει στην ανακάλυψη των ισοτόπων

3 Ernest Rutherford Στο μεταξύ είχε ήδη πάρει σκυτάλη στα χέρια του ο βασικός ερευνητής του φαινομένου ραδιενέργεια, ο Ernest Rutherford, ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός της γενιάς του . Ανάμεσα στο 1906 και το 1909 χρησιμοποιώντας την ίδια με τον J.J. Thomson «μέθοδο ανάκρισης με μαγνητικά πεδία» -ερεύνησε εντατικά τη φύση των σωματιδίων ΑΛΦΑ που εκπέμπονταν από κάθε ραδιενεργό παρασκεύασμα, για να καταλήξει στο συμπέρασμα ότι κάθε μεμονωμένο σωματίδιο ΑΛΦΑ είναι ένα άτομο Ηλίου χωρίς ηλεκτρόνια.

4 Έτος 1914. Το σωματίδιο PROTON
Έτος Το σωματίδιο PROTON Το 1914 υπέθεσε ότι οι απλούστερες θετικές ακτίνες είναι οι προερχόμενες από αέριο Υδρογόνο και σ’ αυτή την περίπτωση κάθε κινούμενο σωματίδιο αυτών των ακτίνων θα έπρεπε να είναι ΤΟ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ, ΜΕ ΘΕΤΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ, ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ ΤΗΣ ΥΛΗΣ, στο οποίο έδωσε το όνομα proton.  Και μέσα από μία λογική παρόμοια με εκείνη που είχε επικρατήσει για τα ηλεκτρόνια, γρήγορα κυριάρχησε η άποψη ότι όλα τα πρωτόνια του Σύμπαντος ήταν ίδια και βρίσκονταν μέσα στα άτομα της ύλης.  Για τα επόμενα δεκαοκτώ χρόνια η επικρατούσα άποψη ήταν ότι τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ήταν τα μοναδικά σωματίδια που συγκροτούσαν την ύλη.   Στην ελληνική γλώσσα το proton του Rutherford αποδόθηκε με τη λέξη πρωτόνιο. Στη γαλλική γλώσσα είναι proton, στη γερμανική και στη σουηδική, γράφεται επίσης proton, στην ιταλική protone, στην ισπανική protón, στην πορτογαλική protão, στη ρωσική протон, στη δανική protoner, στη σερβική proton, στην αλβανική protonet

5 Πρώτη γενιά των βομβαρδισμών
ΒΟΜΒΑΡΔΙΣΜΟΙ με αόρατα βλήματα Πρώτη γενιά των βομβαρδισμών Σωματίδια ΑΛΦΑ

6 αν . . ΒΟΜΒΑΡΔΙΖΑΜΕ . . θα μπορούσαμε ίσως να προκαλέσουμε ΑΛΛΑΓΗ στο στοιχείο ;

7 σωματίδια άλφα, Το "Άλφα" μάθημα του Πατριάρχη
Ο ιδέα ήταν ότι θα μπορούσε να ερευνηθεί η ύλη με την εργαστηριακή μέθοδο «βομβαρδισμός των πυρήνων» . Ποια θα ήταν όμως τα ΑΟΡΑΤΑ ΒΛΗΜΑΤΑ ; Για τον Πατριάρχη της εργαστηριακής έρευνας τα καταλληλότερα βλήματα ήταν τα ήδη δοκιμασμένα σωματίδια άλφα, «γυμνοί πυρήνες Ηλίου πολύ μεγάλης ενέργειας –της τάξης των 4 MeV- που προσφέρονταν γενναιόδωρα από ένα ραδιενεργό δείγμα.

8 τη μετατροπή του πυρήνα σε πυρήνα άλλου στοιχείου.
Αυτό ήταν το μάθημα του πατριάρχη Ράδερφορντ. Μέσα από την τεράστια ερευνητική του πείρα συμπέραινε ότι καμιά χημική μέθοδος δεν μπορεί να επηρεάσει τον πυρήνα παρά μόνον η διείσδυση σωματιδίων στο εσωτερικό του. Η διείσδυση αυτή θα μπορούσε να προκαλέσει κάποια αναστάτωση και μία ενδεχόμενη ανακατάταξη του πυρηνικού υλικού, με κατάληξη τη μετατροπή του πυρήνα σε πυρήνα άλλου στοιχείου.

9 επί είκοσι περίπου χρόνια οι πειραματιστές
Τα δοκιμασμένα άλφα, ήταν σωματίδια μεγάλης ταχύτητας, με σχετικό βέβαια μειονέκτημα το θετικό ηλεκτρικό τους φορτίο το οποίο εμπόδιζε τη διείσδυση, δεδομένου ότι έπρεπε να διαθέτει ενέργεια τόση ώστε να αντιμετωπίσει τα τείχη που όρθωνε το επίσης θετικό φορτίο του πυρήνα, το –στη γλώσσα των φυσικών- λεγόμενο «φράγμα δυναμικού». Την απαιτούμενη βέβαια ενέργεια την διέθεταν τα άλφα γι αυτό και επί είκοσι περίπου χρόνια οι πειραματιστές τα χρησιμοποιούσαν σε όλους σχεδόν τους σχετικούς βομβαρδισμούς. Με αυτά πραγματοποιήθηκε, το 1911, το ιστορικό πείραμα του βομβαρδισμού του φύλλου χρυσού που οδήγησε στην πρόταση για το πυρηνικό μοντέλο του ατόμου.

10 βομβάρδισε το πυρήνα άζωτο μετατρέποντάς το σε οξυγόνο,
Με αυτά, το 1919, ο ίδιος ο πατριάρχης βομβάρδισε το πυρήνα άζωτο μετατρέποντάς το σε οξυγόνο, 42He 147N 11H + 178O + για να γίνει ο πρώτος άνθρωπος που μετέτρεψε ένα χημικό στοιχείο σε ένα άλλο στοιχείο, υλοποιώντας σε μια σύγχρονη έκδοση το όνειρο των αλχημιστών.

11 Με προερχόμενα από ραδιενεργό πολώνιο
βλήματα άλφα βομβάρδισε το 1928 ο Walther Bothe το Βηρύλλιο για να διαπιστώσει τη δημιουργία μιας πολύ διεισδυτικής δέσμης στην οποία δεν μπόρεσε να διακρίνει το νετρόνιο. Με προερχόμενα από ένα εξαιρετικά ισχυρό παρασκεύασμα Πολωνίου βλήματα αλφα η Irène Joliot -Curie και ο Frederic Joliot επανέλαβαν, το 1931, τους βομβαρδισμούς βηρυλλίου χωρίς να μπορέσουν να διακρίνουν το σωματίδιο νετρόνιο. Με τα ίδια βλήματα άλφα , το 1934 οι δύο Γάλλοι βομβάρδισαν το αλουμίνιο για να ανακαλύψουν έτσι το φαινόμενο τεχνητή ραδιενέργεια.

12

13 ανακάλυψε το σωματίδιο νετρόνιο
ΝΕΤΡΟΝΙΟ Στο μεταξύ το 1932, με τα ίδια - προερχόμενα από πολώνιο - βλήματα άλφα ο James Chadwick, πιστός μαθητής του πατριάρχη, βομβάρδισε το Βηρύλλιο και έκανε διαφορετική ανάγνωση από τους προηγούμενους ανακάλυψε το σωματίδιο νετρόνιο που άνοιξε την δρόμο για την καινούρια φάση της πυρηνικής φυσικής.

14 Δεύτερη γενιά των βομβαρδισμών
ΒΟΜΒΑΡΔΙΣΜΟΙ με αόρατα βλήματα 1932 Δεύτερη γενιά των βομβαρδισμών ΝΕΤΡΟΝΙΑ

15 Νετρόνια της Αγίας Βραδύτητας.
Enrico Fermi. Επί 25 περίπου χρόνια το «ΑΛΦΑ μάθημα» του πατριάρχη της εργστηριακής έρευνας υπήρξε ξεκάθαρο και έδωσε εντυπωσιακά αποτελέσματα. Όταν λοιπόν το 1932 ανακαλύφθηκε ότι υπάρχουν και νετρόνια οι φυσικοί αναρωτήθηκαν μήπως «τα χωρίς ηλεκτρικό φορτίο αυτά σωματίδια θα μπορούσαν να πλησιάζουν τους πυρήνες ως δολιοφθορείς και να εισέρχονται με μεγάλη ευκολία στο εσωτερικό τους. Ειδικά μάλιστα ο Ενρίκο Φέρμι υποψιάστηκε ότι τα αργά νετρόνια είναι ίσως πιο δραστικά από τα «βιαστικά». Σύντομα η υποψία του επιβεβαιώθηκε. Το φθινόπωρο του 1934, οι φυσικοί της ερευνητικής του ομάδας παρατήρησαν ότι τα νετρόνια που διέρχονταν μέσα από παραφίνη ήταν πολύ πιο δραστικά από εκείνα που εκπέμπονταν απευθείας από πηγή ραδονίου-βηρυλλίου.

16 Ο Φέρμι διετύπωσε την απρόβλεπτη ερμηνεία ότι τα βραδέα νετρόνια ήταν πιο δραστικά από τα σχετικώς ταχύτερα που παράγονταν κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις και αφοσιώθηκε στην αξιοποίηση αυτής της διαπίστωσης. Άρχισε να βομβαρδίζει με αργά νετρόνια – με κινητική ενέργεια όση τα μόρια του αέρα ενός δωματίου- τους πυρήνες διαφόρων χημικών στοιχείων και να δημιουργεί μεταστοιχειώσεις. Ήταν οι πρώτες πυρηνικές αντιδράσεις με ΝΕΤΡΟΝΙΑ τα οποία εμφανίστηκαν αποτελεσματικότεροι εκπορθητές των πυρηνικών κάστρων από τα ΑΛΦΑ του πατριάρχη Ράδερφορντ. κι ας είχαν ελάχιστη κινητική ενέργεια σε σχέση με αυτά. Ο Όττο Χαν έγραψε τότε: « Ο Ιταλός Φέρμι είναι ο πρώτος ο οποίος υπέδειξε τη μεγάλη σημασία των νετρονίων στην πραγματοποίηση πυρηνικών αντιδράσεων. Αυτός και οι συνεργάτες του βομβάρδισαν όλα τα στοιχεία του περιοδικού συστήματος με νετρόνια και πήραν κατ’ αρχήν ραδιενεργά ισότοπα των ίδιων στοιχείων τα οποία στη συνέχεια με εκπομπή ακτίνων β μεταστοιχειώνονταν

17 Νετρόνια και σχάση του πυρήνα. Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι Ιταλοί ερευνητές υπό την καθοδήγηση του Enrico Fermi, βομβάρδισαν τους πυρήνες όλων των στοιχείων του Περιοδικού Πίνακα , φθάνοντας μέχρι και το Ουράνιο, το βαρύτερο στοιχείο με τα 92 πρωτόνια. Κατά την «ανάγνωση», όμως, του γεγονότος ’’μεταστοιχείωση του ουρανίου’’ ένα νέο σοβαρό ερωτηματικό έκανε την εμφάνισή του. Ποια ήταν τα προϊόντα της πυρηνικής αυτής αντίδρασης; Ο Φέρμι διετύπωσε την άποψη ότι προκύπτουν πυρήνες άγνωστων στοιχείων βαρύτερων από το ουράνιο τα οποία ονόμασε υπερουράνια. Η συγκεκριμένη άποψη δεν έπεισε τους θεωρητικούς, όπως δεν έπεισε και μία εντελώς διαφορετική «ανάγνωση» , το 1935, σύμφωνα με την οποία, μετά την εισβολή του νετρονίου, ο πυρήνας του ουρανίου διασπάται σε δύο κομμάτια. Ήταν η ώρα που έκαναν την εμφάνισή τους στο προσκήνιο δύο μεγάλοι γερμανόφωνοι επιστήμονες άνθρωποι με βαθιά θεωρητική κατάρτιση αλλά και με αξιοζήλευτη πειραματική εμπειρία. Ο Γερμανός χημικός Όττο Χαν και η γεννημένη στη Βιέννη Λίζε Μάιτνερ που εκτός από γυναίκα ήταν και Εβραία

18 έδειχνε να είναι Βάριο, ένα στοιχείο με ατομικό αριθμό μόλις 56.
« Απίστευτο. . . αλλά ΕΙΝΑΙ Βάριο » 1939 και ο Otto Hahn σε συνεργασία με τον Fritz Strassmann επαναλαμβάνει για μία ακόμα φορά τον συνήθη βομβαρδισμό των πυρήνων με ΝΕΤΡΟΝΙΑ εστιάζοντας την προσοχή του στη χημική ανάλυση του «στόχου» διαπιστώνει κάτι εντυπωσιακό. Με τους βομβαρδισμούς «έκαναν την εμφάνισή τους» ίχνη ενός στοιχείου το οποίο – μολονότι αδιανόητο – έδειχνε να είναι Βάριο, ένα στοιχείο με ατομικό αριθμό μόλις 56.

19 το τούβλο και το ρεβίθι Ύστερα από εξαντλητικές χημικές αναλύσεις οι δύο χημικοί κατέληξαν στο ότι το Βάριο είναι αναμφίβολα Βάριο. Το αναμφίβολο ήταν συγχρόνως και αδιανόητο. Και ήταν αδιανόητο γιατί η άποψη ότι «κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις επιτρέπονται μικρά μόνο άλματα μεταστοιχείωσης κατά μία ή δύο το πολύ θέσεις» είχε γίνει ένα είδος αμετακίνητης αλήθειας και ο πυρήνας του Βαρίου είναι περίπου ο μισός από εκείνον του Ουρανίου. Η εργαστηριακή ανάλυση έλεγε ότι με ένα αργό νετρόνιο είχαν διασπάσει τον πυρήνα του Ουρανίου σε δύο περίπου ίσα κομμάτια και σύμφωνα με τις αποδεκτές τότε θεωρίες αυτό ήταν τόσο αδιανόητο όσο το να σπάσει κανείς ένα τούβλο φυσώντας πάνω του ένα ρεβίθι με καλαμάκι.

20 οι δύο ατομικοί αριθμοί 56 και 36 προστιθέμενοι δίνουν τον αριθμό 92
Γρήγορα ωστόσο διαπίστωσαν ότι εκτός από Βάριο 56 ο βομβαρδισμός δημιουργούσε και Κρυπτόν 36 και οι δύο ατομικοί αριθμοί 56 και 36 προστιθέμενοι δίνουν τον αριθμό 92 που είναι ο ατομικός αριθμός του Ουρανίου. Οι δύο συνεργάτες βρέθηκαν σε αμηχανία. Είχαν εκτελέσει τα πειράματά τους με μεγάλη προσοχή αλλά μια τέτοιου είδους εξέλιξη ήταν κυριολεκτικά ανεξήγητη.

21 ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΙΟΥ,
Εβραία, γυναίκα, φυσικός, μόνη, ψάχνει Παραμονές Χριστουγέννων και η Lise Meitner παίρνει την επιστολή του Otto Han. Κατά τη διάρκεια των χριστουγεννιάτικων διακοπών συναντά τον ανεψιό της Otto Frisch. Είναι κι εκείνος φυσικός, έχει επίσης αποδράσει από τη Γερμανία από το 1933 και από το 1934 εργάζεται στο εργαστήριο του Bohr στην Κοπεγχάγη. Η συνεργασία των δύο φυσικών πάνω στο συγκεκριμένο ζήτημα έδωσε γρήγορα καρπούς. Εξέφρασαν την άποψη ότι πρόκειται για ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΙΟΥ, απέδειξαν ότι η συγκεκριμένη διάσπαση ήταν ενεργειακά εφικτή και βασιζόμενοι το μοντέλο του Bohr για τον ατομικό πυρήνα έδωσαν μια ικανοποιητική ερμηνεία για τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου 235

22 Στο πυρηνικό μοντέλο που είχε προτείνει το 1936 ο Bohr τα σωματίδια του πυρήνα είναι προσκολλημένα το ένα στο άλλο όπως τα μόρια μιας σταγόνας νερού και συγκρατούνται από μία μυστηριώδη ελκτική «πυρηνική» δύναμη που είναι τόσο ισχυρή ώστε να υπερνικά την ηλεκτρική άπωση ανάμεσα στα στοιβαγμένα πρωτόνια με το θετικό φορτίο. Η μυστηριώδης ωστόσο αυτή δύναμη έχει πού μικρή εμβέλεια, δρα δηλαδή σε πολύ μικρές αποστάσεις που αντιστοιχούν σε κλάσμα της διαμέτρου του πυρήνα και πέρα από αυτές τις αποστάσεις οι απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις υπερισχύουν . Σύμφωνα με τη δική τους θεώρηση όταν ένα σωματίδιο συλληφθεί από τον «υγρό» πυρήνα, εκείνος αρχίζει να πάλλεται βίαια. Σε κάποια φάση της παλμικής αυτής κίνησης είναι δυνατόν να τεντωθεί αποκτώντας ένα σχήμα επίμηκες. Οι μικρής εμβέλειας ελκτικές πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι πλέον αρκετά ισχυρές ώστε να τον κρατήσουν σε συνοχή. Οι απωστικές ηλεκτρικές δυνάμεις αναλαμβάνουν τότε ρόλο να αρχίσουν να απομακρύνουν όλο και περισσότερο τα δύο άκρα του πυρήνα έτσι που θα δημιουργηθεί κάπου στο μέσον ένας λαιμός και ο πυρήνας θα χωριστεί με τον τρόπο που διαιρούνται τα βιολογικά κύτταρα αλλά με πολύ ταχύτερο ρυθμό

23

24 Σε ένα άρθρο, ορόσημο για την πυρηνική φυσική, το οποίο δημοσίευσαν στο περιοδικό Nature προτείνουν για το καινούριο φαινόμενο τον δανεισμένο από τη βιολογία, όρο Kernspalung, στα αγγλικά Nuclear Fission και στην ελληνική γλώσσα Πυρηνική Σχάση. 10n U 14156Ba Kr n Ο Otto Frisch γύρισε βιαστικά στην Κοπεγχάγη ώστε να προλάβει να ενημερώσει τον Niels Bohr διότι «ο δάσκαλος» θα έφευγε για τις Ηνωμένες Πολιτείες. Έτσι ο Bohr μετέφερε αμέσως στην Αμερική το συνταρακτικό νέο. Εκείνη την εποχή έχει φθάσει στην Αμερική και ο Ενρίκο Φέρμι, αηδιασμένος από το φασιστικό καθεστώς της Ιταλίας, με σκοπό να εγκατασταθεί μόνιμα εκεί. Όταν έμαθε το νέο εντυπωσιάστηκε και αφοσιώθηκε στο να ανακαλύψει και άλλες συνέπειες του φαινομένου Πυρηνική Σχάση. Αλλά και ο ίδιος ο Niels Bohr θα συμβάλλει στην παραπέρα θεωρητική επεξεργασία του φαινομένου. Σε συνεργασία με τον Wheeler θα αποφανθεί ότι μόνο το ισότοπο Ουράνιο 235 και όχι το 238 μπορεί να υποστεί την πυρηνική σχάση με βραδύ νετρόνιο

25 με απελευθέρωση τρομακτικών ποσοτήτων ενέργειας.
Δύο αξιοσημείωτες επισημάνσεις προσέδιδαν στην καινούρια ανακάλυψη τρομακτικό ενδιαφέρον, όχι μόνο για την εξέλιξη της φυσικής, αλλά και για το παγκόσμιο κοινωνικό γίγνεσθαι. Η πρώτη ήταν ότι η σχάση κάθε ατομικού πυρήνα ουρανίου 235 φαινόταν να συνοδεύεται με απελευθέρωση τρομακτικών ποσοτήτων ενέργειας. δηλαδή; πόσο τρομακτικές ; Περίπου 200 MeV σε κάθε σχάση Συγκρινόμενη με εκείνη των σωματιδίων της ραδιενέργειας - μερικά MeV - είναι τεράστια

26 Πώς δικαιολογείται τόση ενέργεια ;
Οι πυρήνες με ατομικούς αριθμούς γύρω στο 120 είναι σταθερότεροι από τους αντίστοιχους με Α = 240 . Η ενέργεια σύνδεσης ανά νουκλεόνιο των Α = 240 είναι περίπου 7,6 MeV ανά νουκλεόνιο, ενώ για Α= 120 είναι περίπου 8,5 MeV ανά νουκλεόνιο. Η διαφορά 8,5 MeV- 7,6 MeV = 0,9 MeV για 235 νουκλεόνια είναι περίπου 210 MeV

27 έκαναν την εμφάνισή τους έως και τρία νετρόνια,
Η δεύτερη επισήμανση ήταν ότι ενώ κάθε σχάση συντελείται με ένα μόνο νετρόνιο, στα προϊόντα της εκτός από τους δύο πυρήνες-θραύσματα έκαναν την εμφάνισή τους έως και τρία νετρόνια, καθένα από τα οποία θα μπορούσε με τη σειρά του να προκαλέσει μία νέα σχάση.

28

29 Ποια είναι τα προϊόντα της σχάσης;
Δεν προκύπτει πάντα Βάριο και Κρυπτόν; Έχουν αναγνωριστεί περισσότερα από 100 πυρήνες που αντιπροσωπεύουν περισσότερα από 100 στοιχεία Τα περισσότερα από τα θραύσματα έχουν μαζικούς αριθμούς από 90 έως 100 και από 135 έως 145.

30 10n U 14054 Xe Sr n 10n U 14355 Cs Rb n

31 users.sch.gr/kassetas