Tajne atomskog jezgra

Otkriće nedeljivog atoma nije zadovoljilo zelju naučnika za traganjem ka sve sitnijim delićima koji igrađuju materiju. Ubrzo nakon otkrića “nedeljivog” atoma, isti je opet razbijen, ali ovog puta nije bilo kao ranije. Naučnici su zaključili da je atom najsitniji delić materije koji se može dobiti hemijskim putem., ma koliko se mi trudili i mućkali različite supstance ne možemo da dobijemo gradivnu jedinicu materije manju od atoma. Jednostavno rečeno – “nož” hemičara nije bio dovoljno oštar da bi dalje sekao atom. Oštriji nož imali su fizičari, bili su to nuklearni reaktori i akceleratori. Počela je da se rađa jedna nova era u istoriji fizike i ljudske civilizacije uopšte – bila je to era nuklearne energije.

Atomsko jezgro svih elemenata se sastoji od protona i neutrona, dok je jezgro vodonika samo jedan proton. Protoni su čestice koje nose jedinično pozitivno naelektrisanje a neutroni ne poseduju naelektrisanje. Jezgro se karakteriše pozitivnim naelektrisanjem jednakim celobrojnom umnošku (Z) elementarnog naelektrisanja. Broj Z predstavlja redni broj hemijskog elementa u periodnom sistemu, on označava i broj protona u jezgru kao i broj elektrona koji kruži oko jezgra u neutralnom atomu. Setimo se da se u prirodi nalaze različiti izotopi jednog istog hemijskog elementa. Jezgra različitih izotopa istog elementa sastoje se od istog broja protona ali broj neutrona u njima je različit, tj. razlikuje se njihov maseni broj, a samim tim i njihova masa.

Jedna od osnovnih osobina jezgra je tzv. defekt mase. Precizna merenja mase jezgra i čestica koja ulaze u njegov sastav primećeno je da je ukupna masa protona i neutrona od kojih je sagrađeno jedno atomsko jezgro manja od mase jezgra. Ova razlika masa poznata je kao defekt mase. Ajnštajnovova teorija relativnosti daje vezu između mase i energije čuvenom relacijom E=mc². Promena mase sistema čestica prilikom formiranja jezgra zapravo predstavlja promenu energije, pa prema tome defekt mase jezgra meri količinu energije koja se oslobađa pri oslobađanju datog jezgra iz elementarnih čestica. Energija koja se oslobađa na ovaj način je za nekoliko miliona puta veća od energije koja se oslobađa prilikom hemijskih reakcija. Ovolika količina oslobođene energije prilikom formiranja jezgra ukazuje na to da je atomsko jezgro vrlo čvrsta tvorevima koju je mnogo teško razbiti) za razbijanje jezgra potrebno je uložiti bar onoliko energije koliko je oslobođenom prilikom nastanka jezgra).

Rekli smo da se atomsko jezgro sastoji od pozitivno naelektrisanih protona i neutralnih neutrona. Svi protoni koji se nalaze u jezgru se međusobno odbijaju i kada ne bi psotojala još neka privlačna sila svako jezgro bi se vrlo brzo raspalo. Ta sila koja drzi jezgro na okupu naziva se jaka sila. Ova sila je privlačna i deluje između protona i neutrona. Jaka sila je najjača sila u prirodi, ona je oko 100 puta jača nego elektrostatička, i 1045 puta je jača nego gravitaciona. Upravo ova sila je odgovorna za ogromnu količinu oslobođene energije prilikom nastanka atomskog jezgra.

Na osnovu do sada napisanog lako bi se moglo zaključiti da je atomsko jezgro ne može raspasti, ili ako ništa drugo da se ne može raspasti samo od sebe, ali to nije baš tako.

Fransuski fizičar A. Bekerel je 1896. godine , ispitujući soli urana, otkrio da one emituju nevidljive zrake koji izazivaju crnjenje foto-ploče. Ispitivanje zraka koje emituje uran u magnetnom polju zaključeno je da postoje tri komponente. Jedna od ovih komponenata skretala je kao i snop pozitivno naelektrisanih čestica. Ova komponenta nazvana je α-zraci. Druga komponenta je skretala kao negativno naelektrisanje čestice i označena je kao β-zraci. Treća komponenta (γ-zraci) uopšte nije skretala u magnetnom polju. Dve godine kasnije Marija i Pjer Kiri otkrili su dva nova elementa radijum i polonijum koji poseduju osobinu da daju zračenja kao i uran, ali intenzivnija. Osim toga oni su pronašli da ista svojstva poseduje i već poznati element torijum.

Dalja ispitivanja pokazala su da ovi zraci izazivaju biološke i hemijske promene, jonizuju gasove i da imaju veliku probojnu moć. Najveću probojnost imaju γ-zraci koji probijaju znatne debljine čvrstih tela, računajući tu i metale. Najmanju probojnost imaju α-zraci ali i oni mogu probiti tanke slojeve čvrstih tela (npr. staklo).

Temperatura supstanci koje emituju ovakvo zračenje uvek je veća od temperature sredine koja ih okružuje. To pokazuje da su ovi (radioaktivni) procesi praćeni neprekidnim oslobađanjem energije.

Raderford i njegovi saradnici su spektroskopskim analizama 1908. godine otkrili da se u ampuli koja sadrži manju količinu soli radijuma (RaCl2) pojavljuju dva nova gasa, koja se tamo ranije nisu nalazila. Spektar jednog gasa poklapao se sa spektrom helijuma, dok je spektar drugog gasa u to vreme bio nepoznat. Kasnije je ovaj nepoznati gas nazvan radon. Ova i slična posmatranja dovela su do objašnjenja radioaktivnosti kao procesa raspadanja atomskog jezgra koji se obavlja spontano (prirodno). Usled ovakvog raspadanja prvi element prelazi (transmutuje se) u druge elemente. U slučaju radijuma raspadanje se svodi na izbacivanje jezgra helijuma (α-čestice) iz jezgra. Preostali deo jezgra predstavlja jezgro novog elementa – radona, koji je takođe radioaktivan pa se proces nastavlja.

Ako bi se, na primer, radijum zatvorio u epruvetu onda bi količina radona u njoj u početku brzo rasla a zatim će dostići ravnotežnu količinu i dalje se nece menjati. Ovo stanje nastupa onda kada je broj novonastalih jezgara radona jednak broju jezgara koja se raspadnu za isti vremenski interval. Ovakvo stanje ravnoteže u fizici je poznato kao dinamička ravnoteža. Važno je reći da je radioaktivni raspad kvanto-mehanički proces. Videli smo da je za raspad jezgra potrebna ogromna količina energije i prema zakonima klasične fizike čestica ne može spontano dobiti tu energiju i izleteti iz jezgra. Radioaktivan raspad je složen proces u kome glavnu ulogu igraju kvantni fenomeni (princip neodređenosti, tunel efekat i slično) i upravo ti fenomeni dovode do raspada jezgra. Kako je po svojoj prirodni radioaktivni proces kvantni fenomen jasno je da u njemu verovatnoća igra ogroman značaj. Nemoguće je znati kada će se koji atom raspasti, raspad je slučajan proces. Ali, ma koliko ovaj proces bio slučajan on se pokorava nekim zakonima.

Osnovna karakteristika radioaktivnog raspada je tzv. period poluraspada. Period poluraspada je karakteristika svakog hemijskog elementa, tj. izotopa, i on predstavlja potrebno vreme da se raspadne polovina početnog broja jezgara. Za svaki proces radioaktivnog raspada mi nikada ne možemo da znamo kada će se koje jezgro raspasti ali sa sigurnošću znamo da će se za jedan period poluraspada raspasti tačno polovina ukupnog broja jezgara koja su postojala na početku merenja. Periodi poluraspada različitih poznatih elemenata se znatno razlikuju, na primer za uran on iznosi 4,4 milijardi godina dok je za radon taj period 3,825 dana, a postoje i jezgra sa mnogo kraćim periodom poluraspada.

Videli smo da postoje tri tipa zraka koji se emituju prilikom radioaktivnog raspada. Svakom od ovih tipova zraka odgovara po jedan tip radioaktivnog raspada pa tako možemo da govorimo o α,βiγraspadu. Analize zraka nastalih prilikom radioaktivnog raspada pokazale su da su α zraci već pomenute α čestice, tj. jezgra helijuma; β zrake predstavljaju vrlo brzi elektroni a γ zraci predstavljaju elektromagnetno zračenje velikih energija (ovi zraci prate proces α i βraspada). Simbolički prikazano αi βraspad mogu se predstaviti kao:

_ZX^M –> _Z-2Y^M-4 + ₂He⁴
_ZX^M –> _Z+1Y^M + _-1e⁰

Gde su X i Y početno i krajnje jezgro, Z – redni broj elementa, M – maseni broj, e – elektron. Iz ovih jednačina vidi se da tokom α raspada nastaje nov hemijski element koji, u periodnom sistemu Mendeljejeva stoji dva mesta ispred prvobitnog elementa dok prilikom β-raspada nastaje element koji se nalazi jedno mesto iza prvobitnog elementa.
Utvrđeno je da u prirodi postoje tri niza uzastopnih transmutacija jezgra, to su nizovi čiji su pozetni elementi uran ₉₂U²³⁵, torijum ₉₀Th²³² i izotop urana ₉₂U²³⁸. Sva tri niza počinju elementima sa izrazito velikim periodom poluraspada a sva tri niza završavaju na nekom od izotopa olova (Pb²⁰⁶, Pb²⁰³ i Pb²⁰⁷).

Danas je poznat i veliki broj radioaktivnih izotopa drugih elemenata koji se ne nalaze u prirodi i koji se mogu dobiti samo veštačkim putem. Svi ovi izotopi su nekada postojali u prirodi ali oni imaju vrlo kratak period poluraspada i uspeli su da se u potpunosti raspadnu na stabilne elemente.

*   *    *

Atomsko jezgro čuva ogromnu energije. Naučnici su to relativno brzo shvatili i pokušavali su da pronađu načine da tu energiju iskoriste. Nije bilo potrebno dugo čekati da čovek ovlada energijom atoma. Onog trenutka kada je postao gospodar atomske energije čovek je postao izrazito najmoćnije biće na planeti. On je postao potpuni gospodar planete, moć koju je dobio bila je dovoljna da može da uništi čitavu planetu. Svanulo je novo doba, doba nuklearne energije, nuklearnih elektrana i nuklearnih bombi.