|
|
|
ATOMUL
INVELISUL ELECTRONIC AL ATOMULUI
MISCAREA ELECTRONULUI
FOTONUL ELECTRONIC
NUMERE CUANTICE ELECTRONICE
STRATURI, SUBSTRATURI SI ORBITE ELECTRONICE
NUCLEUL ATOMIC
INTERACTIUNEA ELECTRONULUI CU NUCLEONII
FOTONUL NUCLEAR
NUMERE CUANTICE NUCLEARE
STRATURI SI ORBITE NUCLEARE
SARACIREA NUCLEULUI ATOMIC PRIN
DEZINTEGRARE NUCLEARA RADIOACTIVA
INTERACTIUNEA NEUTRONILOR SI PROTONILOR CU NUCLEUL ATOMIC
REACTIA DE FISIUNE NUCLEARA NECONTROLATA
Atomul este cea mai complexa particula existenta in natura. Atomul este alcatuit din invelis electronic, nucleu si orbite.
Orbitele atomului sunt de doua feluri, orbitele electronice si nucleare. Invelisul electronic al atomului se compune din orbitele electronice pe care sunt asezati si se rotesc electronii. Orbitele electronice sunt dispuse la exteriorul nucleului atomic pe sapte straturi K, L, M, N, O, P, Q si sapte substraturi s, p, d, f, g, h, i care contin un numar de 140 de orbite electronice indiferent de natura atomului.
Electronii sunt particule incarcate din punct de vedere electric negativ. Nucleul atomic se compune din orbitele nucleare pe care sunt asezati si se rotesc nucleonii: protonii si neutronii.
Orbitele nucleare sunt dispuse in interiorul nucleului atomic pe sapte straturi A, B, C, D, E, F, G si contin un numar de sapte orbite nucleare inchise in jurul unui centru de masa, indiferent de natura atomului. Protonii sunt particule incarcate din punct de vedere electric pozitiv. Neutronii sunt particule neutre din punct de vedere electric. Un atom este un sistem neutru din punct de vedere electric, deoarece numarul sarcinilor electrice negative, electronii este egal cu numarul sarcinilor electrice pozitive, protonii.
Invelisul electronic al atomului este alcatuit din electroni care sunt asezati si se rotesc pe orbite electronice situate la exteriorul nucleului atomic.
Pentru a explica modul de asezare a electronilor in jurul nucleului, cum si spectrul de linii (discontinuu) dat de atomii diferitelor elemente, Niels Bohr, folosind modelul atomului planetar al lui Rutherford si teoria cuantelor a lui Plank, formuleaza in 1913 trei postulate:
- miscarea electronului in jurul nucleului se face numai pe anumite orbite, stationare sau permise care corespund unor energii cuantificate a atomului
- in cursul miscarii electronului pe o orbita permisa, atomul isi conserva energia sa totala, adica nu absoarbe si nu emite energie
- absorbtia sau emisia de energie luminoasa are loc numai la salturile electronului de pe orbita inferioara pe una superioara si la revenirea lui inapoi.
Electronii au energie si masa.
Acestea pot fi, constante atunci electronul se gaseste pe orbita fundamentala, sau poate creste prin absorbtia unui foton din exteriorul atomului si atunci acesta va trece pe o orbita superioara. Acest foton este o particula neutra din punct de vedere electric si se numeste foton electronic care arata starea de excitatie a atomului. Electronul aflat pe aceasta orbita, nu are o situatie stabila si va reveni pe orbita fundamentala, eliberand fotonul electronic si energia primita.
Odata cu emiterea acestui foton electronic atomul trece din starea de excitatie in starea fundamentala.
Variatia energiei dintre cele dou" stari este data de relatia DE = Ey - Ei = hn.
Atomul de hidrogen are un singur electron, intre acesta si nucleu exista o forta de atractie electrostatica a carei intensitate este prezentata in ecuatia 1, iar pentru ca electronul sau sa nu cada pe nucleu exista o forta centrifuga 2 care este egala cu forta de atractie electrostatica, de unde rezulta ecuatia 3.
Actiunea electronului care se roteste pe orbita in miscare de revolutie, mญญญญ2w2p, este egala cu un multiplu al lui h, adica ecuatia morญญญญญญญญญญญญญญw2π = nh, unde n = 1,2,3.
Ridicam la patrat ecuatia si o impartim la ecuatia de mai sus si obtinem ecuatia 4, de unde rezulta ca, razele orbitelor atomului de hidrogen 5 sunt proportionale cu patratele numerelor intregi 1, 4, 9, 16, (Tabelul 1a).
Electronul care se roteste pe o orbita are, pe de o parte energie cinetica6, unde membrul din dreapta este egal cu ecuatia 7, iar pe de alta parte contine si energie potentiala 8 care este negativa, deoarece in timpul caderii sale pe o orbita mai apropiata de nucleu, electronul pierde energie pe care o cedeaza in exterior. In cazul acesta, energia totala este 9, unde introducem valoarea lui r si obtinem valoarea electronului pe orbita n, 10.
Daca electronul cade de pe o orbita superioara m, pe una inferioara n, atunci se elibereaza diferenta de energie Em - En = hn si deci, frecventa energiei emise este conform ecuatiei 11. Fractia din fata parantezei contine numai marimi constante, de unde se obtine constanta lui Rydberg, R = 3,288 . 1015Hz.
In final rezulta ecuatia 12 care reprezinta frecventa si toata lungimea de unda emisa de atom si frecventa luminii care este absorbita de atom.
Daca atomului de hidrogen ii furnizam suficienta energie din exterior, el poate emite o parte a spectrului de radiatii electromagnetice si anume: radiatii hertiene, radiatii termice care se impart in radiatii infrarosii, vizibile si ultraviolete (Tabelul 1b), iar daca acestuia ii furnizam energia hn = 21,78 . 10-12 erg, adica, 13,6 eV, cu ajutorul unui fascicul de fotoni ultravioleti sau nucleari g sau X, atunci atomul pierde electronul si devine ion pozitiv, protonul si electronul devin liberi.
Sommerfeld (1916) dezvoltand teoria lui Bohr, considera ca electronul se poate roti nu numai pe orbite circulare, dar si pe orbite eliptice, nucleul atomic gasindu-se intr-unul din cele dou" focare ale elipsei.
Electronii rotindu-se in jurul nucleului, au dupa mecanica cuantica sau ondulatorie, atat proprietati de particula cat si de unda, ceea ce le confera anumite functii de unda orbitale.
Electronul ocupand o orbita este caracterizat prin 4 numere cuantice.
1. Numarul cuantic principal n determina numarul straturilor electronice.
Electronii cu acelasi numar cuantic principal se gasesc la aceeasi distanta de nucleu formand un strat electronic. Numarul cuantic principal poate avea valorile n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 si 7 care se numesc stratul K, L, M, N, O, P si Q.
Stratul n=1 se numeste stratul electronic K care se afla cel mai aproape de nucleul atomic si are nivelul energetic cel mai mic. Cu cat valorile lui n sunt mai mari, cu atat stratul se afla la o distanta mai mare de nucleu, legatura dintre electronii existenti din acel strat si nucleul atomului este mai slaba.
2. Numarul cuantic secundar l determina substraturile electronice, adicaorbitele si forma lor care poate fi circulara sau eliptica.
Valorile lui l depinde de valoarea corespunzatoare a lui n, iar l poate avea valorile 0, 1, 2, 3,n - l, deoarece intre numere cuantice n si l exista relatia l = n - 1.
De exemplu, pentru stratul M determinat de numarul cuantic principal n = 3, vom avea trei substraturi electronice pentru care l are valorile 0, l si 2. Cu cat l are valoarea mai mica cu atat orbita sa eliptica este mai alungita, la valoarea maxima a lui l, adica l = n - l, elipsa se transforma in cerc.
3. Numarul cuantic magnetic m determina pozitia spatiala (orientarea in spatiu) a planului orbitelor electronice. El poate avea toate valorile intregi negative si pozitive cuprinse intre - l si + l:
-l,-2, -1, 0, +1, +2,+l
De exemplu; l = 0; m = 0;
l = l ; m = - l, 0, + l;
l = 2; m = -2, -1, 0, + l, + 2.
4. Numarul cuantic al spinului s se datoreste miscarii electronului in jurul propriei sale axe, miscare numita spin electronic care da nastere unui moment magnetic propriu al electronului.
Deoarece relatia electronului in jurul axei sale nu se poate face decat in doua sensuri, numarul cuantic al spinului s nu poate avea decat doua valori: +1/2 sau - 1/2, dupa cum sensul rotatiei electronului este paralel sau antiparalel cu acela al rotirii orbitei electronice.
Tinand seama de valorile pe care le pot lua cele 4 numere cuantice n, l, m, s si de principiul de excluziune a lui Pauly care spune ca, 'intr-un atom nu pot exista doi electroni care sa aiba toate cele 4 numere cuantice identice' sau cei doi electroni care apartin aceluiasi atom aflati pe o orbita electronica, se deosebesc intre ei, cel putin printr-unul din cele 4 numere cuantice.
Numarul maxim de electroni N ce pot exista intr-un strat cu numarul cuantic principal n este dat de relatia:
N = 2n2
Electroni cu numarul cuantic principal n = 1 constituie stratul K, iar cel cu numarul cuantic principal n = 2 stratul L s. a. m. d.
Numarul maxim de electroni dintr-un substrat cu numarul cuantic secundar l este dat de relaoia: 2(2l + 1). Din cele prezentate se observa ca, diferitele straturi si substraturi electronice corespunzatoare numerelor cuantice principale n si secundare l vor contine, incepand de la nucleu (stratul K) spre periferie (stratul Q), numarul maxim de electroni.
Numarul maxim de electroni pe straturi
n - 1 2 3 4 5 6 7
strat - K L M N O P Q
N=2n2 - 2 8 18 32 50 72 98
Num"rul maxim de electroni pe substraturi
l - 0 1 2 3 4 5 6
substrat - s p d f g h i
N=2(2l+1) - 2 6 10 14 18 22 26
In fizica atomica notarea substratului electronic l = 0, avand 2 electroni se face cu litera mica s, substraturile cu 6, 10, 14, 18, 22, 26electroni, adica substraturile l = 1, 2, 3, 4, 5, 6 cu literele p, d, f, g, h, i.
Fiecare strat de electroni este format din substraturi, iar substraturile sunt alcatuite din una sau mai multe orbite, intre care exista diferente de energie.
Orbitele sunt de sapte feluri si se noteaza cu literele mici s, p, d, f, g, h, i. Orbitele de acelasi tip formeaza un substrat. Intr-un strat de electroni pot exista cel mult sapte feluri de substraturi corespunzator celor sapte tipuri de orbite.
Se stie ca, la fiecare nivel de energie (valoarea permisa a energiei unui sistem cuantic atom, molecula etc., raportata la o anumita stare ca stare fundamentala: ex., invelisul de electroni K, cu numar cuantic principal n = 1, este nivelul de energie cel mai slab), corespunde un anumit numar de orbite, rezulta ca, numarul maxim de electroni dintr-un substrat este bine determinat, dupa cum urmeaza:
intr-un substrat s exista 1 orbita s,
- intr-un substrat p exista 3 orbite p,
- intr-un substrat d exista 5 orbite d,
- intr-un substrat f exista 7 orbite f,
- intr-un substrat g exista 9 orbite g,
- intr-un substrat h exista 11 orbite h,
- intr-un substrat i exista 13 orbite i.
Starile posibile ale electronilor in cadrul unui atom (orbite atomice), in ordinea crescanda a nivelelor de energie sunt reprezentate alaturat si exprima schematic straturile de electroni, (in care energia electronilor creste de la orbita s spre orbita i), substraturile si orbitele.
Orbitele sunt reprezentate prin puncte mici, iar substraturile prin puncte apropiate si asezate la acelasi nivel.
Intru cat se cunosc numai 105 elemente chimice straturile, substraturile si orbitele vacante sunt folosite de electronii atomului atunci cand, acesta absoarbe sau primeste energie din exterior. Electronii atomului trec pe orbite superioare vacante, iar la revenire pe orbitele inferioare atomul emite diferenta de energie care corespunde distantelor pe verticala.Electronul in miscarea sa, produce o miscare ondulatorie, undele ocupa totspatiul in care se propaga, iar densitatea norului electronic este mai mare acolo, unde este posibila gasirea lui.
In stratul electronic K cu n = 1 care este cel mai apropiat de nucleu si cu energia cea mai joasa, exista o singura orbita 1s, densitatea maxima a norului electronic fiind concentrata pe o suprafata sferica a, cu raza de 0,35A, iar electronul are o viteza de 108 cm/s.
In stratul L cu n = 2 care contine un substrat s si un substrat p, in care se gasesc 4 orbite care au simetrie diferita. O orbita din cele 4 orbite are simetrie sferica este o orbita 2s (b), celelalte trei orbite sunt orbite 2p (distribuite in spatiu dupa axele x, y, z deci, orbitele px, py, pz).
Densitatea norului electronic, in cazul orbitelor 2p, prezinta doua regiuni de densitate maxima, de o parte si de alta a nucleului, in planul nucleului densitatea este zero.
In stratul electronic L cu n = 2, in care se gasesc 4 orbite, pe care pot exista maximum 4 x 2 = 8 electroni, deoarece se stie ca, pe o orbita nu se pot gasi decat cel mult doi electroni, cu conditia ca spinul lor sa fie diametral opusi (antiparaleli). Imperecherea a doi electroni cu spini opusi (electroni perechi), pe aceeasi orbita duce la compensarea momentelor magnetice, ceea ce determina la stabilitatea sistemului atomic. Daca pe o orbita se afla numai un singur electron, atunci electronul se numeste neamperecheat.
Electronii se situeaza pe orbitele straturilor K, L, M, N, O, P, si Q de jos in sus, in ordinea crescatoare a nivelelor lor energetice, incepand cu nivelul de energie cel mai scazut al stratului K, fiind cel mai apropiat de nucleu, numit si stratul starii fundamentale.
Desi din calcule rezulta, numarul maxim de electroni in straturi si substraturi, totusi numai primele patru straturi electronice: K, L, M, N sunt ocupate complet cu acest numar maxim, iar celelalte straturi: O, P, si Q ale atomilor mai grei raman in realitate incomplete, deoarece nu toate substraturile se completeaza cu electroni, datorita faptului ca, nici atomi elementelor cunoscute nu dispun de un numar asa mare de electroni in invelisul electronic al atomilor elementelor respective.
Pentru aceste straturi electronice se gasesc 32, 8 si 2 electroni in locul valorilor teoretice 50, 72 si 98.
Electronii sunt particule elementare cu sarcina electrica negativa ( _ ), constituent universal al atomului. Electronii si orbitele electronice reprezinta invelisul nucleului atomic sau norul electronic. Acestea au o densitate maxima in spatiul inconjurator nucleului atomic.
Din cele prezentate rezulta ca, invelisul electronic al atomului este alcatuit din electroni care sunt asezati si se rotesc pe sapte straturi electronice, K, L, M, N, O, P si Q, sapte substraturi s, p, d, f, g, h si i, avand in total 140 de orbite. Existenta acestor orbite este scoasa in evidenta de faptul ca, atomul absoarbe si emite energie, iar pentru aceasta ii sunt necesare un numar suficient de orbite electronice minime si maxime si locuri vacante pentru toti electronii atomului care participa la procesul absorbtiei si emisiei de energie, conform ecuatiei 12 care confirma faptul ca, in structura atomului pot exista 140 de orbite (Tabelul 2), iar din punct de vedere spectroscopic rezulta ca, fiecare spectru de linie colorata, pornind de la nucleu spre exteriorul sau, violet, indigo, albastru, verde, galben, portocaliu si rosu, reprezinta un substrat electronic.(Tabelul 1c).
Datorita acestor aspecte se simplifica ordinea ocuparii cu electroni a diverselor straturi si substraturi electronice al atomilor. (Tabelul 3).
Nucleul atomic reprezinta samburele atomului si este alcatuit din nucleoni, protoni si neutroni care sunt asezati si se rotesc pe orbite nucleare.
In nucleul atomic protonii si neutronii se deplaseaza pe orbite circulare inchise in jurul unui centru de masa. In nucleul atomic este concentrata toata energia si masa atomului.In nucleul atomic exista cea mai mare densitate de particule din alcatuirea atomului.
Protonii si neutronii au si ei energie si masa.
Energia si masa acestor nucleonii este constanta cand acestia se afla pe orbita nucleara fundamentala, in cazul atomilor stabili, dar exista posibilitatea ca, energia acestor nucleoni sa creasca sau sa scada prin:
- interactiunea unui electron ori a unui foton nuclear g sau X cu nucleoni
- dezintegrare nucleara radioactiva
- interactiunea neutronilor si protonilor cu nucleoni care sunt de trei feluri:
1 - imprastierea elastica
2 - captura neutronilor si protonilor
3 - fisiunea nucleara.
Interactiunea electronilor sau fotonilor nucleari g sau X cu particulele nucleului atomic protoni si neutroni este identica, indiferent de substanta sau materia cu care interactioneaza.
Un lucru este foarte important de precizat si anume ca, particulele nucleului atomic absorb si emit energie, pe acelasi principiu ca si in cazul electronilor din invelisul electronic al atomului.
In cazul interactiunii electronilor (-e) sau fotonilor g ori X cu protoni, acestia emit perechi de particule electroni (-e) - pozitroni (+e) si se transforma in neutroni si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara, iar datorita acestei interactiuni atomul a trecut din starea fundamentala in starea de excitatie.
Electroni (-e) si pozitroni (+e) emisi formeaza radiatiile b alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electric negativ si radiatii a formate din pozitroni, particule incarcate din punct de vedere electric pozitiv.
Aceste particule avand sarcini electrice diferite se atrag si se neutralizeaza reciproc printr-un proces de anihilare A, in urma caruia rezulta doua particule (o) neutre din punct de vedere electric care sunt emise sub forma unor cuante de radiatii X sau g moi care sunt identice si au caracteristici asemanatoare cu radiatiile nucleare g radioactive emise de nucleele atomice in procesul dezintegrari nucleare radioactive. La revenirea neutronilor de pe orbita superioara pe orbita fundamentala, acestia emit fotonii nucleari (of) Xd duri si diferenta de energie dintre cele doua orbite nucleare.
In cazul interactiunii electronilor (-e) sau fotonilor g ori X cu neutroni, acestia emit perechi de particule electroni (-e) - neutrini (on)) si se transforma in protoni si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara.
Electroni (-e) si neutrini (on)) emisi formeaza radiatiile b care sunt alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electri negativ si radiatii X sau g moi care sunt alcatuite din neutrini, particule neutre din punct de vedere electric.Protoni au o situatie instabila pe aceasta orbita superioara si revin pe orbita fundamentala, emitand fotonii nucleari (of) Xd duri si diferenta de energie dintre cele doua orbite nucleare.
In acest caz, atomul trece din starea de excitatie in starea fundamentala. Fotonii nucleari (of) emisi sunt particule neutre din punct de vedere electric. In cazul nucleului atomic valoarea frecventei n radiatiei absorbite si emise se calculeaza cu ajutorul ecuatiei:
n = A2 . R (1/n2 - 1/ m2) + 2 e
Unde n este frecventa radiatiei absorbite sau emise, A masa atomica a nucleonului - proton sau neutron care absoarbe sau emite energie, R constanta lui Rydberg = 3,288 . 1015Hz, 1/n2 se numeste termenul fundamental sau orbita fundamentala a nucleului atomic pe care se afl" nucleonul initial, iar 1/m2 se numeste termenul curent sau orbita superioara pe care sare nucleonul dupa ce absoarbe energie din exterior, iar e reprezinta energia perechilor de particule emise, egala cu 1 MeV.
Energia absorbita sau emisa de un proton ori neutron din nucleu poate avea valoare egala cu energiei de legatura a electronului din invelisul electronic al atomului, atunci cand un foton produce emisia unei perechi de particule din interiorul nucleonilor, transformarea lor din protoni in neutroni si invers si trecerea nucleonilor de pe stratul fundamental (b = 1) pe stratul superior cel mai indepartat din nucleu (b = 7), iar la revenirea nucleonilor pe stratul fundamental, acestia emit fotoni nucleari care au energia, 13,249eV in cazul protonilor si 13,347eV pentru neutroni care reprezint" energiile maxime de legatura ale electronului in invelisul electronic al atomului, indiferent de natura atomului.Initial nucleonul se afla pe orbita fundamentala b = 1 si se substituie pe rand sarind sau trecand pe alte orbite superioare, unde b = 2, 3, 4, 5, 6,
si 7, iar frecventele calculate corespund lungimilor de unda ale radiatiilor pe care le emite nucleonul cand sare sau trece inapoi, de peorbita superioara pe orbita fundamentala.
Nucleonii, respectiv protonii si neutroni, rotindu-se pe orbitele nucleare, au dupa mecanica cuantica sau ondulatorie, atat proprietati de particula cat si de unda, avand anumite functii de unda orbitale.
Nucleul atomic contine un numar de protoni egal cu numarul de ordine Z si identic cu numarul electronilor, iar numarul total de nucleoni, protoni si neutroni este egal cu numarul de masa A. Diferenta dintre numarul de masa A si numarul de ordine Z reprezinta numarul de neutroni N, de unde: N = A - Z.Numarul neutronilor din nucleu creste proportional pe masura ce masa atomica a acestuia creste.
Nucleonii din nucleu au diferite starii energetice caracterizate prin anumite numere cuantice, asemanator starilor energetice al electronilor din invelisul electronic al atomului.
Pentru a caracteriza o stare energetica a unui nucleon din nucleu sunt necesare mai multe numere cuantice, decat cele 4 numere cuantice cunoscute caracteristice starii energetice al electronilor din atom, datorita densitatii mari a nucleonilor in nucleul atomic. Un nucleon, proton sau neutron care se afla situat pe o orbita este caracterizat prin 9 numere cuantice.
1. Numarul cuantic principal b determina numarul straturilor de nucleoni.
Nucleonii care au acelasi numar cuantic principal b se gasesc la aceeasi distanta intre ei si pe aceeasi orbite, formeaza un strat nuclear.Numarul cuantic principal b poate avea valorile; b = 1, 2, 3, 4, 5, 6 si 7 care se numesc straturile A, B, C, D, E, F si G.
Stratul b = 1 se numeste stratul A si porneste din centrul nucleului spre exteriorul acestuia care reprezinta nivelul energetic cel mai mic.
2. Numarul cuantic secundar p determina numarul de protoni sau neutroni ce se pot afla pe un strat nuclear.
Valorile lui p cresc exponential cu numarul de protoni sau neutroni care pot exista pe un strat nuclear, corespunzator lui b.Intre numarul cuantic principal b si num"rul cuantic secundar p exista relatia p = 2b, p poate avea valorile: 21, 22, 23, 24, 25, 26 si 27 care reprezinta numarul maxim de protoni (p) sau neutroni (n) de pe un strat nuclear.
Atomii cu numarul cuantic secundar p = 21 situati pe stratul A sunt hidrogenul H = 1 care are nucleul alcatuit dintr-un singur nucleon respectiv, un proton si heliu He = 4 care are nucleul format din 2 protoni si 2 neutroni, iar p = 22, pe stratul B se afla litiu Li = 6 care are 3 protoni si 3 neutroni, situati in felul urmator: 2 protoni si 2 neutroni pe stratul A, iar 1 proton si 1 neutron pe stratul B si asa mai departe.
3. Numarul cuantic magnetic q determina pozitia spatiala (orientarea in spatiu) a planului orbitei nucleare. El poate avea toate valorile intregi negative si pozitive cuprinse intre -p si +p:
-p ึ -2, -1, 0, +1, +2, ึ+p
De exemplu; p = 0; q = 0;
p = 1; q = -1, 0, +1;
p = 2; q = -2, -1, 0, +1, +2;
p = 3; q = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.
4. Numarul cuantic al spinului nuclear r reprezinta miscarea nucleonului in jurul propriei axe, miscare numita spin nuclear care da nastere unui moment magnetic propriu al nucleonului, proton sau neutron. Intru cat relatia nucleonului in jurul axei sale nu se poate face decat in doua sensuri, numarul cuantic al spinului nuclear r nu poate avea decat doua valori: +1/2 sau -1/2, dupa cum sensul rotatiei nucleonului este paralel sau antiparalel cu acela al rotirii orbitei nucleare.
5. Numarul cuantic al momentului cinetic orbital t al protonului si neutronului care ia valori multipli intregi h/2p.Se stie ca, miscarea orbitala in campul gravitational se face in jurul centrului de masa si nu in jurul corpului cu masa mai mare. Miscarea protonilor si neutronilor pe orbitele nucleare se face, astfel incat centrul de masa al sistemului proton - neutron ramane imobil.Centrul de masa se gaseste la distanta rp de proton si la distanta rn de neutron, astfel incat: rp + rn = r, unde r, este distanta dintre proton si neutron, fata de centrul de masa.
6. Numar cuantic al momentului cinetic si spinului nuclear u care se compune din momentul cinetic orbital nuclear si din spinul nuclear al nucleonilor individuali si care au valorile 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 9/2,
7. Numarul cuantic al interactiunii momentului cinetic si spinul nuclear antiparalel v care se compun din momentul cinetic orbital si din spinul nuclear antiparalel al nucleonilor individuali, respectiv proton sau neutron.
8. Numarul cuantic al momentelor cinetice nucleare a nucleonilor pereche z a cate 2 protoni sau 2 neutroni care se satureaza reciproc complet, adica in fiecare caz rezulta valoarea totala z = 0.
9. Numarul cuantic al momentului cinetic nuclear total x determinat de nucleonii nepereche.
Tinand cont de valorile pe care le pot lua cele 9 numere cuantice b, p, q, r, t, u, v, z, x si de principiul de excluziune a lui Pauly care spune ca, doi electroni care apartin aceluiasi atom se deosebesc intre ei, cel putin printr-unul din cele 4 numere cuantice, in cazul nucleonilor din nucleu se poate vorbi de faptul ca, nucleonii se pot deosebi intre ei prin cele 9 numere cuantice, mentionate anterior.Numarul maxim de nucleoni ce pot exista pe un strat nuclear este dat de relatia N = 2 . 2b.
Nucleonii cu numarul cuantic principal b = 1 constituie stratul A pe care se pot situa 4 nucleoni, respectiv He = 4 care este alcatuit din 2 protoni si 2 neutroni.
Nucleonii cu numar cuantic principal b = 2 constituie stratul B care pot avea 8 nucleoni, de exemplu C = 12, alcatuit din 6 protoni si 6 neutroni, situati in felul urmator: pe stratul A, 2 protoni si 2 neutroni, iar pe stratul B, 4 protoni si 4 neutroni.
Numarul maxim de nucleoni pe straturi.
b - 1 2 3 4 5 6 7
Strat - A B C D E F G
N=2 . 2b - 4 8 16 32 64 128 256
Numarul maxim de protoni si neutroni pe straturi.
p - 1 2 3 4 5 6 7
Strat - A B C D E F G
p = 2b - 2 4 8 16 32 64 128
Straturile de nucleoni sunt formate din 7 orbite, intre care exista diferente de energie. Se stie ca, fiecare nivel de energie corespunde unei anumite orbite, de unde rezulta si numarul maxim de nucleoni situati pe un strat nuclear care este bine determinat.
Straturile posibile ale nucleonilor in cadrul nucleului atomic (orbitenucleare), sunt reprezentate in schema alaturata, in care se poate vedea ca, energia nucleonilor creste de la orbita A fiind cea mai apropiata de centrul de masa spre orbita G, cea mai indepartata de centrul de masa al nucleului atomic.
Pe fiecare orbita pot stationa un numar bine determinat de nucleoni, protoni si neutroni. Intru cat se cunosc numai 105 elemente chimice, straturile F si G sunt partial ocupate. Elementul chimic 103 lawrenciu (Lw) are pe stratul F numai 41 de protoni in loc de 64 protoni, iar pe stratul G nu are nici un proton, dar in schimb are 28 de neutroni pe acest strat (Tabelul 4).
Locurile vacante sau libere sunt folosite de nucleonii atomului atunci cand acestia absorb sau primesc energie din exterior si trec de pe orbita fundamentala pe o orbita superioara. Nucleonii emit perechi de particule si sar de pe nivelele energetice fundamentale (Wf), pe nivele energetice superioare (Ws) vacante, iar la revenire pe nivelele energetice fundamentale (Wf), atomul va emite diferenta de energie care corespund distantelor pe verticala dintre nivelele energetice respective, plus energia perechilor de particule emise.
Variatia energiei dintre doua (orbite) nivele energetice este data de relatia,
DW = Wf - Ws + 2e = hn
Daca pe o orbita se afla un numar par de protoni si neutroni atunci avem nucleoni pereche care se satureaza reciproc complet, iar daca pe o orbita se afla un numar impar de protoni si neutroni atunci avem nucleoni nepereche nesaturati. Energia nucleului atomic poate sa scada sau saraci, in cazul atomilor instabili al substantelor sau minereurilor radioactive. Saracirea energiei nucleare are loc printr-un proces de lunga durata, numit dezintegrare nucleara radioactiva.
La dezintegrarea protonilor se emit perechi de particule subatomice electroni (-e) - pozitroni (+e) si se transform" in neutroni care trec pe o orbita inferioara A si emit diferenta de energie dintre orbita superioara si orbita inferioara, plus energia emisa odata cu perechea de particule, electron(-e) - pozitron (+e).
DW = (Wf - Ws) + ( W-e + W+e) = hn
Electroni (-e) si pozitroni (+e) emisi formeaza radiatii b alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electric negativ si radiatii a formate din pozitroni, particule incarcate din punct de vedere electric pozitiv.
Aceste particule avand sarcini electrice diferite se atrag si se neutralizeaza reciproc printr-un proces de anihilare A, in urma caruia rezulta doua particule (o) neutre din punct de vedere electric care sunt emise sub forma unor cuante de radiatii g moi.
In nucleul atomic densitatea nucleonilor este foarte mare si datorita ocuparii complete cu neutroni a orbitelor inferioare, atunci neutroni trec pe orbita superioara B, aici avand o situatie instabila, va reveni pe orbita fundamentala C sau pe orbita inferioara D emitand un foton nuclear (of) g care are o energie egala cu diferenta de energie dintre cele doua orbite.
In interiorul nucleului atomic exista patru tipuri de interactiuni:
- de respingere si imprastiere electrostatica electroni-electroni, pozitroni-pozitroni si pozitroni-protoni
- anihilare electroni-pozitroni
- nucleare pozitive electroni-protoni, pozitroni-protoni si neutrini-protoni
- nucleare neutre electroni-neutroni, neutrini-neutroni si pozitroni-neutroni.
Electroni emisi in procesul dezintegrari protonilor interactioneaza cu protoni E intalniti in drumul lor spre exteriorul nucleului. Protoni E emit perechi de particule electroni (-e) - pozitroni (+e) si se transforma in neutroni F care trec de pe orbita superioara pe o orbita inferioara si emit fotoni nucleari (of) g.
Electroni subatomici emisi in timpul procesului de dezintegrare nucleara radioactiva din interiorul protonilor si neutronilor, au sarcina electrica negativa si proprietati identice cu electroni elementari din invelisul electronic al atomilor.
La dezintegrarea neutronilor se emit perechi de particule subatomice electroni (-e) - neutrini(on), iar neutroni se transforma in protoni care trec pe orbita inferioara A si emit diferenta de energie dintre orbita superioara si orbita inferioara, plus energia emisa odata cu perechea de particule electroni(-e) - neutrini(on).
DW = (Wf - Ws) + ( W-e + Won) = hn
Electroni (-e) si neutrini(on) emisi formeaza radiatii b alcatuite din electroni, particule incarcate din punct de vedere electric negativ si radiatii g formate din neutrini, particule neutre din punct de vedere electric.
Datorita ocuparii complete cu protoni a orbitelor inferioare, atunci protoni trec pe orbita superioara B, aici avand o situatie instabila, va reveni pe orbita fundamentala C sau pe orbita inferioara D emitand fotoni nucleari (of) g care au o energie egala cu diferenta de energie dintre cele doua orbite.
In urma proceselor de dezintegrare nucleara radioactiva nucleele atomice emit trei tipuri de radiatii radioactive:
- radiatii b constituite din electroni(-e) particule subatomice care au sarcina electrica negativa,
- radiatii a alcatuite din pozitroni (+e) particule subatomice care au sarcina electrica pozitiva,
- radiatii g moi formate din neutrini (on) si dure din fotoni nucleari (of), particule subatomice care sunt neutre din punct de vedere electric.
Radiatiile radioactive a emise de atomul minereului radioactiv au o energie foarte mica, deoarece aceste particule au sarcina electrica pozitiva si o buna parte din aceste particule interactioneaza cu electroni din invelisul electronic care se unesc si se anihileaza reciproc, rezultand doua cuante g neutre din punct de vedere electric.
La randul lor aceste radiatii b, a si g interactioneaza cu electroni din invelisiul electronic al atomului si in exteriorul atomului cu substante sau minereuri producand ionizarea atomilor acestora, prin smulgerea electronilor din invelisul electronic al atomilor substantelor sau minereurilor respective.
Interactiunea particulelor nucleare neutroni si protoni cu nucleele atomice sunt cele mai puternice interactiuni existente la nivelul nucleului atomic.
Neutronii nu au sarcin" electrica si interactioneaza cu nucleele atomice in trei feluri.
1. Imprastierea elastica. Neutronul loveste nucleul si ambele particule ca doua sfere elastice se imprastie, fara ca sa produca vreo reactie nucleara.
Imprastierea elastica a particulelor se produce dupa legile ciocnirii din mecanica, neutronul si nucleul dupa ciocnire se deplaseaza in directii diferite.
2. Captura neutronilor. Neutronul patrunde in nucleu si provoaca o transmutatie nucleara.
La interactiunea neutronului cu atomul de hidrogen, acesta captureaza un neutron devine hidrogen greu sau deuteriu.
11H (n, g) 21D
3. Fisiunea nucleara. Neutronul patrunde in nucleu si sparge nucleul in mai multe fragmente (de regula in doua fragmente).
Un neutron care interactioneaza cu nucleul atomic aduce cu el si o cantitate de energie.
In cazul interactiuni neutronilor cu nuclee de uraniu 23592U acestea se sparg in doua nuclee, unul de bariu 14556Ba si unul de kripton 8836Kr si se emit trei neutroni n, fenomen cunoscut sub denumirea de reactie de fisiune nucleara.Nucleele care iau nastere prin fisiune nucleara devin nuclee radioactive care emit radiatii a, b si g, iar neutroni emisi produc o cascada de reactii de fisiune nucleara in lant cu nucleele atomilor A intalniti in calea lor.
La fiecare fisiune a nucleului se emit 2, 3 sau mai multi neutroni.
10n + 23592U => 14055Cs + 9437Rb + 2 10n
10n + 23592U => 14556Cs + 8836Kr + 3 10n
10n + 23592U => 14557Cs + 9735Rb + 4 10n
Neutroni emisi in procesul fisiunii nucleare au o energie si viteza foarte mare.Fenomenele ar putea fi identice si in cazul interactiunii protonilor cu nucleele atomice. Aceasta asertiune este sustinuta de transmutatia nucleara artificiala, realizata de Chadwick care prin bombardarea cu particule 42a a particulelor de beriliu 94Be, acesta se transforma in atom de carbon 126C care emite un neutron.
42a + 94Be => 126C++ + 10n
Particulele 42a au sarcina electric" pozitiva ca si protoni, iar in urma interactiunii protonilor cu nucleele atomice sau a fisiuni nucleare ar rezulta particule atomice noi si neutroni.
Totusi in cazul particulelor 42a fizicianul englez Blackett a fotografiat in camera cu ceata, interactiunea dintre acestea cu nucleul de azot 147N, de unde a rezultat un nucleu de oxigen 178O care emite un proton.
42a + 147N => 178O + 11p
Cunoscand toate acestea, vom putea oare, obtine energie fara riscul contaminarii radioactive si fara a se produce pierderi materiale si umane?
