Ιδιότητες των πυρήνων. Ενέργεια σύνδεσης. Ισχυρή πυρηνική δύναμη. Ιστορική αναδρομή.

1. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
1
ΠΥΡΗΝΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ
ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ
ΒΑΣΙΣΜΕΝΗ ΣΤΗΝ ΥΛΗ
ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΗΣ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ
ΕΚΔΟΣΗ 1
ΣΥΓΓΡΑΦΗ : Χ. ΦΑΝΙΔΗΣ - https://cdfan.sites.sch.gr/

2. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
2
ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Το 1896 ο Γάλλος Henri Becquerel μελετούσε τον
φωσφορισμό χρησιμοποιώντας άλατα του ουρανίου. Οι
έρευνές του είχαν ως αφετηρία την έρευνα που είχε κάνει ο
πατέρας του στον φωσφορισμό και στην εμφάνιση
φθορισμού στα πειράματα ακτίνων Χ.
Ο Βecquerel εξέθετε άλατα
ουρανίου στον ήλιο και όταν αυτά
φωσφόριζαν τα τοποθετούσε σε
φωτογραφικό φίλμ τυλιγμένο σε
φωτοστεγή συσκευασία. Σε μία
νεφοσκεπή περίοδο άφησε τα
άλατα πάνω σε φίλμ σε ένα
σκοτεινό ντουλάπι.

3. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
3
Παρατήρησε ότι ακόμη και τότε το φωτογραφικό
φίλμ αμαυρώθηκε και όταν ανάμεσα στο άλας και στο
φίλμ έμπαινε μεταλλικό αντικείμενο το φίλμ εκτίθετο
λιγότερο κάτω από το μεταλλικό αντικείμενο.
Επίσης παρετήρησε ότι η
ακτινοβολία από τα άλατα
εξέκλινε υπό την επίδραση
ηλεκτρικού και μαγνητικού
πεδίου. Αυτές οι παρατηρήσεις
τον οδήγησαν στο συμπέρασμα
ότι τα άλατα εξέπεμπαν μια νέα
μορφή ακτινοβολίας.
Φίλμ αμαυρωμένο από το άλας
ουρανίου και αμαυρωμένο με
εικόνα παρεμβληθέντος
σταυρού.
ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

4. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
4
Παρόμοιες έρευνες με τον
Becquerel έκαναν ο Pierre Curie και
η Marie Sklodovska Curie που
ανακάλυψαν και απομόνωσαν μέσω
πολλών κόπων και άλλα ραδιενεργά
υλικά όπως το πολώνιο το ράδιο και
το θόριο.
Το 1903 έλαβαν μαζί με τον
Becquerel το βραβείο Νόμπελ για την
ανακάλυψη της ραδιενέργειας. Μετά
τον θάνατο του άντρα της το 1906
από ατύχημα η Marie έγινε η πρώτη
γυναίκα καθηγήτρια στην Σορβόννη.
ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Pierre και Marie Curie

5. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
5
Ο Rutherford το 1899 ανακοίνωσε ότι η
ραδιενέργεια αποτελείτο από τουλάχιστον δύο
συνιστώσες. Προσπαθώντας να τις διαχωρίσει
χρησιμοποίησε πρίσματα γυαλιού αλουμινίου και
παραφίνης χωρίς αποτέλεσμα. Τελικά κατάφερε να τις
διαχωρίσει περνώντας τις μέσα από ηλεκτρικό πεδίο.
Την διαφορετική φύση τους επιβεβαίωσε με
πειράματα απορρόφησης της ακτινοβολίας του
ουρανίου από αυξανόμενα πάχη φύλλων αλουμινίου.
ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

6. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
6
Το 1900 ο Γάλλος χημικός
Paul Villard ανακάλυψε ότι το
ράδιο εξέπεμπε μια πολύ
διεισδυτική ακτινοβολία (που
περνούσε αρκετά μέτρα μπετού)
την οποία ο Rutherford ονόμασε
ακτινοβολία γ.
Το 1914 έγινε κατανοητό
ότι αυτή η ακτινοβολία είναι
Η/Μ όταν ο Rutherford
ανακάλυψε ότι ανακλάται από
επιφάνειες κρυστάλλων.
ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Paul Villard
1860-1934

7. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
7
Ας θυμηθούμε ότι το 1897 το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε από
τον J.J. Thomson και ότι ο E. Rutherford το 1911 εισήγαγε την
έννοια του θετικού πυρήνα ερμηνεύοντας τα πειράματα των
Geiger και Marsden.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ

8. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
8
Το 1919 ο Rutherford έκανε πειράματα βομβαρδισμού
αζώτου με πυρήνες ηλίου.
Το 1930 το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο ήταν αποδεκτά
ως σωματίδια αλλά υπήρχε πρόβλημα σε σχέση με την
παραπάνω μάζα που βρισκόταν στον πυρήνα αλλά δεν
μπορούσε να αποδοθεί σε κάποιο από τα γνωστά σωματίδια.
Από τα πειράματα συμπέρανε ότι το άζωτο
«διασπάστηκε» και ότι συστατικό του ήταν ο πυρήνας του
Η. Το 1920 πρότεινε ο πυρήνας του Η να ονομάζεται
πρωτόνιο και εισηγήθηκε την ύπαρξη ενός ουδέτερου
σωματίου που κατ’ αυτόν απετελείτο από ένα πρωτόνιο και
ένα ηλεκτρόνιο.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
14 17
7 8
N a O p
  

9. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
9
Γύρω στο 1930 πολλοί ερευνητές μεταξύ των οποίων
ο Γερμανός Walter Bothe και ο μαθητής του Becker
βομβάρδιζαν βηρύλλιο με σωμάτια α από μία πηγή
πολωνίου. Από τον βομβαρδισμό προέκυπτε μια ισχυρά
διεισδυτική ακτινοβολία.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
Walter Bothe
9 12
4 6
Be a C n
  

10. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
10
Ο Frederic και η Irene Joliot-Curie που μελετούσαν το
ίδιο φαινόμενο και έριχναν την παραγόμενη ακτινοβολία σε
στόχο παραφίνης, πίστευαν ότι η ακτινοβολία ήταν φωτόνια
υψηλής ενεργείας (ακτίνες γ).
Frederic Joliot, Irene Joliot -Curie
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
Irene Joliot Curie, Einstein

11. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
11
To 1932 o James Chadwick μαθητής του Rutherford
επανέλαβε το πείραμα του βομβαρδισμού του βηρυλλίου και
προσπάθησε να ερμηνεύσει τα αποτελέσματα.
Εκτός από τον στόχο
παραφίνης χρησιμοποίησε ως
στόχο ήλιο, λίθιο και άζωτο
που του επέτρεψαν να
συμπεράνει ότι το πιθανό
σωματίδιο έχει μάζα λίγο
μεγαλύτερη από του
πρωτονίου.
Την τροχιά των παραγόμενων
σωματιδίων παρατηρούσαν με
ένα θάλαμο νεφών ή Wilson.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ


12. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
12
Τον Φεβρουάριο του 1932 o Chadwick
δημοσίευσε εργασία με τίτλο «Η πιθανή
ύπαρξη ενός νετρονίου».
Τον Μάρτιο του 1932 δημοσίευσε
εργασία με τίτλο «Η ύπαρξη ενός
νετρονίου».
Το ίδιο έτος οι D. Ivanenko (Σοβιετική
Ένωση) και ο W. K. Heisenberg (1901-
1976) πρότειναν ανεξάρτητα ο ένας από τον
άλλο ότι ο πυρήνας αποτελείται από
πρωτόνια και νετρόνια.
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
James Chadwick
1891-1974

13. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
13
ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
Μετά την ανακάλυψη του
νετρονίου η εικόνα για την δομή του
ατόμου ήταν πλήρης. Η ακτίνα του
πυρήνα του ατόμου ήταν πολύ
μικρότερη από την ακτίνα του ατόμου
(περίπου τέσσερεις τάξεις μεγέθους).
Ο πυρήνας αποτελείται από θετικά
φορτισμένα πρωτόνια που ο αριθμός τους Ζ
καθορίζει την ταυτότητα του στοιχείου.
Τα ουδέτερα νετρόνια έχουν λίγη μεγαλύτερη
μάζα από τα πρωτόνια και ο αριθμός τους
στον πυρήνα είναι μεταβλητός ακόμα και
στο ίδιο στοιχείο.

14. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
14
Το φορτίο του
αρνητικά φορτισμένου
ηλεκτρονίου είναι ίσο
κατ’ απόλυτο τιμή με το
φορτίο του πρωτονίου.
Επομένως ο αριθμός
των περιστρεφόμενων
ηλεκτρονίων πρέπει να
είναι ίσος με τον
αριθμό των πρωτονίων
για να είναι το άτομο
ηλεκτρικά ουδέτερο.
ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
Η μάζα του ηλεκτρονίου είναι
περίπου 2000 φορές μικρότερη από
την μάζα του πρωτονίου.

15. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
15
Το άθροισμα του αριθμού των πρωτονίων και των
νετρονίων Α καθορίζει ουσιαστικά την μάζα του ατόμου (η
μάζα των ηλεκτρονίων είναι πολύ μικρή) για αυτό
ονομάζεται μαζικός αριθμός.
Στο παραπάνω άτομο :
Αριθμός πρωτονίων Ζ = 7
Αριθμός ηλεκτρονίων 7
Αριθμός νετρονίων Α-Ζ = 15-7 = 8
ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
15
7 N
Ατομικός αριθμός Ζ
Μαζικός αριθμός Α

16. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
16
ΙΣΟΤΟΠΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ.
Ένα στοιχείο (καθορισμένο Ζ) μπορεί να έχει σε
διάφορους πυρήνες του διαφορετικό αριθμό νετρονίων.
Το στοιχείο αυτό λέμε τότε ότι έχει ισότοπα (ίδιο Ζ άρα
καταλαμβάνουν τον ίδιο τόπο στον περιοδικό πίνακα).
Για παράδειγμα το
υδρογόνο έχει τρία
ισότοπα :
Τα τρία ισότοπα του υδρογόνου.
1
1 H
2
1 H
3
1 H
Το πρώτιο :
Το δευτέριο :
Το τρίτιο :

17. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
17
ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΣΟΤΟΠΩΝ


18. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
18
ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΩΝ ΠΥΡΗΝΩΝ
Για την μέτρηση των μαζών των πυρήνων
χρησιμοποιούμε την ατομική μονάδα μάζας u (atomic
mass unit a.m.u.)
Το 1 u είναι το 1/12 της μάζας
του ατόμου (πυρήνας και ηλεκτρόνια)
του .
12
6
1
1
12
u C


12
6C
Αυτό σημαίνει ότι 1u  mp.
1u 1,66055.10-27kg
mp 1,6726.10-27kg
mn 1,6750.10-27kg
me 9,1090.10-31kg
Για την ακρίβεια

19. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
19
ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΤΟΥ u
Το u είναι χρησιμότερο από το kg γιατί :
α) Η μάζα ενός ατόμου σε u είναι περίπου ίση με τον μαζικό
του αριθμό Α.
β) Οι μάζες εκφράζονται σε μικρούς αριθμούς χωρίς δυνάμεις
του δέκα. 4
2 He 4,002603 u
12
6C 12,00000 u
16
8O 15,994915 u
238
92U 238,050786 u

20. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
20
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΙΣΟΔΥΝΑΜΙΑ ΜΑΖΩΝ
Μάζα Σε u Ισοδύναμη ενέργεια
1u 931,48 MeV
mp 1,007276 u 1,007276 u. 931,48 MeV/u =938,28 MeV
mn 1,008665 u 1,008665 u. 931,48 MeV/u =939,57 MeV
me 5,486.10-4 u 5,486.10-4 u. 931,48 MeV/u =0,511 MeV
Χρησιμοποιώντας την σχέση ισοδυναμίας μάζας –
ενέργειας Ε=m.c2 προκύπτει ότι 1u αντιστοιχεί με 931,48
MeV.
27 8 2 10
1,66055.10 .(3.10 ) 1,494495.10
E J
  
 
931,48
E MeV


21. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
21
ΕΛΛΕΙΜΜΑ ΜΑΖΑΣ
Το άτομο περιέχει 4 πρωτόνια και 4 νετρόνια.
Η μάζα του θα έπρεπε να ήταν :
2.mp+2.mn = 2.1,007276u + 2.1,008665u = 4,031882u
Όμως η μάζα του ατόμου που μετράται πειραματικά
είναι μικρότερη, είναι 4,002603u!
4
2 He
Η διαφορά ανάμεσα στην θεωρητικά υπολογισμένη
μάζα και στην πειραματικά υπολογισμένη ονομάζεται
έλλειμμα μάζας.
ΔΜ = Ζ. mp + Ν. mn – mΠΕΙΡ

22. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
22
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ
Η ισοδύναμη ενέργεια που αντιστοιχεί στο έλλειμμα
μάζας λέγεται ενέργεια σύνδεσης
ΕΒ=ΔΜ.c2
Η ενέργεια σύνδεσης είναι η ενέργεια που
απελευθερώνεται όταν Ζ πρωτόνια και Ν νετρόνια
ενώνονται για να δημιουργήσουν τον πυρήνα A
Z X
Ή ενέργεια σύνδεσης είναι η ελάχιστη ενέργεια που
πρέπει να δώσουμε για να διασπάσουμε τον πυρήνα και να
απομακρύνουμε τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα
ώστε να μην έχουν καμία αλληλεπίδραση μεταξύ τους.

23. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
23
Αν διαιρέσω την ενέργεια σύνδεσης ενός ατόμου με
τον αριθμό νουκλεονίων του βρίσκω πόση ενέργεια
σύνδεσης ανά νουκλεόνιο (ΕΣΑΝ) πρέπει να προσφέρω
στο άτομο για να διασπαστεί.
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ/ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΟ
Είναι προφανές ότι όσο πιο μεγάλη είναι η ΕΣΑΝ
τόσο πιο δύσκολα διασπάται το άτομο.
Η γραφική παράσταση
ΕΣΑΝ σε σχέση με τον
μαζικό αριθμό είναι η πιο
δίπλα :

24. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
24
Στην γραφική παρά-
σταση υπάρχει μέγιστο.
Στην περιοχή αυτή οι
πυρήνες είναι πολύ
σταθεροί. Το μηδέν στην
γραφική παράσταση
αντιστοιχεί στην κατά-
σταση των ελεύθερων
νουκλεονίων.
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΥΝΔΕΣΗΣ/ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΟ
Οι πυρήνες δεξιά από την σταθερή περιοχή
μπορεί να μεταπέσουν σε αυτή αν υποστούν σχάση.
Οι πυρήνες αριστερά από την σταθερή περιοχή
μπορεί να μεταπέσουν σε αυτή αν υποστούν σύντηξη.

25. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
25
ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ
Στην παρακάτω πυρηνική αντίδραση δύο ελαφροί
πυρήνες συνενώνονται για να δώσουν έναν βαρύτερο :
9 4 12
4 2 6
Be He C n
  
Η ενέργεια σύνδεσης του Be είναι 26,924 MeV, του
He 28,296 MeV και του C 92,162 MeV.
Επομένως για να διαλύσω τον πυρήνα Be χρειάζομαι
26,924 MeV, το He 28,296 MeV και όταν τα νουκλεόνια
συνενωθούν για τον C θα πάρω 92,162 MeV.
Το ενεργειακό ισοζύγιο είναι θετικό δηλ. κερδίζω
92,162-26,924-28,296 = 36,942 MeV

26. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
26
ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ
Στην παρακάτω πυρηνική αντίδραση σχάσης ένας
βαρύς πυρήνας διασπάται σε δύο ελαφρύτερους πυρήνες :
235 141 92
92 56 36 3
n U Ba Kr n
   
Η ενέργεια σύνδεσης του U είναι 1783,864 MeV, του
Ba 1173,971 MeV και του Kr 783,182 MeV.
Επομένως για να διαλύσω τον πυρήνα U χρειάζομαι
1783,864 MeV, και όταν τα νουκλεόνια συνενωθούν για το
Βα θα πάρω 1173,971 MeV και για το Kr θα πάρω
783,182 MeV.
Το ενεργειακό ισοζύγιο είναι θετικό δηλ. κερδίζω
1173,971+ 783,182 - 1783,864 = 173,289 MeV

27. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
27
ΙΣΧΥΡΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ
Ένας πυρήνας παραμένει σταθερός παρά τις πολύ
ισχυρές απωστικές δυνάμεις Coulomb που εξασκούν τα
ομόσημα φορτία μεταξύ τους και την κινητική ενέργεια
που έχουν τα νουκλεόνια.
Η απωστική δύναμη Coulomb μεταξύ δύο
πρωτονίων που εφάπτονται είναι 100 εκατομμύρια φορές
μεγαλύτερη από την ελκτική δύναμη Coulomb ανάμεσα
σε ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο στο άτομο του Η!
Οι πυρήνες παραμένουν σταθεροί χάρις στην ισχυρή
πυρηνική δύναμη. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι
δύναμη που εμφανίζεται μεταξύ p-p, n-n και p-n.
Εμφανίζεται όταν τα σωματίδια είναι πολύ κοντά.

28. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
28
ΙΣΧΥΡΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ
Για να καταλάβουμε την σχετική ισχύ των δυνάμεων
παραθέτουμε τον παρακάτω πίνακα.

29. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
29
ΙΣΧΥΡΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη μηδενίζεται για
αποστάσεις μεγαλύτερες από 4 fm (4.10-15 m).
Γραφική παράσταση δυναμικής
ενέργειας – απόστασης για
αλληλεπίδραση p-p, n-p.

30. Συγγραφή Χ. Δ. Φανίδης
https://cdfan.sites.sch.gr/
30
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ ΠΥΡΗΝΑ.
Η ενέργεια του πυρήνα του
ατόμου μπορεί να πάρει διαφορετικές
κβαντισμένες τιμές.
Ο πυρήνας μπορεί να διεγερθεί
και να αποδιεγερθεί. Η διαφορά των
ενεργειακών σταθμών είναι της τάξεως
των MeV. Επομένως η αποδιέγερση
πυρήνα παράγει φωτόνια ακτίνων γ
ενώ η αποδιέγερση των ηλεκτρονίων
του ατόμου παράγει ενέργειες από
μερικά eV έως 105 eV (ακτίνες Χ).
Οι ενεργειακές στάθμες
του πυρήνα του Ni