Το σεμινάριο αυτό αποτελεί την αφετηρία της νέας σειράς Σεμιναρίων Σύγχρονης Φυσικής τα οποία θα λάβουν χώρα στον φιλόξενο χώρο του Βιβλιοπωλείου ΑΙΓΗΙΣ από τον κο Ε.Χανιωτάκη, Φυσικό. Στον νέο κύκλο Σεμιναρίων Σύγχρονης Φυσικής θα πραγματευτούμε τον μικρόκοσμο οπλισμένοι με τις γνώσεις που αποκτήσαμε πάνω στην Ειδική Σχετικότητα και την Κβαντική Μηχανική και θα μάθουμε για τη συναρπαστική Φυσική που διέπει τις πιο θεμελιώδεις δομές της Ύλης. Στο σεμινάριο αυτό συζητήσαμε για το αντικείμενο της Πυρηνικής Φυσικής, μάθαμε γιατί ο Πυρήνας αποτελεί έναν πραγματικό Γίγαντα ενέργειας, μάθαμε για τα επιμέρους συστατικά του και τα πειράματα που αποκάλυψαν την ύπαρξή του και θα διερευνήσαμε τις δυνάμεις που συγκροτούν τον πυρήνα καθως και την περιγραφή του σε πρώτη προσέγγιση ως μία υγρή σταγόνα.

1. Πυρήνας:
Ένας μικροσκοπικός Γίγαντας
Ενέργειας
Τα Χαρακτηριστικά του Πυρήνα
E. Χανιωτάκης,
Σεμινάρια Σύγχρονης Φυσικής
Βιβλιοπωλείο ΑΙΓΗΙΣ

2. https://www.youtube.com/watch?v=bhofN1xX6u0

6. https://www.youtube.com/watch?v=IQ1h_gdVlHg

7. Χαρακτηριστικά του ατομικού Πυρήνα

9. https://www.youtube.com/watch?v=yQP4UJhNn0I

10. Η πυκνότητα του πυρήνα
Η πυκνότητα του πυρήνα είναι της τάξης των
10^17kg/m^3
Χονδροειδώς μπορείτε να το σκεφτείτε ως εξής:
Η πυκνότητα αυτή ισοδυναμεί με το να
συμπιέσω 100.000.000 αυτοκίνητα σε χώρο.. 1
κυβικού εκατοστού.

11. Η Πυρηνική Δύναμη
Σκεφτείτε: 2 πρωτόνια σε απόσταση ~2fm ασκούν μεταξύ τους
ηλεκτροστατικές δυνάμεις 60Ν.
Αυτές οι δυνάμεις αντιστοιχούν στο βάρος ενός σώματος μάζας
6kg. Για τον μικρόκοσμο αυτές οι δυνάμεις είναι ασύλληπτα
μεγάλες. Αν δύο πρωτόνια συγκρατούνταν με δύναμη ίση με
60Ν τότε αν η δύναμη έπαυε, αυτά θα απελευθερώνονταν και
θα αποκτούσαν ταχύτητες της τάξης των ~13000km/sec!!
Σκεφτείτε τι συμβαίνει στον πυρήνα του Ουρανίου ο οποίος
έχει 92 πρωτόνια.

13. Πως θα συγκρατηθούν αυτά τα πρωτόνια μαζί;
Πρέπει να υπάρχει μια ακόμη πιο ισχυρή ελκτική δύναμη που
υπερνικά την ηλεκτροστατική άπωση. Αυτή είναι η πυρηνική δύναμη.
Μάλιστα, η πυρηνική δύναμη είναι πολύ πιο ισχυρή από την
ηλεκτρομαγνητική
διότι αλλιώς οι πυρήνες των ατόμων θα ήταν εύκολο να
αποσυντεθούν.
Τα άτομα όμως είναι αιώνια..
Έχει μετρηθεί οτι η πυρηνική δύναμη
είναι ~100 φορές πιο ισχυρή από την
ηλεκτρομαγνητική δύναμη.
Άρα για δυο πρωτόνια σε απόσταση 1fm, η πυρηνική
δύναμη είναι ίση με το βάρος ενός σώματος μάζας 600 kg
συγκριτικά με την ηλεκτρομαγνητική που ισούται με
βάρος σώματος μάζας 6 kg.

16. Εμβέλεια και Ισχύς της Πυρηνικής
Δύναμης
• Γιατί δεν έχουμε εμπειρία από τις πυρηνικές
δυνάμεις στον μακρόκοσμο;
• Γιατί σταθεροί πυρήνες με ατομικό αριθμό
Z>~100
δεν απαντώνται στη φύση;
 Η πυρηνική δύναμη έχει μικρή εμβέλεια
(Συγκριτικά, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη έχει
άπειρη εμβέλεια)
 Τα νουκλεόνια αλληλεπιδρούν
μόνο με τους «άμεσους γειτονές τους».

21. Ενέργεια σύνδεσης και έλλειμμα
μάζας
• Ένας πιο χρήσιμος τρόπος να περιγράφουμε την
πυρηνική δύναμη.
• Ένας πυρήνας έχει Z πρωτόνια (μάζα mP) και Ν
νετρόνια (μάζα mN). Aθροίζοντας έχω ότι η
συνολική μάζα των επιμέρους συστατικών είναι:
Ζ*mP+N*mN
Eν τούτοις:
Mπυρήνα < Ζ*mP+Ν*mN  έχω έλλειμα μάζας!!

22. Αν ζυγίσω έναν πυρήνα ηλίου με τα συστατικά του ξεχωριστά, ο πυρήνας
θα είναι ελαφρύτερος!!!!!!!!!!!!!!!!!
Αν συνδέσω δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, ο πυρήνας
ηλίου που θα προκύψει θα είναι ~0,75% ελαφρύτερος απ’
το άθροισμα των μαζών των επιμέρους συστατικών. Που
πήγε η υπόλοιπη μάζα;

23. Η υπολειπόμενη μάζα μετατρέπεται σε ενέργεια, η οποία
χρησιμοποιείται για να κρατά τον πυρήνα συνδεδεμένο.
Αυτή είναι η Ενέργεια Σύνδεσης του πυρήνα.
Με άλλα λόγια, η Ενέργεια Σύνδεσης ισούται με το ποσό ενέργειας που πρέπει να καταβάλω
για να διασπάσω έναν πυρήνα στα επιμέρους συστατικά του. Ενέργεια σύνδεσης ανα νουκλεόνιο
είναι η ενέργεια που πρέπει να καταβάλω για να απομακρύνω ένα νουκλεόνιο από τον πυρήνα
https://www.youtube.com/watch?v=UkLkiXiOCWU

24. • Η πυρηνική δύναμη έχει εμβέλεια περίπου ίση με 2.5
ακτίνες πρωτονίου. Αν αρχίσω να προσθέτω νουκλεόνια σε
έναν πυρήνα υδρογόνου, ο πυρήνας που προκύπτει θα
γίνεται ολοένα και πιο ισχυρά δέσμιος έως ότου το
μέγεθός του εξισωθεί με την εμβέλεια της πυρηνικής
δύναμης (Περιοχή σιδήρου-νικελίου).
• Προσθέτοντας επιπλέον νουκλεόνια, ο πυρήνας μεγαλώνει
ολοένα και περισσότερο με αποτέλεσμα οι
ηλεκτρομαγνητικές απώσεις να αρχίσουν να υπερνικούν
την έλξη της πυρηνικής δύναμης. Οι πυρήνες γίνονται
ολοένα και λιγότερο δέσμιοι μέχρις ότου, από μια τιμή
νουκλεονίων και έπειτα γίνονται ασταθείς και διασπώνται.

25. Ενέργεια Σύνδεσης ανα νουκλεόνιο
Πυρηνική Σχάση
Πυρηνική Σύντηξη

26. Το μοντέλο της υγρής σταγόνας
Ο πυρήνας είναι ένα
κβαντομηχανικό σύστημα.
Μπορεί να παρομοιαστεί σε
πρώτη προσέγγιση με μια
υγρή σταγόνα:
Έχει σταθερή πυκνότητα
ανεξάρτητη του αριθμού
νουκλεονίων για τα
περισσότερα στοιχεία.
Είναι ασυμπίεστος
Τα νουκλεόνιά του
αλληλεπιδρούν μόνο με τα
γειτονικά τους νουκλεόνια.
*αντιστοιχία με δυνάμεις
Van Der Waals στις
αλληλεπιδράσεις μορίων.

27. Συμπεράσματα
• Ο πυρήνας αποτελεί ένα μικροσκοπικό, θετικά
φορτισμένο τεράστιας πυκνότητας αντικείμενο το
οποίο βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου. Αποτελείται
από πρωτόνια και νετρόνια.
Ανακαλύφθηκε από τον Ράδερφορντ το 1909
• Αν το άτομο είχε μέγεθος ενός σταδίου, ο πυρήνας θα
ήταν ένας βόλος στο κέντρο του.
• Η πυκνότητα του πυρήνα είναι τόσο μεγάλη που
ισοδυναμεί με το να συμπύκνωνα 100.000.000
αυτοκίνητα σε χώρο ίσο με τον όγκο ενός ζαριού.

28. • Η πυρηνική δύναμη μπορεί να συγκρατήσει τα συστατικά του
πυρήνα ενωμένα και υπερέχει της ηλεκτρομαγνητικής άπωσης
κατά >100 φορές σε εμβέλεια περίπου 4 φορές το μέγεθος του
πρωτονίου. Πέραν αυτής της εμβέλειας, οι ηλεκτρομαγνητικές
δυνάμεις υπερέχουν.
• Η μάζα ενός πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών
των επιμέρους νουκλεονίων του. Αυτό το έλειμμα μάζας εξηγείται
με την διάσημη σχέση του Aϊνστάιν: Ε= mc2
• Πυρήνες πιο βαριοί από τον σίδηρο τείνουν να υφίστανται
διάσπαση και σχάση ενώ πυρήνες ελαφρύτεροι τείνουν να
υφίστανται σύντηξη.
• Ο πυρήνας μπορεί να παρομοιαστεί με μια υγρή σταγόνα