ABECEDA FIZIKE #31: Što se događa u atomskoj jezgri

U prethodnoj Abecedi fizike napisao sam: „Rutherfordovi pokusi pokazali su da su gotovo sva masa i sav pozitivan naboj atoma koncentrirani u vrlo malenoj jezgri.” Bila je to ključna spoznaja za razvoj modela atoma. Ispostavilo se da svojstva atoma ovise prvenstveno o elektronskom omotaču, iz čega proizlazi sva kemija. To je bila prethodna tema. Sad je vrijeme da od istih Rutherfordovih rezultata krenemo u drugom smjeru, prema toj vrlo malenoj, masivnoj, pozitivno nabijenoj jezgri. Istraživanje njezine strukture i svojstava otvorilo je posve novu granu fizike – nuklearnu fiziku.

Atomska jezgra ili nukleus otprilike je sto tisuća puta manja od atoma. Jezgra u atomu je kao buha na nogometnom igralištu. Zato nije pretjerano reći da je atom uglavnom prazan prostor. Pa su i tijela, građena od atoma, uglavnom prazna. Elektromagnetske sile među atomima daju tijelima neproničnost i stvaraju dojam punine. To vrijedi za gotovo sva tijela u svemiru: buhe, ljude, kamenje. Sve je to uglavnom šuplje. Izuzetak su neutronske zvijezde. Njima ćemo se vratiti kasnije. Najprije trebamo objasniti samu atomsku jezgru.

Nukleoni i loptanje pionima

Ni atomska jezgra nije nedjeljiva. Ona se sastoji od čestica zvanih nukleoni. Ti nukleoni su teške čestice – oko 2000 puta masivnije od elektrona – a dolaze u dvije varijante: kao pozitivno nabijeni protoni i električki neutralni neutroni. Usput, čak ni nukleoni nisu elementarne čestice nego se sastoje svaki od po tri kvarka, no to je već druga priča u koju sada neću ulaziti.

Za osnovno razumijevanje atomske jezgre važno je uočiti da je sav električni naboj jezgre pozitivan i sabit u sićušan prostor. Među protonima, dakle, djeluje snažna električna odbojna sila pa onda mora postojati i druga sila koja nadvladava električnu silu i drži atomsku jezgru na okupu. U pojednostavljenoj slici, međudjelovanje nukleona može se opisati izmjenom piona. U nuklearnoj interakciji čestice se na neki način loptaju pionima kao što se u elektromagnetskoj interakciji loptaju fotonima.

Kao što nukleoni nisu elementarne čestice nego se sastoje od kvarkova tako ni nuklearna sila nije temeljna nego tek efektivna sila, opis na jednoj višoj razini. Opis na temeljnoj razini je zapravo međudjelovanje između kvarkova. Tu temeljnu interakciju nazivamo jakom interakcijom, a ona nastaje tako da se kvarkovi međusobno loptaju gluonima, ali to opet izlazi iz okvira naše priče.

Izotopi, nestabilne atomske jezgre i radioaktivnost

Dakle, u atomskoj jezgri sjede protoni i neutroni. Najmanja atomska jezgra ima samo jedan proton, to je jezgra vodika. Najveće atomske jezgre imaju na stotine nukleona. Kod lakših jezgara broj protona i neutrona približno je jednak, dok stabilne teške jezgre imaju osjetno više neutrona nego protona. No nisu sve kombinacije protona i neutrona moguće, a i od onih koje jesu neke su stabilne, a neke nestabilne. Nestabilne jezgre prije ili poslije spontano se raspadnu pri čemu izbacuju neke čestice i to je ono što nazivamo radioaktivnošću.

Ukupan broj nukleona u jezgri označavamo s A. To je maseni ili nukleonski broj koji je jednak zbroju broja protona (koji označavamo sa Z) i broja neutrona (koji označavamo s N). Identitet jezgre određuje Z, o njemu ovisi je li pojedina jezgra jezgra recimo zlata ili željeza. Zlato ima Z = 79. E sad, što se tiče N, on može biti npr. 116, 117, 118, 119 ili 120. U slučaju N = 118 jezgra je stabilna ili trajna, ona se ne raspada. Takve jezgre zlata nalazimo u prirodi. U laboratoriju, nuklearnim reakcijama, možemo stvoriti varijante jezgara zlata kojimanedostaje nekoliko neutrona ili pak imaju nekoliko neutrona više s obzirom na stabilnu varijantu. Međutim takve jezgre nisu stabilne, one se raspadaju za otprilike nekoliko dana (izuzetak je prvi radioaktivni izotop, N = 116, koji ima nekoliko desetaka puta dulje vrijeme poluraspada od ostalih). S obzirom da svih pet varijanti jezgri zlata uvijek ima isti Z, što znači isto mjesto u periodnom sustavu elemenata, nazivamo ih izotopima. Naziv ima grčke korijene: isos (isto) + topos (mjesto).

Ako, dakle, kombinacija broja protona i neutrona u atomskoj jezgri nije stabilna, što proizlazi iz svojstava nukleona i nuklearne sile, ravnoteža je narušena i nukleonski sustav se raspada. Vjerojatnosti raspada u jedinici vremena jako se razlikuju za različite izotope. Te vjerojatnosti raspada u jedinici vremena mogu se izraziti na drukčiji način, kao vremena poluraspada, što nam je intuitivnije. Vrijeme poluraspada ne znači da će se pojedina jezgra raspasti točno za to vrijeme, mjereći od trenutka njezinog nastanka. Vrijeme poluraspada znači da će se za to vrijeme raspasti polovica od ukupnog broja jezgara u nekom uzorku. Broj jezgara u makroskopskom uzorku je ogroman, red veličine trilijarde (10²¹) ili kvadrilijuna (10²⁴).

Vremena poluraspada različitih izotopa kreću se od sićušnog djelića sekunde do milijardi godina. Ne možemo predvidjeti kad će se raspasti točno određena radioaktivna atomska jezgra. Možda idućeg trenutka, možda za milijardu godina. Možemo, međutim, vrlo precizno predvidjeti koliko će se jezgara u uzorku raspasti za točno određeno vrijeme.

I na kraju, nestabilne atomske jezgre mogu se raspadati na nekoliko načina, a ovdje ćemo opisati tri klasična oblika radioaktivnog raspada. Prvi nazivamo alfa-raspad. Kod njega jezgra emitira alfa-česticu, nukleonski sustav od dva protona i dva neutrona. Ta alfa-čestica je zapravo jezgra stabilnog izotopa helija. Pri alfa-raspadu, dakle, iz atomske jezgre izleti alfa-čestica, a preostane jezgra koja ima dva protona manje i dva neutrona manje. Taj produkt raspada može biti ili stabilna ili nestabilna jezgra. Ako je nestabilna, dalje će se raspasti na nešto drugo sve dok se nizom raspada ne dođe do stabilne jezgre.

Drugi način raspada je beta-raspad. Pri beta⁺-raspadu jezgra emitira pozitron i neutrino, a pri beta^–-raspadu jezgra emitira elektron i antineutrino. No, to ne znači da su elektron ili pozitron od ranije postojali u atomskoj jezgri. Oni su nastali samim raspadom. Pri beta⁺-raspadu se jedan proton transformira u neutron, dok se pri beta^–-raspadu jedan neutron transformira u proton. S obzirom da se broj protona u jezgri mijenja, mijenja se i identitet jezgre odnosno kemijski element. Nuklearni fizičari su stoga moderni alkemičari. Oni danas u laboratoriju mogu proizvesti zlato. Postoji dobar razlog zašto se to naveliko ne radi. Preskupo je. Jeftinije je kupiti zlato pronađeno u prirodi.

Treći način raspada je gama-raspad. Pri takvom raspadu jezgra emitira jedan foton visoke energije, koji u elektromagnetskom spektru odgovara gama-zračenju. Pri tome i N i Z i A ostaju isti. Odakle taj foton visoke energije? Radi se o razlici energija između višeg i nižeg energijskog stanja jezgre, što je donekle analogno emisiji fotona pri prijelazu elektrona u atomskom omotaču iz višeg u niže energijsko stanje. Samo su energije nuklearnih prijelaza tipično mnogo veće, nerijetko i milijun puta. Upravo zbog tih velikih energija nuklearno zračenje može ionizirati tvar i pri dovoljno velikim dozama ozbiljno oštetiti živo tkivo. Zašto je radioaktivno zračenje opasno, koliko je opasno i kada se zapravo trebamo bojati – to će biti tema iduće, i zadnje, Abecede fizike.

A sad se još moram vratiti onim neutronskim zvijezdama koje sam na početku spomenuo. Neutronsku zvijezdu možemo u gruboj slici zamisliti kao jednu golemu atomsku jezgru. Nije baš doslovno atomska jezgra jer se ne sastoji samo od nukleona vezanih u jednu jezgru. Većinu njezine unutrašnjosti čine neutroni, ali prisutni su i protoni, elektroni, a možda i druge čestice. Pri najvećim gustoćama možda se pojavljuju i hiperoni, konkretno lambda-čestice koje su također neutralne i sastavljene od tri kvarka samo što je jedan od tih kvarkova strani kvark. Tu smo opet prekoračili okvir osnovne priče o nuklearnoj fizici pa nećemo dalje. Završit ću s činjenicom da je neutronska zvijezda kompaktni kozmički objekt koji se ne sastoji, poput nas, od „šuplje” tvari nego od tvari koja je ekstremno gusta. Čajna žličica tvari gustoće tipične za neutronsku zvijezdu imala bi masu reda milijardu tona, što je usporedivo s ukupnom masom svih ljudi koji danas žive na Zemlji.

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodnih kolaboracija MAGIC i CTAO. Autor je niza srednjoškolskih udžbenika iz fizike i tri znanstveno-popularizacijske knjige: “Protiv nadnaravnoga”, “Ažurirani svemir” i “Razumljivi svijet”.