Fizyka atomowa to fascynująca dziedzina nauki. Zajmuje się ona badaniem budowy i właściwości atomów. Przyjrzyjmy się teraz najważniejszym wzorom, które przydadzą Ci się w pierwszej klasie liceum.
Budowa Atomu
Atom składa się z jądra atomowego i elektronów krążących wokół niego. W jądrze znajdują się protony i neutrony. Protony mają ładunek dodatni, neutrony są obojętne elektrycznie, a elektrony mają ładunek ujemny.
Liczba protonów w jądrze atomowym to liczba atomowa (Z). Określa ona, jaki to pierwiastek. Na przykład, każdy atom, który ma 6 protonów, to atom węgla. Liczba neutronów w jądrze atomowym to liczba neutronowa (N). Suma liczby protonów i neutronów to liczba masowa (A). Zatem, A = Z + N.
Izotopy to atomy tego samego pierwiastka, czyli mające tę samą liczbę protonów (Z), ale różną liczbę neutronów (N). Na przykład, węgiel-12 (12C) i węgiel-14 (14C) to izotopy węgla. Oba mają 6 protonów, ale węgiel-12 ma 6 neutronów, a węgiel-14 ma 8 neutronów. Izotopy mają różne właściwości, na przykład węgiel-14 jest promieniotwórczy.
Wzory związane z liczbą atomową i masową:
A = Z + N - Liczba masowa równa się sumie liczby atomowej i liczby neutronowej.
Z - Liczba atomowa, określa pierwiastek.
N - Liczba neutronowa, liczba neutronów w jądrze.
Wyobraź sobie, że masz pudełko klocków. Protony to czerwone klocki, neutrony to niebieskie klocki. Liczba atomowa to liczba czerwonych klocków. Liczba masowa to liczba wszystkich klocków w pudełku.
Promieniotwórczość
Niektóre jądra atomowe są niestabilne i ulegają rozpadowi. To zjawisko nazywamy promieniotwórczością. Podczas rozpadu emitowane są różne rodzaje promieniowania: alfa, beta i gamma.
Promieniowanie alfa (α) to strumień jąder helu. Jądro helu składa się z 2 protonów i 2 neutronów. Promieniowanie alfa ma dużą masę i ładunek dodatni. Jest łatwo zatrzymywane przez kartkę papieru lub skórę.
Promieniowanie beta (β) to strumień elektronów lub pozytonów. Elektron to cząstka o małej masie i ładunku ujemnym. Pozyton to antycząstka elektronu, o tej samej masie, ale ładunku dodatnim. Promieniowanie beta ma większą przenikliwość niż promieniowanie alfa, ale może być zatrzymane przez cienką warstwę aluminium.
Promieniowanie gamma (γ) to promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo wysokiej energii. Nie ma masy ani ładunku elektrycznego. Promieniowanie gamma ma bardzo dużą przenikliwość i może być zatrzymane przez grubą warstwę ołowiu lub betonu. Jest to najbardziej niebezpieczne z tych trzech rodzajów promieniowania.
Równania rozpadu promieniotwórczego:
Rozpad alfa: AZX → A-4Z-2Y + 42He
Rozpad beta minus: AZX → AZ+1Y + e- + νe
Rozpad beta plus: AZX → AZ-1Y + e+ + νe
Gdzie: X - jądro początkowe, Y - jądro powstałe, He - jądro helu (cząstka alfa), e- - elektron, e+ - pozyton, νe - neutrino elektronowe.
Pomyśl o rozpadzie promieniotwórczym jak o rozpadzie ciasteczka. Duże ciasteczko (jądro atomowe) rozpada się na mniejsze kawałki (jądra i cząstki elementarne). Rodzaj i liczba kawałków zależy od rodzaju ciasteczka (rodzaju jądra atomowego).
Czas Połowicznego Rozpadu
Czas połowicznego rozpadu (T1/2) to czas, w którym połowa początkowej liczby jąder atomowych ulega rozpadowi. Jest to charakterystyczna wielkość dla każdego izotopu promieniotwórczego. Po upływie jednego czasu połowicznego rozpadu pozostaje połowa początkowej liczby jąder. Po upływie dwóch czasów połowicznego rozpadu pozostaje jedna czwarta, po trzech - jedna ósma i tak dalej.
Wzór na liczbę jąder, które pozostały po czasie t:
N(t) = N0 * (1/2)(t/T1/2)
Gdzie: N(t) - liczba jąder po czasie t, N0 - początkowa liczba jąder, t - czas, T1/2 - czas połowicznego rozpadu.
Wyobraź sobie, że masz koszyk jabłek. Czas połowicznego rozpadu to czas, po którym połowa jabłek zgnije. Jeśli czas połowicznego rozpadu jabłek wynosi tydzień, to po tygodniu połowa jabłek będzie zepsuta, a po dwóch tygodniach zepsuta będzie połowa pozostałych jabłek.
Energia Wiązania Jądra Atomowego
Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, które są utrzymywane razem dzięki silnym siłom jądrowym. Energia potrzebna do rozdzielenia jądra atomowego na poszczególne nukleony (protony i neutrony) nazywa się energią wiązania jądra atomowego. Energię tą można obliczyć na podstawie defektu masy.
Defekt masy (Δm) to różnica między sumą mas poszczególnych nukleonów tworzących jądro, a masą samego jądra. Okazuje się, że masa jądra jest zawsze mniejsza niż suma mas jego składników. Brakująca masa została zamieniona na energię wiązania zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina: E=mc2.
Wzór na energię wiązania:
E = Δm * c2
Gdzie: E - energia wiązania, Δm - defekt masy, c - prędkość światła w próżni (c ≈ 3 * 108 m/s).
Δm = (Z * mp + N * mn) - mjądra
Gdzie: mp - masa protonu, mn - masa neutronu, mjądra - masa jądra.
Pomyśl o zbudowaniu wieży z klocków. Potrzebujesz energii, żeby połączyć klocki ze sobą. Energia wiązania to energia, która trzyma klocki w wieży razem. Jeśli chcesz rozdzielić wieżę na poszczególne klocki, musisz dostarczyć tę energię.
Reakcje Jądrowe
Reakcje jądrowe to procesy, w których jądra atomowe oddziałują ze sobą, prowadząc do powstania innych jąder atomowych i cząstek elementarnych. Reakcje jądrowe mogą być wywoływane przez bombardowanie jąder atomowych różnymi cząstkami, np. protonami, neutronami, cząstkami alfa.
Przykładem reakcji jądrowej jest rozszczepienie jądra uranu-235 pod wpływem neutronu. W wyniku rozszczepienia powstają dwa mniejsze jądra oraz kilka neutronów, które mogą wywołać kolejne rozszczepienia. Jest to reakcja łańcuchowa, wykorzystywana w reaktorach jądrowych i bombach atomowych.
Innym przykładem jest synteza termojądrowa, w której lekkie jądra atomowe łączą się w cięższe, wydzielając ogromne ilości energii. Proces ten zachodzi w gwiazdach, w tym w Słońcu. Przykładem jest łączenie się jąder deuteru i trytu w jądro helu i neutron.
Pomyśl o reakcji jądrowej jak o zabawie klockami. Masz dwa zestawy klocków (dwa jądra atomowe) i łączysz je ze sobą, tworząc nowy zestaw klocków (nowe jądro atomowe) oraz kilka dodatkowych klocków (cząstki elementarne).
Mam nadzieję, że ten artykuł pomógł Ci zrozumieć podstawowe wzory z fizyki atomowej. Pamiętaj, że kluczem do sukcesu jest regularne powtarzanie i rozwiązywanie zadań.
