Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #32 - energia potencjalna, czyli... (cz. 17)

W obecnym tekście kontynuujemy temat energii potencjalnej, ale tym razem skupimy się na jądrze atomowym. Dlaczego taki twór istnieje – co utrzymuje jego składniki razem? Poznamy kolejny poziom studni potencjału, która więzi nukleony w jądrze atomowym. Okazuje się, że tym razem energie wiązania są dużo większe i dzięki temu technologia umożliwiająca opanowanie tej energii jest bardzo pożądana. Innymi słowy – duża gęstość energii umożliwia unikalne zastosowania techniczne.

Ponieważ tekst dotyczy energii potencjalnej nie będziemy omawiać jądra atomowego w innych aspektach wraz z jego rysem historycznym. Będzie to miało miejsce w późniejszych tekstach. Temat ten będzie wielokrotnie powracał, bo jest niezmiernie ważny. Pojawi się m.in.: przy opisie pierwotnej nukleosyntezy we wczesnym rozwoju Wszechświata. Później przy opisie powstawania gwiazd. Ewolucja gwiazd to w końcu przemiany jądrowe. To gwiazdy są „wytwórniami pierwiastków”. Ich końcowe stadia ewolucji dostarczają nam tych najcięższych i najbardziej pożądanych jak złoto i uran.  Temat ten pojawi się także przy opisie zastosowań technicznych fizyki jądrowej, które są bardzo szerokie: od medycyny i energetyki jądrowej, po zastosowania militarne. To coś, co ratuje nam życie i pozwala na nasz rozwój, ale w pewnych warunkach może być niebezpieczne.

Studnia potencjału – jadro atomowe – kolejny poziom „więzienia”

W poprzednim tekście omówiliśmy energię potencjalną atomów i cząsteczek. Jej źródłem były oddziaływania elektromagnetyczne, które więziły atomy i cząsteczki w swoim potencjale, w studni potencjału. Dzięki temu mamy całe bogactwo otaczających nas struktur.

Teraz spróbujemy sięgnąć głębszego poziomu. Atom to twór zbudowany z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów. Przy obecnym stanie wiedzy, elektrony uważamy za cząstki elementarne. Inaczej mówiąc, przy energiach obecnie dostępnych w „urządzeniach pomiarowych” – akceleratorach cząstek – elektrony nie przejawiają struktury wewnętrznej. Zachowują się jak cząstki punktowe. Inaczej wygląda sytuacja z jądrem atomowym. Jest to bardzo ciekawy twór. Jego rozmiary są około 100 000 razy mniejsze od atomu (10^-14m – 10^-15m), ale za to prawie cała masa danego atomu jest masą jego jądra (ponad 99,9%). Za „odkrywcę” jądra atomowego, a dokładnie za osobę, która zaproponowała taką interpretację pewnego doświadczenia, uważa się Ernesta Rutherforda. Miało to miejsce w 1911 roku, a eksperyment polegał na rozpraszaniu cząstek alfa („związane” dwa protony i dwa neutrony) na foli ze złota. Rozpraszane cząstki zachowywały się tak, jakby cały dodatni ładunek jądra znajdował się w jego centralnej części, a nie tak jak w modelu Thomsona, który zakładał ich równomierne rozmieszczenie. Później okazało się, że same protony nie wystarczą i jądro atomowe powinno posiadać jeszcze inne cząstki, które nie posiadają ładunku elektrycznego. Za odkrywcę neutronu uważany jest James Chadwick. Miało to miejsce w 1932 roku. I tutaj pokuszę się na dygresję. W pewnym sensie neutrony „widziano” trochę wcześniej. Trzeba zdać sobie sprawę z tworzenia modeli fizycznych różnych zjawisk. Ze względu na rozmiary obiektów i ich właściwości nie możemy prowadzić badań bezpośrednio. Wykonujemy pewne eksperymenty, a potem odpowiednio interpretujemy ich wyniki. Fizyk nie złapie neutronu w siatkę, jak entomolog motyla. Trzeba więc odpowiednio zaplanować eksperymenty, powtórzyć je, a także zbadać różne aspekty. Musimy być pewni, że nasza interpretacja będzie jak najbardziej zgodna z „rzeczywistością”.

W fizyce stosujemy takie pojęcia jak stany związane i stany rozproszeniowe. Aby istniała jakaś struktura, jej składowe muszą być ze sobą powiązane w określony sposób. Jądro atomowe jest zatem stanem związanym nukleonów. Oczywiście, za wyjątkiem sytuacji, w której sam proton stanowi jądro najpowszechniej występującego izotopu wodoru. Aby istniał stan związany i to istniał przez dłuższy czas, czyli był stabilny, konieczna jest odpowiednia energia. Wszystkie składniki tworzące taki stan muszą być uwięzione w jakimś potencjale. Po prostu musi to być korzystne energetycznie. Właśnie to pozwala utrzymać dany stan, a aby go zniszczyć, konieczne jest dostarczenie odpowiedniej energii do układu. Przechodząc obok jakiegoś muru widzimy, że jest on stabilny (stoi od wielu lat). Czasami wiatr i inne czynniki nie mogą go zburzyć. Jednak wystarczy odpowiednia maszyna budowalna, która może tego dokonać w krótkim czasie. Planety (w tym Ziemia) uwięzione są w grawitacyjnej studni potencjału Słońca, a cały Układ Słoneczny w Galaktyce. Tutaj jednak analogie z układami makroskopowymi nie odzwierciadlają w pełni budowy jądra atomowego. Rozmiary jądra wymagają jego opisu za pomocą mechaniki kwantowej. Energia nie może tutaj przyjmować dowolnych wartości, a ściśle określone – poziomy energetyczne. Co więcej, dzięki zjawisku tunelowania, cząstka może wydostać się ze studni potencjału nie posiadając energii wymaganej, aby pokonać barierę potencjału. Mechanika kwantowa ma naturę probabilistyczną. Wiele przemian jądrowych (rozpady) zachodzi samorzutnie bez dostarczenia energii z zewnątrz. Zatem na wszelkiego typu struktury: od galaktyk, układów słonecznych po cząsteczki, atomy, jądra atomowe należy patrzeć jak na odpowiednie „więzienia” w pewnych studniach potencjału. Takie konfiguracje po prostu są korzystne energetycznie. Ujmując to inaczej: ponieważ nukleony są związane w jądrze, głębokość studni potencjału wytworzonej przez cząstki musi być większa niż średnia energia kinetyczna nukleonów. Tak, to nie jest błąd, w tym przypadku nie jest to studnia, z której możemy czerpać wodę. Dlatego jej „głębokości” nie mierzymy w metrach, a w jednostkach energii. Podaje się jaką energię powinien posiadać uwięziony obiekt, aby pokonać barierę potencjału. Oczywiście, przywołując wspominane już zjawisko tunelowania nie działa to w ten sposób, że cząstka posiadająca mniejszą energię nigdy nie pokona bariery. Aby podsycić ciekawość dodam, że działa to też w drugą stronę: pomimo posiadania większej energii może się odbić od bariery potencjału. Na koniec należy dodać, że oddziaływania utrzymujące nukleony w jądrze atomowym nie zachowują sią tak jak oddziaływania grawitacyjne, czy elektromagnetyczne – ich siła nie maleje wraz z kwadratem odległości.

Dodatni ładunek jądra atomowego – czy to problem?

Wielokrotnie wspomnieliśmy, że w odziaływaniach elektromagnetycznych przyciąganie obiektów posiadających ładunki elektryczne możliwe jest jeśli te ładunki są różnoimienne. W przypadku ładunków jednoimiennych mamy do czynienia z odpychaniem. Powyżej powiedzieliśmy, że jądra atomowe zbudowane są z protonów o ładunku dodatnim i neutronów nie posiadających ładunku elektrycznego. Wyraźnie widać, że ładunek jądra jest dodatni. Dla kogoś kto zna elektrodynamikę taka sytuacja jest zaskoczeniem. Dlaczego taki twór może istnieć i to w wielu przypadkach przez bardzo długi okres? Przecież siły elektromagnetyczne powinny dążyć do jego rozpadu. Pojawia się zatem ważny wniosek – nukleony w jądrze atomowym muszą być powiązane innymi siłami niż elektromagnetyczne i siły te muszą być „większe” od elektromagnetycznych. Muszą być w stanie pokonać odpychanie protonów. Od dawna próbuje się badać takie siły. Obserwacje wiele nam podpowiadają. Wiemy, że nie ma gigantycznych jąder atomowych. Oznacza to zatem, że siły te są krótkozasięgowe. W masywnych jądrach atomowych jest przewaga neutronów nad protonami. Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego. Można więc przypuszczać, że zgromadzenie dużej ilości protonów w jądrze wiąże się z powstaniem bardzo dużej siły. Pole elektromagnetyczne będące skutkiem dodatnich ładunków protonów dąży do dekompozycji tego układu – rozpadu na fragmenty. Dlatego wraz z ilością protonów w jądrze musi wzrastać liczba neutronów. Nie jest to wzrost liniowy. Siły jądrowe wytwarzane prze neutrony pozwalają na utrzymanie większej ilości protonów w jądrze. Poza tym wiemy, że ciężkie jądra ulegają rozpadom, nie są więc tak stabilne jak te lżejsze. Tego typu obserwacje prowadzą do jeszcze dodatkowych wniosków. Czy w jądrze każdy nukleon oddziałuje z każdym tak samo, czy też tylko ze swoimi sąsiadami? Czy siły te powodują równomierne rozmieszczenie nukleonów w jądrze czy też zachodzi tzw. klasteryzacja – nukleony lokalnie tworzą grupy. Wszyscy przecież słyszeli o promieniowaniu alfa. Cząstka alfa to stan związany dwóch protonów i dwóch neutronów? Dlaczego zatem jądrze korzystniej energetycznie jest wyemitowanie cząstki alfa niż np. stan związany dwóch neutronów i protonu, albo dwóch protonów i neutronu?

Okazuje się, że neutron jako cząstka swobodna (nie związana w jądrze) jest niestabilny. Jego średni czas życia wynosi około 15 minut. Otaczające nas struktury i my sami istniejemy przez wiele lat. To oznacza, że neutrony związane w jądrach atomowych nie „żyją” tak krótko. Dlaczego w jądrze atomowym takie rozpady są blokowane na tyle długo, że mogą istnieć trwałe struktury?

I znowu widzimy, że wszystko się komplikuje. Niby prosty twór, mała, niewidoczna gołym okiem „kuleczka” zbudowana z protonów i neutronów. A tutaj tyle pytań, a ich lista jest jeszcze dłuższa…