Formularz subskrypcji

Wypełnij poniższy formularz.

Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #33 Energia potencjalna, czyli Robin Hood w akcji (cz. 18)

Piotr Hytroś Energia – od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości Promowana Z Grupy

W dzisiejszym tekście kontynuujemy temat energii potencjalnej jądra atomowego. Omówimy dokładnie własności sił jądrowych. Spróbujemy je opisać i zaproponować różne modele. Dowiemy się o istnieniu nowej cząstki, która była konieczna do takiego opisu i która została odkryta zgodnie z przewidywaniami, choć nie bez wejścia w ślepą uliczkę. A ta ślepa uliczka to kolejna nowa cząstka…

 

Siły jądrowe

W poprzednim tekście powiedzieliśmy dość dużo o własnościach sił jądrowych. Spróbujmy teraz zebrać wszystkie informacje w całość i zastanowić się, jakie ma to konsekwencje w zachowaniu się jąder atomowych.

Siły jądrowe są:

  • przyciągające - wiążą nukleony w jądra atomowe pomimo odpychania kulombowskiego (dodatnie ładunki elektryczne protonów);
  • odpychające na małych odległościach - nie obserwujemy kolapsu (zapadania się) jąder atomowych. Jądra mają skończone rozmiary;
  • krótkozasięgowe - w przeciwieństwie do grawitacji i elektromagnetyzmu w oddziaływaniach jądrowych nukleony muszą się zbliżyć na bardzo małe odległości, aby zaszło oddziaływanie. Są to odległości rzędu: 10-15 m = 1 fm. fm to femtometr, jednak w fizyce jądrowej używa się też nazwy „fermi” na cześć wybitnego fizyka Enrico Fermi;
  • silne - energie oddziaływań zazwyczaj mierzymy w MeV = 106 (MeV – mega elektronowolt – milion eV, w żargonie „mewy”). To najciekawsza własność, od razu widzimy, że w jądrach atomowych jest „uwięziona” ogromna energia, dużo większa niż w cząsteczkach. Dlatego reakcje jądrowe są dużo bardziej energetyczne niż reakcje chemiczne – nie zmieniamy konfiguracji elektronów w powłokach, ale konfigurację nukleonów w jądrach atomowych;
  • statyczne - zależą od odległości ciał (nukleonów);
  • niezależne ładunkowo - siły działające między protonami i neutronami są niemal jednakowe;
  • zdolne do wysycania materii jądrowej.

Oczywiście to nie wszystkie własności sił jądrowych. Niektóre z nich są jednak zbyt „techniczne” jak na tekst popularnonaukowy. Poniżej przyjrzymy się dokładniej tym najważniejszym własnościom.

 

Kilka faktów i ciekawostek o siłach jądrowych

Jak silne jest oddziaływanie silne na tle oddziaływań elektromagnetycznych i grawitacyjnych?

W odległości 1 fm oddziaływania silne są 35 razy większe niż elektrostatyczne i około 1038 razy większe niż grawitacyjne. Elektromagnetyzm wiąże elektrony z jądrem z energiami rzędu eV, a oddziaływania silne nukleony w jądrze z energiami rzędu MeV.

Siły jądrowe praktycznie nie mają żadnego wpływu na energię wiązania molekuł chemicznych. Biorąc pod uwagę rozmiary atomu i jądra wiemy, że siły te muszą być krótkozasięgowe.

Przyciąganie, czy odpychanie? Dla odległości mniejszych niż 1 fm natężenie sił jądrowych jeszcze wzrasta. Dla bardzo małych odległości siły te zmieniają znak i stają się odpychające. Mamy więc podobną sytuację do oddziaływań międzyatomowych. Jeśli mamy dwa nie reagujące atomy (np. gazu szlachetnego – pełna powłoka walencyjna), to mamy tzw. siły Van der Waalsa, które przy bardzo dużych zbliżeniach zmieniają się z przyciągających na odpychające. Coś w rodzaju oddziaływań resztkowych. Już teraz uchylę rąbka tajemnicy, że sytuacja stanie się jasna dopiero wtedy, gdy dowiemy się, że protony i neutrony zbudowane są z kwarków, które oddziałują ze sobą za pośrednictwem innych cząstek – gluonów. To są tak naprawdę fundamentalne oddziaływania silne i właśnie dlatego tak trudno modelować oddziaływania jądrowe.

Dla odległości większych od kilku fm siły jądrowe spadają gwałtownie do zera. Na takich odległościach oddziaływanie jąder z cząstkami z otoczenia ma charakter oddziaływań elektromagnetycznych. Ze względu na masy obiektów, oddziaływania grawitacyjne pomijamy.

Kolejną ciekawostką, która może brzmi trochę tajemniczo, to właściwość wysycania się. Jak wiemy, bardzo pożądane w technice jądra uranu 235 mają aż 235 nukleonów. Dokładnie są to 92 protony i 143 neutrony. Można więc zadać pytanie - czy każdy nukleon oddziałuje ze wszystkimi pozostałymi, czy też tylko ze swoimi sąsiadami? Sytuacja stanie się w pełni widoczna w następnym tekście, jak zaczniemy omawiać energię wiązania. Okazuje się, że jeden nukleon ma możliwość przyciągania tylko kilku sąsiednich nukleonów. Dla pozostałych (w dalszej odległości) siły jądrowe stają się odpychające. Nie ma w tym nic dziwnego. Analogiczną sytuację mamy w chemii. Metan - CH4 – atom węgla wiąże cztery atomy wodoru (siła przyciągająca), lecz dla piątego atomu mamy już siłę odpychającą – wiązanie nie może zostać utworzone.

 

Charakter sił jądrowych

Na gruncie współczesnej fizyki wiemy, że oddziaływania odbywają się za pomocą wymiany specjalnych cząstek nazywanych bozonami cechowania. Dla oddziaływań elektromagnetycznych takim bozonem cechowania jest znana wszystkim cząstka – foton. Inaczej mówimy, że oddziaływania elektromagnetyczne zachodzą za pośrednictwem wymiany fotonów, pomiędzy cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny. Fotony otaczają nas zewsząd. To przecież nie tylko światło, ale też fale radiowe, rentgenowskie czy inne części widma elektromagnetycznego. Nasz smartfon i telewizor też działa dzięki fotonom. Innymi słowy - na co dzień dzięki fotonom możemy postrzegać i oddziaływać z naszym otoczeniem. Nawet siedzenie na krześle jest oddziaływaniem elektromagnetycznym.

Obecnie wiemy o czterech oddziaływaniach fundamentalnych. Trzy z nich udało się nam opisać za pomocą kwantowej teorii pola. Zidentyfikowaliśmy ładunki dla każdego z tych odziaływań i cząstki, które je przenoszą. Czasami jednak mamy taką sytuację jak w chemii. Obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki mogą ze sobą oddziaływać za pomocą sił elektromagnetycznych. Jako całość są obojętne elektrycznie, ale ich wewnętrzne składniki posiadają ładunki elektryczne i ich rozmieszczenie we wnętrzu pozwala na takie oddziaływanie. Innymi słowy  - pozwalają na wymianę elektronów pomiędzy atomami. Taka analogia wysunęła przypuszczenie, że także siły jądrowe mogą mieć charakter tzw. oddziaływania wymiany. Nie chcę na razie wchodzić w szczegóły kwantowej teorii pola i tzw. cząstek wirtualnych. Wiadomo jest, że z zasięgiem oddziaływania związana jest masa cząstki, która go przenosi. Oddziaływania elektromagnetyczne mają nieskończony zasięg, a foton jest bezmasowy. W przypadku odziaływań silnych, pomiędzy nukleonami sytuacja będzie inna, bo odziaływania te mają bardzo mały zasięg. Zasięg danego oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalny do masy cząstki, która go przenosi. W 1935 roku japoński fizyk Hideki Yukawa wysunął przypuszczenie, że skończonemu i krótkiemu zasięgowi sił jądrowych odpowiada skończona i dość duża masa wirtualnej cząstki wymienianej między dwoma nukleonami. Taką cząstkę nazwano „mezon pi” i rozpoczęto jej poszukiwania. Oczywiście teoria ta wprowadzała tzw. potencjał Yukawy, który był przyciągający i znikał wraz ze wzrostem odległości. Pominę jego postać, choć nie jest zbyt skomplikowana, zawiera funkcję wykładniczą. Można powiedzieć, że pole sił jądrowych jest polem mezonowym. Potencjał Yukawy wytworzony jest przez pole mezonów pi analogicznie do elektromagnetycznych sił międzyatomowych Van der Waalsa.

Z poszukiwaniem cząstki Yukawy – mezonu pi, wiąże się pewna ciekawostka. W międzyczasie, w 1937 roku odkryto cząstkę, której istnienia nikt się nie spodziewał. Na wieść o odkryciu słynny fizyk Isidor Isaak Rabi zapytał: „Kto to zamawiał?”. Początkowo błędnie uznano, że to poszukiwana cząstka Yukawy. Później okazało się, że jest to tzw. mion, cząstka, która należy do tzw. leptonów i nie podlega oddziaływaniom silnym. W końcu jednak w promieniowaniu kosmicznym zidentyfikowano mezony pi. Występują one w trzech stanach ładunkowych: +1, 0, -1. Ich masa okazała się mieć dobrą zgodność z tą, którą wyliczył Yukawa na podstawie swojej teorii. W żargonie fizyków mezony pi nazywane są „pionami”.

Z czasem okazało się, że to wszystko jest bardziej skomplikowane. Nie wystarczy jeden potencjał i jeden model do opisu wszystkich zjawisk jądrowych. Z powyższych własności sił jądrowych widać, że potencjały jądrowe na pewno nie będą miały prostej postaci. Będzie wiele modeli zależnych od różnych parametrów i działających w odpowiednim zakresie różnych zmiennych. Tak naprawdę nukleony przyciągają się wzajemnie dzięki silnym oddziaływaniom resztkowym/szczątkowym zachodzącym między kwarkami uwięzionymi wraz z gluonami w nukleonach. Nie mniej jednak okazało się, że wejście na poziom jądra atomowego i jego składników – nukleonów, otworzyło dostęp do dużych zasobów energetycznych. Jak dużych? O tym w kolejnym tekście, w którym przyjrzymy się energii wiązania. A  w dalszej przyszłości omówimy aspekty techniczne umożliwiające korzystanie z tego zasobu energii.

 

Sprawdź też

Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #36 Energia potencjalna, czyli Robin Hood w akcji (cz. 21)

#36 Energia potencjalna, czyli Robin Hood w akcji; cz. 21 W obecnym tekście kontynuujemy temat energii potencjalnej jądra atomowego. Omówimy różnorodność potencjałów jądrowych. Jądro atomowe okaże się dość skomplikowanych obiektem, układem wielu ciał, którym rządzi mechanika kwantowa i fizyka statystyczna. ...

Czytaj dalej

Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #35 Energia potencjalna, czyli Robin Hood w akcji (cz. 20)

W obecnym tekście kontynuujemy temat energii potencjalnej jądra atomowego. Podamy przykłady energii charakterystycznych dla reakcji jądrowych. Omówimy koncepcję studni potencjału i to jakie jest jej zastosowanie do jąder atomowych. ...

Czytaj dalej

Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #34 Energia potencjalna, czyli Robin Hood w akcji (cz. 19)

W obecnym tekście kontynuujemy temat energii potencjalnej jądra atomowego. Po zapoznaniu się z naturą sił jądrowych, przyszła pora na energię wiązania. To ona utrzymuje jądra atomowe w całości, a także rządzi ich przemianami. ...

Czytaj dalej

Informacje o plikach cookie

Serwis pozostawia informacje na urządzeniach końcowych użytkowników (pliki cookies) i korzysta z tych informacji w celu ułatwienia użytkowania serwisu. Jeżeli w ustawieniach przeglądarki dopuściłeś przechowywanie plików cookies, będą one pozostawione na Twoim urządzeniu końcowym. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce. Przeczytaj więcej o cookies.