גרעין האטום

תרשים המתאר אטום הליום (מימין למעלה: הגרעין)

גרעין האטום הוא אזור במרכז האטום, המורכב מפרוטונים ונייטרונים.

הפרוטונים הם בעלי מטען חשמלי חיובי. מספר הפרוטונים בגרעין האטום נקרא המספר האטומי, והוא קובע איזה יסוד כימי מהווה האטום. הנייטרונים הם חסרי מטען חשמלי, ומספרם קובע את האיזוטופ שהאטום מהווה לאותו יסוד. לכל יסוד יש כמה איזוטופים בעלי תכונות כימיות דומות, אך תכונות רדיואקטיביות שונות. סכום מספר הפרוטונים והנייטרונים נקרא מספר המסה של הגרעין, והוא קובע בקירוב את מסת האטום.

אף על פי שגרעין האטום מכיל את הרוב המכריע של מסת האטום, נפחו של גרעין האטום הוא זעיר ביחס לנפחו המלא של האטום. רדיוס הגרעין הוא בסדר גודל של פרמי (‎10^-15‎ מטר) לעומת רדיוס האטום שנמדד בסדרי גודל של אנגסטרום (‎10^-10‎ מטר).

מכיוון שמטענם החשמלי של הפרוטונים הוא חיובי, ולנייטרונים מטען חשמלי אפס, המטען החשמלי הכולל של גרעין האטום הוא תמיד חיובי, ושווה למספר הפרוטונים כפול המטען החשמלי של הפרוטון (${\displaystyle 1.6\cdot 10^{-19}}$ קולון).

יציבותו של גרעין האטום

גרף-טבלת כל האיזוטופים של כל היסודות. ציר ה-X מסמן את מספר הפרוטונים שבכול גרעין וציר ה-Y את מספר הנייטרונים. הנקודות השחורות מסמלות את האיזוטופים היציבים והצבעוניות אל אלו שאינם. צבע הנקודות הצבעוניות מסמן את סוג ההתפרקות, שעובר האיזוטופ, שאינו יציב.

בין הפרוטונים שבגרעין יש דחייה חשמלית המטה את הגרעין כלפי פירוק. אולם, הכוח הגרעיני החזק מושך את הנוקלאונים זה לזה ומונע את התפרקות הגרעין. אם כי משום, שעוצמת הכוח הגרעיני החזק בין שני גופים דועכת עם המרחק בקצב גדול בהרבה מהדעיכה של הכוח החשמלי, הכוח החזק אינו מצליח להתגבר על הדחייה החשמלית בין הפרוטונים בגרעינים גדולים. ואכן, כל היסודות הכבדים מביסמוט הם יסודות רדיואקטיביים - יסודות, שמרבית או כל הגרעינים שלהם נוטים להתפרק.

גם גרעין עם עודף נייטרונים נוטה להתפרק. על פי רוב, אחד הנייטרונים שבו הופך פרוטון תוך שיחרור אלקטרון ופוזיטרון. כך, למשל, הופך פחמן 14 לחנקן 14.

גרעין שאינו יציב עובר התפרקות רדיואקטיבית לגורמים פשוטים יותר, תוך כדי פליטת קרינה. התהליך יכול להיות טבעי או תוצר של ביקוע גרעיני. הקרינה נפלטת בכמה צורות אפשריות:

• קרינת אלפא שהיא קרינה חיובית. קרינה זו היא שטף של גרעיני הליום. כל גרעין כזה מורכב משני פרוטונים ושני נייטרונים.
• קרינת בטא שהיא שטף של אלקטרונים או פוזיטרונים.
• קרינת גמא שהיא קרינה אלקטרומגנטית.

ההתפרקות הרדיואקטיבית היא תופעה קוונטית בעיקרה ולכן הסתברותית. כלומר: אי אפשר לדעת מתי בדיוק יתפרק חלקיק מסוים אך אפשר לדעת מה ההסתברות שלו להתפרק בכל פרק זמן נתון.

לאטומים של יסוד מסוים יש איזוטופים שונים - גרעינים הנבדלים זה מזה במספר הנייטרונים שבהם. אף שלמספר הנייטרונים בגרעין אין השפעה על התכונות הכימיות של היסוד, יש לו השפעה רבה על יציבותו של הגרעין - חלק מהאיזוטופים הם איזוטופים רדיואקטיביים.

דוגמה קיצונית למספר האיזוטופים הקיימים היא של אטום הניקל. לניקל יש 10 איזוטופים; יש חמישה איזוטופים יציבים (הגרעין שלהם אינו מתפרק מעצמו), איזוטופ אחד (ניקל-59) שזמן מחצית החיים שלו הוא יותר מעשרת אלפים שנה, איזוטופ אחד (ניקל-63) שזמן מחצית החיים שלו נמדד בשנים רבות ושלושה איזוטופים (ניקל-56, ניקל-57 וניקל-66) שזמן מחצית החיים שלהם הוא פחות מעשרה ימים.

ראו גם

• נוסחת המסה של ויצאקר
• נוקליד
• פיזיקה גרעינית