ატომის ბირთვი

ატომის ბირთვი — ატომის ცენტრალური ნაწილი, რომელშიც თავმოყრილია ატომის მთელი დადებითი მუხტი და თითქმის მთელი მასა. ატომის ბირთვის (ან მოკლედ ბირთვის) არსებობა ექსპერიმენტულად დაადგინა ერნესტ რეზერფორდმა 1911 წელს. ბირთვი ატომში იკავებს უმნიშვნელო მოცულობას. ატომის თითქმის მთელი მასა მის ბირთვშია თავმოყრილი, ამიტომ ამ უკანასკნელის სიმკვრივე მეტად დიდია. ბირთვული ნივთიერების 1 სმ3 დაახლოებით ას მილიონ ტონას აიწონიდა. ატომის ბირთვი შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისაგან. ამ ნაწილაკებს ნუკლონებს უწოდებენ. ატომური ერთულებით გამოსახული პროტონისა (1.00758) და ნეიტრონის (1.00897) მასა ახლოსაა ერთთან, მაშინ, როდესაც ელექტრონის მასა იმავე ერთეულებით 0.000548 უდრის. ამიტომ ელექტრონული გარსის სრული მასა ატომის ბირთვის მასასთან შედარებით უმნიშვნელოა. ბირთვის მასა განსაზღვრავს ატომის თითქმნის მთლიან მასას და ახლოსაა მთელ რიცხვთან. ამ მთელ რიცხვს (A) ატომის ბირთვის მასურ რიცხვს უწოდებენ, ატომის ბირთვში შემავალი პროტონების რიცხვს (Z) კი — ბირთვის ატომურ ნომერს. ატომური ბირთვი აღინიშნება ქიმიური ელემენტის X სიმბოლოთი, რომელსაც ინდექსებად აქვს Z, N (ნეიტრონების რიცხვი) და A: Z X N A {\displaystyle _{Z}X_{N}^{A}} მაგალითად, ბისმუტის ატომის ბირთვი, რომლის Z=83, N=126 და A=209, აღინიშნება შემდეგნაირად: Bi 126 209 83 {\displaystyle {\ce {_{83}Bi126^{209}}}} . ზოგჯერ აღნიშვნას ამარტივებენ და ატომურ ბირთვს აღნიშნავენ შემდეგნაირად: Z X A {\displaystyle _{Z}X^{A}} ან უბრალოდ X A {\displaystyle X^{A}} , მაგალითად: Bi 209 83 {\displaystyle {\ce {_{83}Bi^{209}}}} ან Bi 209 {\displaystyle {\ce {Bi^{209}}}} . ამჟამად იხმარება აგრეთვე აღნიშვნა Z A X {\displaystyle _{Z}^{A}X} . ყოველ ატომის ბირთვს ახასიათებს პროტონებისა და ნეიტრონების გარკვეული რაოდენობა. განასხვავებენ ატომის ბირთვების სხვადასხვა სახეს. ატომის ბირთვებს, რომლებიც შეიცავენ პროტონების ერთსა და იმავე რიცხვს, მაგრამ აქვთ ნეიტრონების სხვადასხვა რაოდენობა და შესაბამისად სხვადასხვა მასური რიცხვი, იზოტოპები ეწოდება. ასეთ ატომის ბირთვებში Z 1 = Z 2 {\displaystyle Z_{1}=Z_{2}} , N 1 ≠ N 2 {\displaystyle N_{1}\neq N_{2}} და A 1 ≠ A 2 {\displaystyle A_{1}\neq A_{2}} ; მაგალითად: Cu 34 63 29 {\displaystyle {\ce {_29Cu34^63}}} , Cu 36 65 29 {\displaystyle {\ce {_29Cu36^65}}} სპილენძის იზოტოპებია. ატომის ბირთვებს, რომლებსაც აქვთ ერთნაირი მასური რიცხვი, მაგრამ სხვადასხვანაირი მუხტი, იზობარები ეწოდება. მაგალითად: C 8 14 6 {\displaystyle {\ce {_6C8^14}}} , N 7 14 7 {\displaystyle {\ce {_7N7^14}}} და O 6 14 8 {\displaystyle {\ce {_8O6^14}}} ერთი და იგივე მასური რიცხვის (A=14) მქონე სამი იზობარია. ნეიტრონების N და პროტონების Z რიცხვი იზობარებს სხვადასხვა აქვთ. ატომის ბირთვებს, რომლებსაც ნეიტრონების რიცხვი ერთნაირი აქვთ, A და Z კი — სხვადასხვა, იზოტონები ეწოდება. მაგალითად: Be 5 9 4 {\displaystyle {\ce {_4Be5^9}}} და B 5 10 5 {\displaystyle {\ce {_5B5^10}}} ნეიტრონების ერთი და იმავე რიცხვის მქონე (N=5) იზოტონებია. იზობარები და იზოტონები შეესაბამებიან სხვადასხვა ელემენტების იზოტოპებს. ატომის ბირთვი შეიძლება იყოს როგორც ძირითად, სტაბილურ, ისე აგზნებულ, არასტაბილურ მდგომარეობაში. გარედან ენერგიის შთანთქმის შედეგად ატომის ბირთვი აგზნებულ მდგომარეობაში გადადის. ყოველი აგზნებული ატომის ბირთვი გარკვეული დროის შემდეგ ისევ უბრუნდება ძირითად მდგომარეობას. იმ დროს, რომლის განმავლობაშიც ატომის ბირთვი აგზნებულ მდგომარეობაშია, ეწოდება აგზნებული მდგომარეობის სიცოცხლის ხანგრძლივობა. აგზნებული მდგომარეობიდან ძირითად მდგომარეობაში გადასვლა შეიძლება მრავალი გზით: γ-სხივების გამოყოფით, ერთი ნაწილაკის ან ნაწილაკთა ჯგუფის გამოტყორცნით. თითქმის შუაზე გახლეჩით, ელექტრონული გარსის ერთ-ერთი ელექტრონისათვის ენერგიის უშუალო გადაცემით და სხვ. ატომის ბირთვების უმრავლესობა სტაბილურია, მაგრამ არსებობს არასტაბილური ბირთვებიც, რომლებიც თავისთავად იშლებიან შემადგენელ ნაწილებად. ასეთი ე. წ. რადიოიქტიური ბირთვები უმეტესად გვხვდება ელემენტთა პერიოდული სისტემის ბოლოში (მძიმე ბირთვები), მაგრამ ზოგჯერ ისინი საშუალო და მსუბუქ ბირთვებს შორისაც გვხვდება (მაგ., კალიუმი, ტრითიუმი და სხვა). ძირითად მდგომარეობაში ატომის ბირთვს ახასიათებს რამდენიმე სიდიდე: მასა, ელექტრული მუხტი, ზომა, ბმის ენერგია, მექანიკური მომენტი, მაგნიტური მომენტი და კვადრუპოლური მომენტი. ატომის ბირთვის მასა არ უდრის მასში შემავალი პროტონებისა და ნეიტრონების მასათა ჯამს. როცა ისინი თავისუფალ მდგომარეობაში არიან. მდგრადი ატომის ბირთვის ნამდეილი მასა ყოველთვის ნაკლებია ამ ჯამზე. ყველაზე მსუბუქი ატომის ბირთვის (წყალბადის ატომის ბირთვის — პროტონის) მასა ატომური ეროეულებით ტოლია 1.00758-ისა, ხოლო მძიმე ატომის ბირთვისა 250-ს აღემატება. აღმოჩნდა, რომ ატომის ბირთვის მასა მოცულობის პროპორციულად იზრდება, რაც იმას ნიშნავს, რომ ატომის ბირთვის საშუალო სიმკვრივე ყველა ატომში დაახლოებით ერთნაირია. ატომის ბირთვს აქვს დადებითი ელექტრული მუხტი (პროტონის მუხტის ერთეულებით გამოსახული), რომელიც რიგით ნომერს უდრის. ატომის ბირთვის მთავარი დამახასიათებელი სიდიდეა მუხტი. იგი განსაზღვრავს ატომის ქიმიურ ბუნებას და მისი ველი ძირითადად მართავს ელექტრონების მოძრაობას ელექტრონულ გარსში. Z-ის შეცვლა ნიშნავს ერთი ქიმიური ელემენტიდან მეორეზე გადასვლას, მაგალითად: წყალბადისათვის Z=1, ჰელიუმისათვის Z=2, ლითიუმისათვის Z=3, ჟანგბადისათვის Z=8, ურანისათვის Z=92 და ა. შ. ატომის ბირთვის რადიუსი 10–13 სმ რიგისაა, მაშინ როდესაც ატომის რადიუსი — 10–8 სმ. ატომის ბირთვის სიმკვრივე მის ზედაპირთან მიახლოებისას თანდათან კლებულობს, ამიტომ თვით რადიუსის ცნება პირობითია. აომის ბირთვის რადიუსი ემორჩილება შემდეგ ემპირიულ კანონს: R = r 0 ⋅ A 1 3 {\displaystyle R=r_{0}\cdot A^{\frac {1}{3}}} სადაც r 0 {\displaystyle r_{0}} მნიშვნელობა (1.2-1.4)·10–13 სმ ინტერვალში ძევს. პროტონებისა და ნეიტრონების მასათა ჯამსა და ბირთვის ნამდვილ მასას შორის Δ M {\displaystyle \Delta M} სხვაობას, ენერგეტიკული ერთეულებით, უწოდებენ ბმის ენერგიას: E = Δ M c 2 {\displaystyle E=\Delta Mc^{2}} იგი უდრის ატომის ბირთვად პროტონებისა და ნეიტრონების შეერთებისას განთავისუფლებულ ენერგიას და, მაშასადამე, იმ ენერგიას, რომელიც უნდა დაიხარჯოს ყველა პროტონისა და ნეიტრონის ატომის ბირთვიდან გასათავისუფლებლად . ატომის ბირთვის ბმის ენერგიის ნუკლონთა საერთო რიცხვზე გაყოფით ღებულობენ ერთ ნუკლონზე მოსულ საშუალო ბმის ენერგიას. ერთ ნუკლონზე მოსული საშუალო ბმის ენერგია ელემენტთა პერიოდული სისტემის დასაწყისში სწრაფად იზრდება, შემღეგ კი უფრო ნელა და საშუალო წონის ატომის ბირთვისთვის პრაქტიკულად უცვლელი რჩება. მძიმე ატომის ბირთვის არეში გადასვლისას ერთ ნუკლონზე მოსული საშუალო ბმის ენერგია თანდათან კლებულობს. ატომის ბირთვის შედარებით დიდი მას-დეფექტი, ე. ი. განსხვავება ბირთვის შემადგენელი ნუკლონების მასათა ჯამსა და ბირთვის მასას შორის, იმით არის განპირობებული, რომ ნუკლონებს შორის მოქმედებს ძალზე ძლიერი მიზიდვის ძალები. ეს ძალები მეტად მცირე მანძილზე (10–13 სმ) მოქმედებენ და თავისი ბუნებით ძირფესვიანად განსხვავდებიან სხვა (გრავიტაციული, ელექტრომაგნიტური და ა. შ.) ძალებისაგან. ბირთვულ ძალებს ეთანადება ურთიერთქმედების უარყოფითი ენერგია და ამიტომ, მდგრადი ბირთვის მასა ნაკლებია მასში შემავალი ნუკლონების მასათა ჯამზე. ცალკეულ ნუკლონს აქვს საკუთარი მოძრაობის რაოდენობის მომენტი, რომლის ℏ {\displaystyle \hbar } ერთეულებით 1/2 უდრის. გარდა ამისა, ნუკლონები ატომის ბირთვში ასრულებენ ორბიტულ მოძრაობას, რომლის მომენტი ამავე ერთეულებით მთელი რიცხვის ტოლია. ამის შედეგად თვით ატომის ბირთვს აქვს მექანიკური მომენტი — სპინი. როდესაც ნუკლონთა რიცხვი კენტია, ატომის ბირთვის სპინი მთელ-ნახევარია, ხოლო, როცა ეს რიცხვი ლუწია, მომენტი მთელია (ან ნულია). პირველ შემთხეევაში ატომის ბირთვი ემორჩილება ფერმი-დირაკის სტატისტიკას, ხოლო მეორე შემთხვევაში — ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას. ატომის ბირთვს აქვს მაგნიტური მომენტიც. ეს იმის შედეგია, რომ თვით ნუკლონებს აქვთ საკუთარი მაგნიტური მომენტი და, გარდა ამისა. მათს ორბიტულ მოძრაობასაც შეესაბამება გარკვეული მაგნიტური მომენტი. პროტონის საკუთარი მაგნიტური მომენტი უდრის 2.79 ბირთვულ მაგნიტონს, ხოლო ნეიტრონის მაგნიტური მომენტი ამავე ერთეულებით — 1.91. თუ პროტონებისა და ნეიტრონების რიცხვი ლუწია, მაშინ ბირთვის მაგნიტური მომენტი, ისევე როგორც სპინი, ნულის ტოლია. თუ ნეიტრონების რიცხვი კენტია, ატომის ბირთვის მაგნიტური მომენტი — 1.3-იდან +1-მდე ინტერვალშია, ხოლო თუ ნეიტრონების რიცხვი ლუწია, პროტონებისა კი კენტი. მაშინ –0.2-იდან +5.5-მდე. ატომის ბირთვის კვადრუპოლური მომენტი გამოხატავს მასში ელექტრული მუხტის განაწილების გადახრას სფერული სიმეტრიიდან. გადახრა შეიძლება იყოს ორგვარი, მუხტი შეიძლება ღერძის გასწერივ წაგრძელდეს (სიგარის მსგავსად) და, პირიქით, მის გასწვრივ უფრო შემოკლებულად განაწილდეს (დისკოს მსგავსად), ვიდრე სხვა მიმართულების გასწვრივ. პირველ შვმთხვევაში კვადრუპოლური მომენტი დადებითია, ხოლო მეორე შემთხვევაში — უარყოფითი, რიცხვითი მნიშვნელობით კვადრუპოლური. მომენტი ატომის ბირთვის რადიუსის კვადრატის რიგისაა. ატომის ბირთვის თვისებების გამოკვლევამ აღმოაჩინა პრაქტიკულად უშრეტი ენერგიის წყაროს არსებობა და დასახა მისი გამოყენების პერსპექტივა. მამასახლისოვი ვ., ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 1, თბ., 1975. — გვ. 676—677. The Nucleus – a chapter from an online textbook დაარქივებული 2010-12-14 საიტზე Wayback Machine. The LIVEChart of Nuclides – IAEA