גרעין האטום

גרעין האטום היא תאוריה מדעית המתארת אזור במרכז האטום המורכב מנוקליאונים – פרוטונים ונייטרונים – הקשורים זה לזה כתוצאה מהכוח הגרעיני.

מימן-1 הוא האיזוטופ היחיד שגרעין האטום שלו כולל רק פרוטון, ללא נייטרונים וללא אנרגיית קשר גרעינית. כל שאר גרעיני האטומים כוללים הן פרוטונים והן נייטרונים.

הפרוטונים הם בעלי מטען חשמלי חיובי. מספר הפרוטונים בגרעין אטום הוא המספר האטומי של אותו אטום. מספר זה קובע איזה יסוד כימי מהווה האטום. לנייטרונים אין מטען חשמלי. מספר הנייטרונים קובע את האיזוטופ שאותו אטום מהווה, במסגרת אותו יסוד. לכל יסוד יש כמה איזוטופים בעלי תכונות כימיות כמעט זהות, אך תכונות פיזיקליות שונות, בפרט בתחום הפיזיקה הגרעינית, בכלל זאת תכונות הרדיואקטיביות של האטום. סכום מספר הפרוטונים והנייטרונים הוא מספר המסה של האטום. מספר המסה כמעט זהה למסה האטומית של האטום, כשהיא נמדדת ביחידות u.

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 ( מטר), לעומת רדיוס האטום, הנמדד בסדרי גודל של אנגסטרום ( מטר). למעשה רוב נפחו של היקום הוא ריק, וכך גם לגבי העצמים אותם אנו חשים כבעלי נפח, הם למעשה ריקים ביותר מ-13 סדרי גודל מהנפח הכולל. הסיבה לכך היא שכל אטום מורכב מאלקטרונים וגרעין האטום, התופסים נפח מזערי מכלל הנפח המוגדר באורביטלי האטום.

מכיוון שמטענם החשמלי של הפרוטונים הוא חיובי, בעוד לנייטרונים יש מטען חשמלי אפסי, המטען החשמלי הכולל של גרעין האטום הוא תמיד חיובי. הוא שווה למספר הפרוטונים כפול המטען החשמלי של הפרוטון, שהוא  קולון.

על פי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הכוחות הפועלים בתוך חלקיקי היסוד של הפרוטונים והנייטרונים שבגרעין האטום הם הכוח החזק והכוח החלש.

יציבותו של גרעין האטום

בין הפרוטונים שבגרעין מתקיימת דחיה חשמלית, מכיוון שיש להם מטענים חשמליים זהים. כתוצאה מדחייה זו, הגרעין שואף להתפרק. אולם, הכוח הגרעיני מושך את הנוקליאונים זה לזה ומונע את התפרקות הגרעין. עוצמת הכוח הגרעיני בין שני גופים פוחתת עם המרחק, בקצב גדול בהרבה מפחיתת הכוח החשמלי. לפיכך, הכוח הגרעיני אינו מצליח להתגבר על הדחייה החשמלית בין הפרוטונים בגרעינים גדולים. לכן, כל היסודות בעלי מספר אטומי גבוה מזה של עופרת הם יסודות רדיואקטיביים, כלומר, יסודות שאין להם אף איזוטופ יציב ולכל גרעיני האטומים שלהם זמן מחצית חיים מוגבל.

גם גרעין עם עודף נייטרונים נוטה להתפרק. לרוב, גרעין כזה עובר דעיכת בטא מינוס, כאשר נייטרון שבו הופך לפרוטון, תוך שחרור אלקטרון ואנטיניוטרינו אלקטרוני. כך, לדוגמה, גרעין של האיזוטופ פחמן-14, המכיל 6 פרוטונים ו-8 נייטרונים, דועך לגרעין של האיזוטופ חנקן-14, המכיל 7 פרוטונים ו-7 נייטרונים.

גרעין שאינו יציב מסוגל לעבור התפרקות רדיואקטיבית תוך כדי פליטת קרינה. התהליך יכול להיות טבעי או מעשה ידי אדם, כגון במקרה של ביקוע גרעיני מלאכותי. הקרינה נפלטת בכמה צורות אפשריות:
קרינת אלפא. חלקיק אלפא הוא גרעין הליום (אטום הליום-4 מיונן). כל גרעין כזה מורכב משני פרוטונים ושני נייטרונים.
קרינת בטא. חלקיק בטא הוא אלקטרון או פוזיטרון. בעת דעיכת בטא, האלקטרון או הפוזיטרון נפלט יחד עם חלקיק אנטיניוטרינו או ניוטרינו.
קרינת גמא. חלקיק גמא הוא פוטון. קרינת גמא היא סוג של קרינה אלקטרומגנטית, תדרי הפוטונים נמצאים באזור עשר בחזקת עשרים הרץ (קרינת גמא) אך ישנם מקרים בהם נפלטת קרינה חלשה יותר (אולטרה סגולה) או חזקה יותר (קרינה קוסמית), התדר ואנרגיית הפוטון תלויים באנרגיית הקשר הגרעינית של אותו האטום.

התפרקות רדיואקטיבית היא תופעה קוונטית ועל כן, היא בעלת אופי הסתברותי. הווה אומר, אי אפשר לדעת מתי בדיוק יתפרק חלקיק מסוים, אך אפשר לדעת מה ההסתברות שלו להתפרק בכל פרק זמן נתון.

למימן יש רק שלושה איזוטופים (מימן-1, מימן-2 ומימן-3) והוא היסוד בעל מגוון האיזוטופים הנמוך ביותר. לקסנון ולצזיום יש את מגוון האיזוטופים הגבוה ביותר – קיימים 40 איזוטופים של כל אחד מהיסודות. מרבית האיזוטופים אינם יציבים; לקסנון יש 6 איזוטופים יציבים ולצזיום יש איזוטופ יציב אחד.

אי של יציבות הוא חיזוי תאורטי לפיו ישנן קבוצות של איזוטופים בעלות "מספר קסם" של פרוטונים ונייטרונים, המקיימות זמן מחצית חיים ארוך באופן ניכר, של דקות, ימים ואף מיליוני שנים.

ראו גם
נוסחת המסה של ויצאקר
נוקליד
פיזיקה גרעינית
הכוח הגרעיני
אנרגיית קשר גרעינית

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
פיזיקת חלקיקים
פיזיקה גרעינית
כימיה גרעינית
אטומים
אלקטרון
פרוטון