Denne artikkelen mangler
kildehenvisninger
, og opplysningene i den kan dermed være vanskelige a
verifisere
. Kildeløst materiale kan bli
fjernet
. Helt uten kilder.
(
10. okt. 2015
)
En
atomkjerne
er den sentrale delen av et
atom
. Kjernen bestar av
kjernepartikler
eller
nukleoner
, i hovedsak av ett eller flere positivt
ladde
protoner
og ingen, ett eller flere
nøytroner
uten ladning.
Diameteren
til kjernen ligger i omradet 1,5 til 15
fm
(10
-15
m), og dette er noe mindre enn en titusendel av atomet som helhet. Likevel er minst 99,95% av massen til atomet konsentrert i kjernen.
Antall protoner i en atomkjerne kalles
atomnummeret
og bestemmer hvilket
grunnstoff
det er snakk om, f.eks.
hydrogen
,
karbon
,
oksygen
etc. Antall nøytroner avgjør hva slags
isotop
av grunnstoffet det er. Antall protoner og nøytroner i kjernen er korrelert pa den maten at de mest stabile isotopene har omtrent like mange av hver for sma kjerner, mens større kjerner har et overskudd av nøytroner. Nukleonene har omtrent samme masse, og det samlede antallet kjernepartikler angir
atommassen
. Hver isotop av et grunnstoff har en unik atommasse. Et elektron veier omtrent 1/2000-del sa mye som et nukleon, slik at elektronenes bidrag til atommassen stort sett kan neglisjeres.
De positivt ladde protonene frastøter hverandre
elektromagnetisk
. Grunnen til at atomkjerner likevel kan være stabile er at avstanden mellom kjernepartiklene er sa liten at den sakalte
sterke kjernekraften
holder dem sammen. Denne kraften avtar imidlertid raskere med avstanden enn den elektromagnetiske kraften. Den svakeste
fundamentalkraften
som er involvert,
gravitasjonen
, er for øvrig helt neglisjerbar, da den er sa mye som 10
36
ganger svakere enn den elektromagnetiske frastøtningskraften.
Oppdagelsen av elektronet var den første indikasjonen pa at atomet hadde en indre struktur. Denne strukturen ble i starten betraktet som en rosinkake, pa en slik mate at de sma negativt ladde elektronene var finfordelt i en større kule som inneholdt hele den positive ladningen.
Denne modellen ble imidlertid tilbakevist i
1911
da
Ernest Rutherford
,
Hans Geiger
og
Ernest Marsden
utførte det berømte gullfolieeksperimentet. De sendte
alfapartikler
mot folien og fant at partiklene ble
spredt
i alle retninger nar de kolliderte med gullfolien. Svært fa partikler kom rett tilbake til stralingskilden, hvilket matte bety at den positive ladningen var sentrert i en ørliten del av atomet. Eksperimentet førte til anerkjennelse av
Bohrs atommodell
, der vi ser for oss at elektronene kretser rundt en liten atomkjerne pa samme maten som planetene kretser rundt sola.
En tung kjerne kan inneholde hundrevis av kjernepartikler (protoner og nøytroner) slik at en med en viss tilnærming kan behandle den som et
klassisk
system istedenfor et
kvantemekanisk
system. I den resulterende væskedrape-modellen har kjernen en energi som delvis kommer fra overflatespenning, delvis fra elektrisk frastøting av protonene. Væskedrapemodellen er i stand til a reprodusere mange egenskaper ved kjernene, inklusive den generelle relasjonen mellom bindingsenergi og atommassen, sa vel som fenomenet
kjernespalting
.
Pa toppen av det klassiske bildet ligger sa de kvantemekaniske effektene som kan beskrives ved a bruke kjerneskall-modellen som for en stor del ble utviklet av
Maria Goeppert-Mayer
. Den beskriver at atomkjerner med et gitt antall protoner og nøytroner (de
magiske tallene
er 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) er spesielt stabile, ettersom deres skall er fylte.
Skallmodellen for kjernen kan sammenlignes med den tilsvarende skallmodellen for atomer.
Siden noen atomkjerner er mer stabile enn andre, kan det frigjøres energi gjennom kjernereaksjoner (dvs. at kjernene endrer sammensetning). Sola "fyres" med
kjernefysiske fusjoner
(kjernesammensmelting) som innebærer at par av kjerner kolliderer og danner en større kjerne. Den motsatte prosessen er
kjernefysiske fisjoner
(kjernespalting) som kjernekraftverk er basert pa. Siden
bindingsenergien
per kjernepartikkel er størst ved midlere kjernemasser (rundt
jern
), vil
energi
frigjøres enten ved a fusjonere lette kjerner eller fisjonere tunge kjerner.
Elementene med atomnummer lavere enn jern dannes i det indre av stjerner gjennom et antall fusjonstrinn. Først fusjonerer
hydrogen
med seg selv og danner
helium
. Sa fusjonerer helium med seg selv to ganger og danner
karbon
. Videre fusjoner fortsetter med a lage stadig tyngre grunnstoffer inntil det stopper opp med dannelse av grunnstoffer med kjernemasse nær jern. Hvis stjernen eksploderer i en
supernova
, vil høyenergi
nøytrinoer
strømme ut fra supernovaen og bombardere de ekspanderende grunnstoffene og det dannes store mengder kjerner som er tyngre enn jern. Saledes vil en gjennom stjernenes utvikling fa stadig tyngre grunnstoffer. En kan si at en stjernes død lager grunnstoffer som er gir grunnlag for liv, og at ≪vi er alle bygd opp av stjernestøv≫.
Kjernereaksjoner skjer naturlig pa jorden. Unntatt under menneskeskapte forhold, som under kjernefysiske eksplosjoner, sa er temperaturer og trykk pa jorden ikke høye nok til a overvinne elektromagnetiske frastøtingskrefter mellom kjerner og muliggjøre kjernefusjoner. Derimot kan tunge kjerner slik som uran fisjonere, og
alfanedbryting
og
betanedbryting
kan ogsa forekomme. Alfanedbryting kan betraktes som en særdeles asymmetrisk type fisjon, hvor det ene spaltningsproduktet er en heliumkjerne (alfapartikkel). I betanedbryting blir et proton omdannet til et nøytron (med utsendelse av en
positron
og et nøytrino), eller et nøytron omdannes til et proton (med utsendelse av et elektron og et
antinøytrino
).
Det meste av aktuell forskning innenfor kjernefysikk dreier seg om studiet av kjerner under ekstreme forhold. De tyngste av alle kjerner er
nøytronstjernene
. Kjerner kan ogsa karakteriseres ved ekstreme former (som fotballer) eller ved ekstreme nøytron-til-proton forholdstall. Eksperimenter kan ogsa bruke kunstig indusert fusjon ved høye energier for a danne kjerner ved svært høye temperaturer. Det er tegn som tyder pa at disse eksperimentene har skapt en faseendring fra normalt kjernemateriale til en ny tilstand som kalles
kvark-gluon-plasma
. Her blandes
kvarker
med hverandre istedenfor a være separert i
dubletter
eller
tripletter
av nøytroner og protoner.