Atomkernen: Opbygning, Kræfter og Former

Ethvert atom, den fundamentale byggesten for al materie omkring os, gemmer på en utrolig tætpakket hemmelighed i sit inderste: atomkernen. Denne kerne, på trods af sin forsvindende lille størrelse i forhold til atomets samlede udstrækning, indeholder næsten hele atomets masse. Omgivet af en "kappe" eller "elektronsky", der udgøres af elektronskaller, er atomkernen centrum for atomets identitet og sæde for nogle af universets mest fundamentale kræfter.

Hvad er atomkernen?

Selve kernen i et atom kaldes for atomkernen eller en nuklid. Den består af partikler, der tilsammen kaldes nukleoner. Disse nukleoner er af to typer: protoner og neutroner. Protonerne er positivt ladede partikler, og de befinder sig inde i kernen. Neutronerne er, som navnet antyder, elektrisk neutrale partikler, og de findes også i kernen sammen med protonerne.

Uden på kernen findes atomets kappe, hvor de negativt ladede partikler, elektroner, befinder sig i elektronskaller. I et neutralt atom er antallet af protoner og elektroner det samme, hvilket resulterer i en nettoladning på nul for hele atomet.

Kernens byggesten: Protoner og Neutroner

Nukleonerne, altså protoner og neutroner, udgør kernestoffet. Selvom kernen er meget lille (i størrelsesordenen 10^-14 m) sammenlignet med atomets størrelse (10^-10 m), er næsten al massen koncentreret her. Dette skyldes, at en nukleon vejer næsten 2.000 gange så meget som en elektron.

Antallet af protoner i en atomkerne er afgørende. Det fastlægger nemlig, hvilket grundstof der er tale om, og dette antal kaldes for atomnummeret eller ladningstallet, betegnet med Z. Antallet af neutroner, betegnet med N, bestemmer derimod, hvilken isotop af grundstoffet kernen er. En isotop er altså en variant af et grundstof med samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner.

Det samlede antal partikler i kernen, altså summen af protoner og neutroner, kaldes for massetallet og betegnes med A. Formlen A = Z + N gælder derfor altid for en atomkerne. Hvis man kender massetallet (A) og atomnummeret (Z), kan man finde antallet af neutroner (N) ved at trække Z fra A: N = A – Z.

På et endnu dybere niveau består nukleonerne selv af mindre partikler kaldet kvarker. En proton består af to up-kvarker og én down-kvark, mens en neutron består af to down-kvarker og én up-kvark.

Kræfterne der holder sammen: Den stærke kernekraft

Hvorfor falder kernen ikke fra hinanden, når de positivt ladede protoner frastøder hinanden elektrisk? Svaret ligger i den stærke kernekraft. Denne kraft virker mellem kvarker og er den kraft, der binder nukleonerne sammen i kernen. Den er utrolig stærk, men virker kun over meget korte afstande.

Kernens stabilitet afgøres af bindingsenergien per nukleon. Jo højere bindingsenergi, desto mere stabil er kernen. De mest stabile kerner findes blandt isotoper af jern, nikkel og kobolt.

I store kerner bliver situationen mere udfordrende. Her formår den kortrækkende stærke kernekraft ikke fuldt ud at overvinde den langtrækkende elektriske frastødning mellem de mange protoner. Dette gør store kerner ustabile. Ustabile kerner undergår henfald, hvor de omdannes til mere stabile kerner ved at udsende ioniserende stråling. Denne proces kaldes radioaktivitet. En oversigt over stabile og ustabile kerner samt deres henfaldsmåder kaldes et kernekort eller et isotopkort.

Spin og anslåede tilstande

Ligesom elektroner er nukleoner udstyret med et indre impulsmoment kaldet spin. I kernens grundtilstand afhænger dens spin alene af antallet af protoner og neutroner. Kerner kan også anslås, hvilket betyder, at de hensættes i en spintilstand med højere energi end grundtilstanden, analogt med excitation af atomer. Når en anslået kerne vender tilbage til en lavere energitilstand, skaffer den sig af med overskudsenergien ved at udsende gammastråling.

På grund af deres spin har de fleste kerner også et magnetisk moment og kan derfor vekselvirke med et ydre magnetfelt. Dette princip udnyttes blandt andet i NMR-skanning (Nuclear Magnetic Resonance).

Mere end bare en kugle: Kernedeformation

Man kunne intuitivt tro, at atomkernen altid er perfekt kugleformet på grund af de symmetriske kræfter mellem nukleonerne. Men for kerner med delvist besatte "skaller" af nukleoner kan kernen antage en ikke-sfærisk form – den deformeres. Dette skyldes, at trykket, som nukleonerne udøver på kernens overflade på grund af deres kinetiske energi, bliver ujævnt, når ikke alle rumlige tilstande er fuldt besat.

Kernens deformation kan ses som et samspil mellem nukleonerne, fremkaldt af tiltrækningskræfterne. Hvis en enkelt partikel besætter en tilstand, der afviger fra kuglesymmetri, påvirker den kernens bindingsfelt, så andre tilstande får forskellig energi. Nye partikler vil have tendens til at indtage tilstande, der ligner den første, hvilket forstærker deformationen. Dette er et eksempel på spontant symmetribrud.

Deformationer i atomkernen har vidtrækkende konsekvenser for dens egenskaber.

Rotation i deformerede kerner

En af de vigtigste konsekvenser af kernedeformation er eksistensen af karakteristiske rotationstilstande. For en deformeret kerne giver det fysisk mening at tale om kernens retning i rummet. En kollektiv ændring af denne retning resulterer i en følge af kvantetilstande med forskellige værdier af det totale impulsmoment – et såkaldt rotationsspektrum eller rotationsbånd.

Symmetrien af den deformerede form bestemmer, hvilke impulsmomenter der optræder i et rotationsspektrum. De fleste deformerede kerner er aksialsymmetriske og går over i sig selv ved spejling i midtpunktet. Impulsmomentets projektion (K) på kernens symmetriakse er fælles for alle tilstande i samme bånd. For bånd med K=0 indeholder rotationsbåndet enten tilstandene I = 0, 2, 4 ... eller I = 1, 3, 5 ... For K ≠ 0 indeholder båndene I = K, K+1, K+2 ...

Energiforskellene i et rotationsspektrum afspejler den kinetiske energi forbundet med kernens rotation. Rotationsenergien (E_rot) er givet ved E_rot = ℏ²/2ℑ * I(I+1), hvor I er kernens impulsmoment, og ℑ er kernens effektive inertimoment. Faktorerne ℏ²/2ℑ er bestemmende for energiskalaen i rotationsbåndet.

Kernens inertimoment

Det effektive inertimoment (ℑ) afspejler kernens træghed over for ændringer i rotationshastighed. Det kan sammenlignes med det klassiske inertimoment for et stift legeme (ℑ_rig = M<ρ²>), hvor M er kernens masse, og <ρ²> er middelkvadratet af massedelenes afstand fra rotationsaksen.

Sammenligning af målte effektive inertimomenter med det stive legemes inertimoment giver indsigt i kernens indre bevægelse. Tabellen nedenfor viser eksempler på dette:

*enheden er kg∙m²∙10^-54

Som tabellen viser, er det målte effektive inertimoment (ℑ) systematisk mindre end det, man ville forvente for et stift legeme (ℑ_rig). Dette indikerer, at kernen er mindre træg at rotere end et stift legeme med samme form og massefordeling. Denne interessante effekt hænger sammen med nukleonernes tendens til at "spille sammen" parvis, en effekt der reducerer trægheden sammenlignet med en ideal kvantevæske, hvor partiklerne bevæger sig helt uafhængigt.

Kollektiv stråling fra roterende kerner

Kernens rotation, især når den er deformeret og har en ikke-sfærisk ladningsfordeling, fører til kraftig elektromagnetisk stråling. Denne stråling opstår, fordi den roterende ladningsfordeling skaber et tidsvarierende elektrisk felt, analogt med en radioantenne. Udstrålingen sker i form af kvanter, der bærer to enheder af impulsmoment (kvadrupolstråling).

Fordi hele kernens ladning bidrager til denne udstråling, kaldes den kollektiv stråling. Intensiteten af denne kollektive stråling kan være tusindvis af gange stærkere end strålingen fra et simpelt gammahenfald, hvor typisk kun en enkelt nukleon ændrer sin kvantetilstand. Målinger af styrken af den kollektive stråling giver en direkte bestemmelse af kernens deformation, som typisk er i størrelsesordenen δR/R≈0,2-0,3. δR er forskellen mellem største og mindste radius for en aflang kerne, og R er middelradius. Deformationerne er altså relativt små, hvilket skyldes, at deformationen primært er knyttet til de partikler, der befinder sig i de uafsluttede skaller, og som kun udgør en brøkdel af kernens samlede nukleoner.

Fra alkymi til moderne kernetransformation

Alkymisternes gamle drøm om at omdanne bly til guld ad kemisk vej var dømt til at mislykkes. Kemiske reaktioner involverer udelukkende elektronerne i atomets kappe. For at ændre et grundstof, skal man ændre antallet af protoner i kernen – altså foretage en kernetransformation.

I dag er det faktisk muligt at skabe guld fra lettere kerner, for eksempel ved neutronbeskydning. Denne proces efterligner kerneprocesser, der foregår under en supernova. Men selvom det teknisk er muligt, overstiger udgiften til at skabe guld på denne måde langt udbyttet, hvilket gør det økonomisk urentabelt.

Hvem opdagede atomkernen?

Det er et centralt spørgsmål at vide, hvem der først opdagede den atomkerne, hvis struktur og egenskaber vi har beskrevet. Den information, dette bygger på, forklarer indgående, hvad atomkernen er, dens bestanddele (protoner, neutroner), de kræfter der virker i den, dens stabilitet, og hvordan den kan deformeres og rotere. Den beskriver detaljeret dens opbygning, herunder massetal, atomnummer og isotoper, samt dybere strukturer som kvarker og nukleonernes spin. Den forklarer også fænomener som radioaktivitet og kollektiv stråling.

Dog indeholder den fremlagte information ikke en angivelse af, hvem der historisk set opdagede eller "opfandt" konceptet eller den fysiske eksistens af atomkernen. Den fokuserer udelukkende på at beskrive kernens natur og fysik, som den forstås i dag, uden at berøre den historiske udvikling eller de videnskabsmænd, der var involveret i dens opdagelse og udforskning.

Ofte Stillede Spørgsmål om Atomkernen

• Hvad er en nukleon?
  En nukleon er en fællesbetegnelse for bestanddelene af atomkernen, dvs. både protoner og neutroner.
• Hvad er en nuklid?
  En nuklid er simpelthen kernen i et atom. Den består af nukleoner.
• Hvad bestemmer et grundstof?
  Antallet af protoner i kernen (atomnummeret, Z) bestemmer, hvilket grundstof der er tale om.
• Hvad bestemmer en isotop?
  For et givet grundstof (fast Z) bestemmer antallet af neutroner (N), hvilken isotop det er. Isotoper af samme grundstof har forskelligt massetal (A = Z + N).
• Hvilken kraft holder kernen sammen?
  Kernen holdes sammen af den stærke kernekraft, som virker mellem nukleonerne og overvinder den elektriske frastødning mellem protoner.
• Hvorfor er store kerner ustabile?
  I store kerner er den langtrækkende elektriske frastødning mellem protoner stærkere end den kortrækkende stærke kernekraft, hvilket fører til ustabilitet og radioaktivitet.
• Hvad er kernedeformation?
  Kernedeformation er, når en atomkerne afviger fra en perfekt kugleform og antager en aflang eller fladtrykt form, typisk på grund af delvist besatte nukleonskaller.
• Hvad er kollektiv stråling?
  Kollektiv stråling er kraftig elektromagnetisk stråling (kvadrupolstråling) udsendt af deformerede kerner, der roterer.
• Kan man lave guld ud af bly?
  Ja, det er teoretisk muligt via kerneprocesser som neutronbeskydning, men det er ekstremt dyrt og ikke økonomisk rentabelt.

Afrunding

Atomkernen er et utroligt komplekst og fascinerende objekt. Fra dens grundlæggende opbygning af protoner og neutroner, der bestemmer grundstoffets identitet, til de kraftfulde interaktioner domineret af den stærke kernekraft, og de subtile, men vigtige fænomener som deformation og rotation, er kernen hjertet i atomets fysik. Selvom den historiske opdagelse af kernen ikke er beskrevet her, giver denne gennemgang et dybt indblik i dens natur og de kræfter, der former den.

Kunne du lide 'Atomkernen: Opbygning, Kræfter og Former'? Så tag et kig på flere artikler i kategorien Læsning.