Ero sivun ”Atomiydin” versioiden välillä

[katsottu versio][katsottu versio]
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
Xyzäö (keskustelu | muokkaukset)
Ei muokkausyhteenvetoa
Ei muokkausyhteenvetoa
Rivi 1:
'''Atomiydin''' on [[atomi]]n keskellä sijaitseva [[protoni|protoneista]] ja yleensä myös [[neutroni|neutroneista]] koostuva muodostuma.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = | Nimeke = Human Physiology| Kappale = | Sivu = 10| Selite = | Julkaisija = Boundless | Vuosi = 2013| Tunniste = ISBN 9781940464312| Viitattu = 29.1.2014| Kieli = {{en}}}}</ref> Ytimellä on positiivinen [[sähkövaraus]], ja se muodostaa valtaosan atomin [[massa]]sta, sillä [[elektroni]]n massa on paljon pienempi kuin protonien ja neutronien.
 
Ytimen läpimitta riippuu vahvasti sen [[massa]]sta, kun taas koko atomin läpimitta on likipitäen vakio. [[Vety]]-ydin, joka on pelkkä protoni, on läpimitaltaan noin 1,6 [[femto]]metriä eli 1,6 · 10<sup>−15</sup> m, [[uraani]]ytimen noin 16 fm. Tämä on vain noin 1/23000 ... 1/145000 atomin läpimitasta.
 
Ytimen rakennetta, sitä koossa pitäviä voimia ja ytimien muuttumista tutkii [[ydinfysiikka]]. Vuonna [[1912]] [[Ernest Rutherford]] päätteli koetuloksista, että valtaosa atomin massasta on keskittynyt pienelle alueelle, ytimeen. [[Kemiallinen reaktio|Kemiallisissa reaktioissa]] atomien elektronit järjestyvät uudestaan, mutta ytimet pysyvät ennallaan. Sen sijaan [[ydinreaktio]]issa ytimet muuttuvat.
 
Saman [[alkuaine]]en kaikissa atomiytimissä on sama määrä protoneja. Sen sijaan neutronien lukumäärä voi samankin alkuaineen atomeissa poiketa toisistaan. Tällöin on kyseessä saman alkuaineen eri [[isotooppi|isotoopit]]. Protonien lukumäärää sanotaan ytimen tai atomin [[järjestysluku (kemia)|järjestysluvuksi]] eli atomiluvuksi, neutronien lukumäärää neutroniluvuksi ja näiden summaa [[massaluku|massaluvuksi]].
[[Kuva:Helium atom QM.svg|right|300px|thumbnail|Havainnekuva [[helium]]-4-atomista. Ytimessä kaksi protonia on merkitty punaisella ja kaksi neutronia violetilla. Tässä kuvassa ne on merkitty erillisiksi, vaikka todellisuudessa sekä protonien että neutronien voidaan sanoa olevan ytimen keskipisteessä.]]
 
== Ytimen rakenne ==
Ydin koostuu protoneista ja neutroneista, joita yhteisellä nimellä kutsutaan [[nukleoni|nukleoneiksi]]. Molemmat koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, [[kvarkki|kvarkeista]]. [[Vahva vuorovaikutus]] sitoo kvarkit nukleoneiksi sekä nämä edelleen ytimiksi.
 
Protonilla on yhden [[alkeisvaraus|alkeisvarauksen]] suuruinen positiivinen [[sähkövaraus]]. Neutronilla ei ole sähkövarausta. Ytimen sähkövaraus on yleensä jakautunut melko tasaisesti koko ytimen alueelle paitsi vety- ja [[helium]]ytimissä, joissa se on pitkälti keskittynyt ytimen keskipisteen läheisyyteen, sillä nukleonit ovat '''1s'''-tilassa olevia [[fermioni|fermioneja]], joilla ei näissä ytimissä ole rata[[impulssimomentti]]a.<ref name=Basdevant>{{cite book |title=Fundamentals in Nuclear Physics |author=Jean-Louis Basdevant & James Rich & Michel Spiro |page=Fig. 1.1, p. 13 |url=http://books.google.com/books?id=OFx7P9mgC9oC&pg=PA375&dq=helium+%22nuclear+structure%22&lr=&as_brr=0#PPA13,M1 |isbn=0387016724 |publisher=Springer |year=2005}}</ref>
 
==Protonit ja neutronit==
Rivi 17:
 
==Ydinvoimat==
Nukleoneja sitoo toisiinsa [[vahva vuorovaikutus|vahvan vuorovaikutuksen]] ''jäännösvoima''. Tämä voima on paljon heikompi kuin se, joka sitoo saman nukleonin kvarkit toisiinsa, samaan tapaan kuin neutraalien [[molekyyli]]en välinen sähköinen [[van der Waalsin voima]] on paljon heikompi kuin atomin sisällä vaikuttavat sähköiset voimat. Nimensä mukaisesti vahva vuorovaikutus on kuitenkin niin voimakas, että tämä jäännösvoimakin on paljon suurempi kuin [[sähkömagneettinen vuorovaikutus|sähkömagneettiset]] voimat. Niinpä se pystyy pitämään ytimen koossa ja useimmiten erittäin stabiilina protonien välillä vaikuttavasta sähköisestä poistovoimasta huolimatta. Kuitenkin se heikkenee ytimen koon kasvaessa, minkä vuoksi tiettyä kokoa suuremmat ytimet hajoavatkin itsestään eli ovat [[radioaktiivisuus|radioaktiivisia]]. Raskain täysin stabiili ydin on [[lyijy]]-208-ydin, jossa on 82 protonia ja 126 neutronia.
 
==Ydinmallit==
Rivi 25:
<math>R = r_0 A^{1/3}</math>
 
missä suuretta r<sub>0</sub> voidaan pitää käytännössä vakiona, ja se on noin 1.25&nbsp;fm&nbsp;=&nbsp;1.25&nbsp;×&nbsp;10<sup>−15</sup>&nbsp;m. Tarkkaan ottaen se kuitenkin vaihtelee eri ytimillä noin 0,2 fm:n verran eli noin 20 % arvostaan.<ref>{{Kirjaviite | Tekijä = Krane, Kenneth S. | Nimeke = Introductory Nuclear Physics | Vuosi = 1987 | Julkaisija = John Wiley & Sons | Tunniste = ISBN 0-471-80553-X | www = http://faculty.kfupm.edu.sa/PHYS/aanaqvi/Introductory-Nuclear-Physics-new-Krane.pdf | Tiedostomuoto = pdf | Kieli = {{en}} }}</ref> Täten protonien ja neutronien pakkautumista ytimeen voidaan verrata kovien kuulien pakkaamiseen laatikossa.
 
=== Nestepisaramalli ===
 
Varhaisimmissa ydimalleissaydinmalleissa ydintä verrattiin pyörivään nestepisaraan. Tässä mallissa ytimen oletettiin pitkäkantamaisten sähkömagneettisten voimien ja lyhytkantamaisten ydinvoimien yhteisvaikutuksesta käyttäytyvän paljolti samaan tapaan kuin nestepisara, jolla on tietyn suuruinen, sen koosta riippuva [[pintajännitys]]. Tällä mallilla voidaan menestyksellisesti selittä monet ytimen ominaisuudet, erityisesti niiden [[sidosenergia]]n riippuvuus koosta. On kuitenkin tapauksia, joissa sidosenergia selvästi poikkeaa mallin edellyttämästä ja ydin on poikkeuksellisen stabiili. Näin on laita silloin, kun protonien, neutronien tai molempien lukumäärä on jokin ydinfysiikan ns. maagisista luvuista.
 
=== Kuorimalli ja muut kvanttimallit ===
 
Ytimestä on laadittu useitakin malleja, joiden mukaan nukleonit ovat järjestyneet useille sisäkkäisille kuorille samaan tapaan kuin [[elektroni]]t ytimen ympärillä. Näissä malleissa nukleonit saatetaan käsittää pistemäisiksi hiukkasiksi potentiaalikuopassa, jossa niiden oletetaan liikkuvan kitkattomasti, tai niitä voidaan kuvata kvanttimekaanisilla [[todennäköisyysaalto|todennäköisyysaalloilla]].
 
Näissä malleissa nukleonit ovat järjestyneet [[orbitaali|orbitaaleille]] pareittain, sillä ne ovat fermioneja eikä niitä voi olla useampia samassa kvanttitilassa. Samalla orbitaalilla voi kuitenkin olla kaksi nukleonia edellyttäen, että niillä on vastakkaissuuntainen [[spin]]. Erityisesti kevyimmissä ytimisäytimissä orbitaalit ovat hyvin verrattavissa elektronien orbitaaleihin. Esimerkiksi helium-4-ytimessä kaksi protonia ja kaksi neutronia ovat järjestyneet 1s-orbitaaleille hyvin samaan tapaan kuin elektronitkin, ja tämä ydin on epätavallisen stabiili vastaavasta syystä kuin heliumin elektroniverhokin. Tämän ytimen poikkeuksellisesta stabiiliudesta johtuu sekin, että kaikki ytimet, joissa on viisi nukleonia (He-5 ja Li-5), ovat erittäin epävakaita ja lyhytikäisiä.
 
Raskaammilla ytimillä kuoret poikkeavat elektronikuorista selvästi enemmän. Kuitenkin ydinmallien avulla voidaan johtaa ydinfysiikan ns. [[maagiset luvut]] 2, 8, 20, 28, 50, 82 ja 126. Ytimet, joissa protonien, neutronien tai molempien lukumäärä on jokin näistä, ovat erityisen stabiileja, sillä niillä on uloinkin kuori täysi samaan tapaan kuin [[jalokaasut|jalokaasuilla]] on uloimmalla elektronikuorella [[oktetti]], minkä vuoksi ne ovat kemiallisesti jokseenkin passiivisia. Maagiset luvut ilmenevät esimerkiksi siitä, että [[tina]]lla, jolla on 50 protonia, on 10 stabiilia isotooppia eli enemmän kuin millään muulla alkuaineella. Ytimet, joissa protonien tai neutronien lukumäärä on kaukana näistä, ovat usein erityisen epävakaita, mikä ilmenee esimerkiksi siitä, ettei alkuaineilla n:o 43 ja 61, [[teknetium]]illa ja [[prometium]]illa, ole yhtään stabiilia isotooppia.
 
=== Mallien yhteensopivuus ===
[[Suprajuoksevuus|Suprajuoksevan]] nestemäisen heliumin tavoin atomiytimet ovat esimerkki tilasta, jossa toisaalta tilavuuksia koskevat "tavalliset" hiukkasfysiikan lait pätevät suurilla tilavuuksilla, mutta hiukkasten kvanttimekaanisella aaltoluonteella on vaikutuksensa. Niinpä suprajuoksevassa heliumissa samoin kuin [[Bose-Einstein-kondensaatti|Bose-Einstein-kondensaatissa]] atomeilla on tietty tilavuus ja ne ikään kuin "koskettavat" toisiaan, mutta kokonaisuutena tällaisilla aineilla on erikoisia ominaisuuksia, jotka voidaan selittää vain kvanttimekaanisesti olettamalla, että atomeilla on myös aaltoluonne. Koska ytimen hiukkaset ovat fermioneja, niistä ei tällaista kondensaattia muodostu, mutta monet ytimen ominaisuudet voidaan selittää vain käsittelemällä hiukkasia sekä tietyn tilavuuden omaavina hiukkasina että aaltoina, joita voidaan kuvata [[Schrödingerin yhtälö]]llä.
 
== Katso myös ==