Frumeindakjarni

Frumeindakjarni, atómkjarni eða kjarni er massamesti hluti frumeindar og eru samsettur úr róteindum og nifteindum. Rafeindir frumeinda ganga á rafeindaahvelum umhverfis kjarnann.

Stílfærð framsetning á liþín-7 frumeind. Svartar kúlur tákna rafeindir, rauðar kúlur róteindir og bláar kúlur nifteindir. Atómkjarninn samanstendur af róteindunum og nifteindunum.

Samsetning

Fjöldi róteinda í frumeindakjarna er kölluð sætistala og segir til um hvaða frumefni frumeindin er. Sem dæmi, kjarni með eina róteind (sem er eini kjarninn sem getur haft engar nifteindir) myndar vetnisfrumeind, kjarni með sex róteindir myndar kolefni og kjarni með átta, súrefni. Fjöldi nifteinda ákvarðar samsætu frumefnisins. Ákveðin tengsl eru á milli fjöldi róteinda og nifteinda; í léttum kjörnum eru þær næstum jafnmargar, en í þyngri kjörnum eru nifteindir fjölmennari. Tölur þessara tveggja einda ákvarða kjarnategundina (kirni). Róteindir og nifteindi hafa næstum sama massa og samanlagður fjöldi þeirra, massatalan, er næstum sama og atómmassi frumeindar. Massi rafeindanna er frekar lítill samanborið við massa kjarnans.

Geisli kjarneindar (nifteindar eða róteindar) er að stærðargráðunni 1 fermí. Hann er hægt að nálga með þriðju rót af massa sinnum 1,2 fm, er minni en 0,01% af geisla frumeindarinnar. Þéttleiki kjarnans er því meiri en trilljón sinnum en frumeindarinnar í heild. Einn rúmmillimetri af kjarnefni, ef það væri þjappað saman, myndi hafa massa í kringum 200.000 tonn. Nifteindastjörnur eru gerðar úr slíku efni.

Þó að jákvætt hlaðnar róteindir beyti fráhrindandi rafsegulkraft á hvora aðra, eru fjarlægðirnar milli kjarneindanna nógu lítill til að sterka víxlverkunin (sem að er sterkari en rafsegulkrafturinn en minnkar ört með fjarlægð) yfirgnæfi þann fyrri. (Kraftur þyngdaraflsins er hverfandi, 10³⁶ veikari enn rafsegulkrafturinn).

Uppgötvun kjarnans

Uppgötvun rafeindarinnar var fyrsta vísbending þess að frumeindir hefðu innri byggingu. Þessi bygging var fyrst hugsuð samkvæmt Plómubúðingslíkaninu, þar sem að litlar, neikvætt hlaðnar rafeindir voru festar í stóra, jákvætt hlaðna kúlu. Ernest Rutherford og Ernest Marsden, uppgötvuðu í hinni frægu gullþynnutilraun þeirra árið 1911 að sumum alfaeindum, frá radínlind, var endurvarpað af gullþynnu. Þetta leiddi til viðurkenningu á líkani Borhs, sem að var plánetulíkan þar sem að rafeindir eru á braut um lítinn kjarna á sama hátt og plánetur snúast í kringum sólina.

Kjarnalíkön

Þungur kjarni getur haft að geyma hundruð kjarneinda og er því hægt að nálgast hann sem klassískt kerfi, frekar en skammtafræðilegt. Í dropalíkaninu sem að leiðir út frá því, hefur kjarninn orku sem að kemur hluta til af yfirborðsspennu og að hluta til af raffráhrindingu róteindanna. Dropalíkanið getur einnig endurskapað mörg einkenni kjarnans, eins og til dæmis almenna tilhneigingu bindiorkunar við að fylgja massatölu, sem og kjarnasamruna.

Yfir þessari klassísku mynd liggja þó skammtafræðiáhrif, sem að hægt er að lýsa með skeljarlíkani kjarnans, sem þróað var af miklum hluta af Mariu Goeppert-Mayer. Samkvæmt þessu líkani eru kjarnar með ákveðinn fjölda nifteinda og róteinda (töfratölurnar 2, 8, 20, 50, 82, 126, ...) eru sérstaklega stöðugir, því að skeljar þeirra eru fylltar.

Kjarnahvörf í náttúrunni

Kjarnahvörf stjarna

Vegna þess að sumir kjarnar eru stöðugari en aðrir, fylgir það að hægt er að leysa af hólmi orku í kjarnahvörfum. Sólin er knúin af kjarnasamruna, þar sem að tveir kjarnar skella saman og mynda stærri kjarna. Mótstæða ferlið er kjarnaklofnun, sem að keyrir kjarnorkuofna. Sökum þess að bindiorka kjarnaeinda er við hámark fyrir meðalstóra kjarna (í kringum járn), er hægt að losa um orku með því að bræða saman léttum kjörnum eða sundra þyngri kjörnum.

Frumefni upp að járni eru mynduð í stjörnum við röð af samrunaþrepum, eins og til dæmis róteindakeðju, kolefnishverfu og þríhelínshvarf. Þyngri og þyngri frumefni eru framleidd þrep fyrir þrep yfir þróunarferil stjörnu. Sökum þess að bindiorka hverrar kjarneindar nær hámarki í kringum járn, losnar eingöngu um orku í samrunaferlum undir því stigi. Sköpun þyngri kjarna kostar orku, og eru þeir því að yfirgnæfandi hluta myndaðir í sprengistjörnum, þar sem að losast um gríðarlegt magn orku.

Kjarnahvörf á jörðu

Kjarnahvörf gerast náttúrulega á Jörðinni og eru í reynd nokkuð algeng. Alfa- og betasundrun eru algeng og þungir kjarnar, eins og til dæmis úran klofna. Það er jafnvel til eitt þekkt dæmi um náttúrulegan kjarnakljúf, sem að var virkur í Okio í Gabon í Afríku fyrir 1,5 milljörðum árum síðan [1].

Rannsóknir í dag

Stór hluti rannsókna í dag í kjarneðlisfræði snýst um rannsóknir á frumeindakjörnum við öfgakenndar aðstæður, eins og háann spuna og örvunarorku. Kjarnar geta einnig haft öfgakennda lögun (líkt og amerískur fótbolti) eða öfgakennt hlutfall milli nifteinda og róteinda. Tilraunamenn geta búið til svoleiðis kjarna með því að hvetja til samruna á tilbúinn hátt eða með kjarneindaflutningshvörfum, sem að nota jónageisla úr hröðlum. Geislar með jafnvel meiri orku er hægt að nota til að skapa kjarna við háhitastig, og það eru til vísbendingar um að þessar tilraunir hafi ollið hamskiptum úr venjulegu kjarnaefni yfir í nýjan ham, kvarka-límeindarafgas, þar sem að kvarkar blandast hvor við annann, í stað þess að vera deilt niður í þrenningar, eins og þeir eru í nifteindum og róteindum.