Nukleus Atom & Isotop

Apa yang membentuk nukleus atom

Hampir keseluruhan jisim sesuatu atom — lebih daripada 99.9% — tertumpu dalam nukleusnya, walaupun nukleus hanya menduduki sepersepuluh bilion bahagian daripada jumlah isipadu atom. Nukleus terdiri daripada dua jenis nukleon: proton yang bercas positif dan neutron yang neutral secara elektrik. Kedua-duanya hampir sama berat (lebih kurang 1.67 · 10⁻²⁷ kg) dan masing-masing terbina daripada tiga quark.

Bilangan proton — nombor atom Z — menentukan unsur kimia yang terlibat: setiap unsur dengan tepat 6 proton ialah karbon, setiap unsur dengan 79 proton ialah emas. Jika bilangan proton berubah, unsur itu berubah. Bilangan neutron N pula boleh berbeza pada unsur yang sama — di sinilah asal-usul isotop.

Proton saling menolak secara elektromagnet — neutron menyumbang daya tarikan kuat tambahan tanpa menyumbang sebarang cas. Oleh itu, nukleus yang lebih berat memerlukan neutron jauh lebih banyak berbanding proton untuk kekal stabil.

Apa yang membentuk sesuatu isotop

Isotop ialah atom bagi unsur yang sama — iaitu dengan bilangan proton Z yang sama — tetapi berbeza pada bilangan neutron N. Oleh sebab bilangan neutron hampir tidak memberi kesan kepada sifat kimia (yang hampir sepenuhnya ditentukan oleh elektron), isotop bagi sesuatu unsur berkelakuan hampir sama dari segi kimia. Nukleus mereka pula boleh berbeza secara asas: sesetengah stabil buat selama-lamanya, yang lain mereput dalam beberapa saat.

Notasi nombor jisim A (jumlah proton dan neutron, ditulis atas di sebelah kiri) dan nombor atom Z (ditulis bawah di sebelah kiri) sebelum simbol unsur mengenal pasti sesuatu nuklid secara unik. Karbon wujud secara semula jadi dalam tiga isotop:

Lembah Kestabilan

Jika bilangan neutron N diplot terhadap bilangan proton Z bagi semua nuklid yang diketahui, terbentuklah satu jalur sempit nukleus stabil — Lembah Kestabilan. Bagi unsur ringan, keadaan optimum terletak berhampiran N = Z (bilangan proton sama dengan neutron). Semakin tinggi bilangan proton, jalur ini semakin beralih ke arah lebihan neutron, kerana neutron tambahan diperlukan untuk mengimbangi tolakan Coulomb yang semakin besar akibat proton yang semakin banyak — tanpa neutron itu sendiri menyumbang kepada tolakan.

Nukleus di luar lembah ini tidak stabil dan mereput dengan cara yang membawanya mendekati lembah tersebut: lebihan neutron biasanya diperbetulkan melalui reputan β⁻ (satu neutron bertukar menjadi proton), manakala lebihan proton melalui reputan β⁺ atau penangkapan elektron. Nukleus yang sangat berat, melebihi plumbum, sering melepaskan keseluruhan nukleus helium — reputan alfa. Jenis reputan yang tepat serta kinematiknya dibincangkan dengan lebih mendalam di halaman fizik zarah mengenai reputan radioaktif.

Tenaga ikatan per nukleon

Jisim sesuatu nukleus atom sentiasa lebih kecil daripada jumlah jisim nukleon-nukleonnya secara berasingan — perbezaan ini dipanggil kecacatan jisim dan, menurut E = mc² Einstein, bersamaan tepat dengan tenaga yang akan dibebaskan semasa nukleus itu terbentuk: tenaga ikatan. Jika nilai ini dibahagikan dengan bilangan nukleon, terhasillah tenaga ikatan per nukleon — satu ukuran langsung tentang betapa kukuhnya sesuatu nukleus terikat bersama.

Jika nilai ini diplot terhadap nombor jisim A, terhasil satu lengkung dengan puncak di sekitar Besi-56 dan Nikel-62 — nukleus yang paling kukuh terikat dalam keseluruhan jadual berkala. (Nilai puncak yang tepat sebenarnya dipegang oleh Nikel-62, hanya sedikit mendahului Besi-56; kerana Besi-56 ialah nuklid yang jauh lebih banyak terdapat dan turut memberi nama kepada kawasan ini, ia digunakan di sini sebagai titik rujukan.) Ini menjelaskan mengapa kedua-dua pembelahan nuklear unsur berat dan pelakuran nuklear unsur ringan membebaskan tenaga: kedua-dua proses bergerak sepanjang lengkung ini ke arah puncak tersebut.

Mengapa Besi yang menjadi puncak?

Sebab bagi puncak yang tepat ini terletak pada persaingan antara dua daya dengan jarak kesan yang sangat berbeza. Daya nuklear kuat mempunyai jarak kesan yang amat pendek — setiap nukleon hanya "merasai" jiran terdekatnya sahaja, tidak kira sebesar mana nukleus secara keseluruhan. Oleh itu, apabila bilangan nukleon bertambah, sumbangan daya ini kepada tenaga ikatan per nukleon tidak boleh terus meningkat tanpa had — ia menjadi tepu. Sebaliknya, tolakan elektrik antara proton (daya Coulomb) bertindak merentasi keseluruhan nukleus dan bertambah semakin cepat mengikut bilangan proton, kerana setiap proton menolak semua proton lain dalam nukleus. Sehingga kira-kira nombor jisim 56, keuntungan daripada ikatan nukleon tambahan masih mengatasi tolakan Coulomb yang masih sederhana — setiap nukleon tambahan menjadikan nukleus secara purata lebih kukuh terikat. Selepas Besi, keadaan ini berbalik: proton tambahan membawa lebih banyak tenaga tolakan berbanding tarikan, dan lengkung mula menurun semula. Besi-56, Nikel-62 dan Kobalt-59 terletak hampir tepat pada titik di mana ketepuan daya nuklear dan pertumbuhan tolakan Coulomb saling mengimbangi — di suatu tempat dalam kumpulan sempit ini terletak puncak tenaga ikatan per nukleon bagi keseluruhan jadual berkala (menurut pengukuran tepat, minimum sebenarnya berada pada Nikel-62, bukan pada Besi-56 itu sendiri).

Kegunaan praktikal isotop

Oleh sebab isotop berkelakuan hampir sama dari segi kimia tetapi boleh dibezakan dari segi fizikal — sama ada melalui jisim atau radioaktiviti — ia boleh digunakan sebagai penanda dalam proses yang sebaliknya tidak dapat diperhatikan.