Δομή ατόμου

Μια ερώτηση, δυο σελίδες απάντηση από τον Δημήτρη Πασιόπουλο.

Η ερώτηση τέθηκε στους μαθητές στα πλαίσια διδασκαλίας της «Δύναμης Coulomb» στη φυσική γενικής παιδείας στη Β΄ λυκείου.

"Αφού τα αντίθετα φορτία έλκονται γιατί τα ηλεκτρόνια δεν "σκάνε" πάνω στον πυρήνα και γιατί ο πυρήνας με θετικά φορτία (πρωτόνια) δεν διαλύεται;"  

Πώς έλκονται μεταξύ τους τα πρωτόνια του πυρήνα, αφού έχουν ομόσημα φορτία;

Ο πυρήνας του άτομου αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και από ουδέτερα νετρόνια. Μεταξύ των πρωτονίων ασκούνται απωστικές δυνάμεις. Πώς όμως διατηρείται σταθερός ο πυρήνας του ατόμου;     

Δομή του πρωτονίου και του νετρονίου:

Σύμφωνα με το καθιερωμένο μοντέλο το πρωτόνιο αποτελείται από τρία κουάρκ, δύο "πάνω" (up) και ένα "κάτω" (down) ενώ το νετρόνιο αποτελείται και αυτό από τρία κουάρκ αλλά από ένα "πάνω"(up) και δύο "κάτω"(down).  

Το δυναμικό Γιουκάβα:

Το 1935 ο Ιάπωνας φυσικός Γιουκάβα για να ερμηνεύσει τον σχηματισμό των πυρήνων, πρότεινε την ύπαρξη μιας άγνωστης μέχρι τότε δύναμης, το δυναμικό Γιουκάβα (Yukawa), που περιγράφει την εξάρτηση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης από την  ακτίνα δράσης της. Η δύναμη αυτή, ασκείται μέσα στον πυρήνα και είναι ισχυρότατα ελκτική ώστε να υπερνικά την άπωση μεταξύ των πρωτονίων. Η δύναμη αυτή, αν και ισχυρή, είναι πολύ μικρής εμβέλειας, ασκείται δηλαδή μεταξύ μόνο νουκλεονίων (πρωτονίων ή νετρονίων) που η απόστασή τους είναι μικρότερη από 10^-15m.  

Σχηματική αναπαράσταση της αλληλεπίδρασης κουάρκ μεταξύ πρωτονίου και νετρονίου

Γιατί τα ηλεκτρόνια δεν “πέφτουν” πάνω στον πυρήνα, αφού έλκονται από αυτόν;

Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο του θετικά φορτισμένου πυρήνα και έλκονται απ’  αυτόν αφού φέρουν αρνητικό φορτίο. Οπότε τίθεται το ερώτημα γιατί δεν πέφτουν πάνω στον πυρήνα;                                                                                                                 

Τα ηλεκτρόνια δεν πέφτουν πάνω στον πυρήνα ακριβώς λόγω της μεγάλης ταχύτητας με την οποία κινούνται, όπως δεν πέφτει πάνω στη γη ένας δορυφόρος που κινείται με ικανή ταχύτητα, περιφερόμενος γύρω από τη γη που τον έλκει. Οι ταχύτητες (ενέργειες) των ηλεκτρονίων στο άτομο είναι αρκετά μεγάλες ώστε, υπό συνήθεις συνθήκες, δεν τα αφήνουν να πέσουν πάνω στον πυρήνα, αλλά επίσης όχι τόσο μεγάλες ώστε «να φύγουν από το άτομο»,  να βγουν έξω από το ηλεκτρικό πεδίο του πυρήνα που τα έλκει.

"Τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) συγκρατούνται μεταξύ τους λόγω της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, θεμελιώδης αλληλεπίδραση, (ελκτική δύναμη) η οποία έχει μικρή εμβέλεια, αλλά πολύ μεγάλη ισχύ και έτσι υπερνικά τις απωστικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των θετικά φορτισμένων πρωτονίων που έχουν άπειρη εμβέλεια και κατά αυτόν το τρόπο επιτρέπεται η ύπαρξη του πυρήνα. Λόγω ακριβώς της μικρής, όμως, εμβέλειας που έχει η ισχυρή πυρηνική δύναμη δεν μπορεί να καταστήσει ευσταθή έναν πυρήνα που είναι πολύ μεγάλος. Ο μεγαλύτερος πυρήνας που έχει ποτέ παρατηρηθεί και είναι απολύτως ευσταθής είναι ο μόλυβδος."