רכיבי נגישות
- הדגשת ניווט מקלדת
-
בחר גודל פונט
-
בחר קונטרסט
- איפוס הגדרות נגישות
מרכז ארצי למורי הכימיה - עמוד הבית
ניקל 48: ''הקסם הכפול''
מעובד לפי:
Geoffrey W. Rayner-Canham, Education in Chemistry, March 2001, pp 46-48
הכוח החזק הוא קצר טווח, הכוח האלקטרומגנטי הוא ארוך טווח.
| היסוד | מס' פרוטונים | מס' נויטרונים | יחס פרוטונים/נויטרונים |
|---|---|---|---|
| הליום
פחמן ארגון ברזל יוד עופרת אורניום |
2 6 18 26 53 82 92 |
2 6 20 30 74 126 146 |
1.0 1.0 1.2 1.2 1.4 1.5 1.6 |
כדי שהמשיכה בין החלקיקים תהיה גדולה מן הדחייה ביניהם, צריך שהכוח החזק יהיה גדול יותר מכוח הדחייה, וזאת ניתן לקבל רק על ידי הוספת נויטרונים. אם אין מספיק נויטרונים, כוח הדחייה בין הפרוטונים יגרום להתפרקות הגרעין. באיזוטופ החדש של הניקל, 48Ni, נמצא כי היחס בין מספר הנויטרונים למספר הפרוטונים הוא רק 0.7 זהו יחס קטן בהרבה מהתחום הרגיל, שנע בין 1.1-1.3 השכיח באטומים עם מספר מסה דומה. כיצד אפשר להסביר זאת?
שני מודלים הוצעו כדי להסביר את התנהגות הגרעין: מודל הטיפה ומודל רמות האנרגיה. מודל הטיפה יעיל לחקר ביקוע גרעיני. אם מדמים את הגרעין לטיפת מים, פיצול הטיפה לשתי טיפות קטנות יותר, מתאים לביקוע הגרעין לשני חלקים. מודל זה אינו מסביר מדוע איזוטופים מסוימים קיימים בטבע ואחרים לא. מודל רמות האנרגיה מסביר סוגייה זו, ומכאן חשיבותו. מודל זה, שהוצע בנפרד על ידי מריה גופרט מייר והנס ג'נסן (במסגרת בסוף המאמר), מייחס לנוקלאונים בגרעין רמות אנרגיה עם מספרים קוונטיים, בדומה לרמות האנרגיה והמספרים הקוונטיים של האלקטרונים באטום. על פי מודל זה, גם הפרוטונים והנויטרונים ממלאים רמות אנרגיה קוונטיות ומצייתים לכללי פאולי, על פיהם לא ייתכנו שני פרוטונים או שני נויטרונים המאופיינים על ידי אותם ארבעה מספרים קוונטיים. בדומה לאלקטרונים, גם לנוקליאונים יש ספין של ±1/2. צימוד הספינים חשוב יותר בגרעינים מאשר באלקטרונים, ושכיחים יותר הגרעינים בעלי מספר זוגי של פרוטונים ו/או נויטרונים. מתוך 273 גרעינים יציבים, ב- 164 יש מספר זוגי של פרוטונים ושל נויטרונים. רק בארבעה יש מספר אי-זוגי גם של פרוטונים וגם של נויטרונים, ואילו בשאר יש שילוב של זוגי ואי-זוגי. ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית (תמ"ג) אפשר לבצע רק כשיש נוקלאונים לא מזווגים, ולכן שיטה זו יעילה בעבור פחות מ-40% מהגרעינים היציבים. במערכת השמש, יסודות בעלי מספר זוגי של פרוטונים שכיחים פי עשרה מיסודות בעלי מספר איזוגי, ולכן מספר האיזוטופים היציבים גדול יותר. ליסודות בעלי מספר איזוגי של פרוטונים יש, בדרך כלל, איזוטופ אחד, או לכל היותר שניים. לדוגמה, לצזיום (55 פרוטונים) יש איזוטופ יציב אחד, ולבריום (65 פרוטונים) יש שבעה איזוטופים. אף שזיווג ספינים חשוב מאוד, המספרים הקוונטיים האחרים ממלאים את התפקיד המרכזי בקביעת האנרגיה של רמת היסוד והרמות המעוררות של הגרעינים. בדומה לאלקטרונים, לכל נוקליאון יש 4 מספרים קוונטיים:1. מספר קוונטי ראשי, n - קובע את רמת האנרגיה של הנוקליאון. מספר זה, כמו באלקטרונים, יכול לקבל את הערכים 1, 2, 3, 4 וכו', עד אינסוף.
2. מספר קוונטי של תנע זוויתי, l - באלקטרונים ערכיו נעים בין 1-n לאפס. יש סדר קבוע של מילוי תת הרמות. למשל, תת-רמה 4s מתמלאת לפני 3p. הערך של התנע הזויתי בנוקליאונים אינו מוגבל, והם יכולים לאכלס רמות 1d ,1p וכו'. גם רמות הנוקלאונים מתמלאות לפי הסדר:
... ,1s, 1p, 1d, 2s, 1f, 2p, 1g, 2d, 3s, 1h, 2f, 3p, 1i, 2g, 3g, 4s, 1j
3. מספר קוונטי מגנטי - יכול לקבל ערכים ממינוס l עד פלוס l וכך יש תת רמה אחת s, שלוש p, חמש d, שבע f, תשע g, אחת עשרה h, שלוש עשרה i, וחמש עשרה j.
4. מספר קוונטי של הספין - לכל תת-רמה יכולים להיכנס עד שני נוקלאונים, בעלי ספין הפוך.
מודל רמות האנרגיה של הגרעין, כפי שפותח על ידי מריה גופרט מייר, מסביר את היציבות המיוחדת של גרעינים בעלי מספרי פרוטונים ונויטרונים מסוימים. הסתבר, כי כמו בסידור האלקטרוני, גם לגבי הגרעין קיימות סדרות של מספרים האחראיות ליציבות הגרעין.
מריה גופרט מייר קראה בשם "מספרי קסם" למספרי הנוקלאונים הנחוצים למילוי הרמות בגרעין. "מספר הקסם הכפול" הוא מספר שבו מתמלאות גם רמות הפרוטונים וגם רמות הנויטרונים.
הרמה המלאה הראשונה, הן בפרוטונים והן בנויטרונים (1s2) היא בהליום - 4. אטום זה הוא השני בשכיחותו ביקום. גרעיניו, חלקיקי a, נפלטים בדרך כלל בתגובות של דעיכה רדיואקטיבית. בגרעין הליום - 4, שבו גם רמת הפרוטונים וגם רמת הנויטרונים מלאות, מתקיים "מספר הקסם הכפול". גרעין חמצן - 16, שבו מתמלאת הרמה השנייה, 1p61s2, גם של הפרוטונים וגם של הנויטרונים, הוא גם הגרעין השני בעל "מספר קסם כפול".
הרמה השלישית (אחריה יש קפיצה גדולה ברמת האנרגיה) ממלאת את 1s21p61d102s2, כלומר 20 נוקלאונים.
"מספרי הקסם" הבאים הם 28, 50, 82, 126, 184. פיזיקאים טוענים, שלגבי נויטרונים, גם 114 הוא "מספר קסם".
על פי מודל רמות האנרגיה ניתן להסביר תצפיות רבות:
דרג את הכתבה |
 |
| ללא מדרגים |
הפרויקט מבוצע עפ"י מכרז 09/07.13 עבור המזכירות הפדגוגית, משרד החינוך.
© כל הזכויות שמורות למשרד החינוך
כל הקבצים הנמצאים באתר זה נועדו אך ורק לשימושם האישי של מורי הכימיה ולהוראה בכיתותיהם. אין לעשות שימוש כלשהו בקבצים אלו לכל מטרה אחרת ובכלל זה שימוש מסחרי; פרסום באתר אחר (למעט אתר בית הספר בו מלמד המורה); העמדה לרשות הציבור או הפצה בדרך אחרת כלשהי של קבצים אלו או כל חלק מהם.
התמונות באתר זה הורדו ברישיון מאתר Shutterstock אלא אם כן נכתב אחרת
* * *
