Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Estructura de l'àtom

Estructura de l'àtom

La base de tot el relacionat amb l'energia nuclear rau en l'àtom, ja que la tecnologia nuclear es basa en l'aprofitament de l'energia interna continguda en els àtoms. Per aquest motiu, per entendre com es produeixen les reaccions nuclears (fissió nuclear o fusió nuclear) convé comprendre com està estructurat un àtom.

Un àtom és la unitat constituent més petita de la matèria ordinària que té les propietats d'un element químic.

L'àtom està compost per un nucli i un o més electrons lligats al nucli. El nucli està fet d'un o més protons i, típicament, un nombre similar de neutrons; els protons i neutrons s'anomenen nucleons.

Els protons del nucli atòmic estan units per uns enllaços molt forts en els quals en trencar o generar-es genera una gran quantitat d'energia. L'energia nuclear es basa en la creació o trencament d'aquests enllaços.

Partícules subatòmiques

L'origen de la paraula àtom prové del grec i significa indivisible. La concepció d'indivisible prové de l'antiguitat quan es creia que l'àtom era l'element més petit que podia existir. No obstant això, en l'actualitat sabem que l'àtom està format per altres partícules encara més petites: les partícules sub atòmiques.

L'àtom conté protons, neutrons i electrons, amb l'excepció de l'hidrogen-1 i el catió d'hidrogen. En aquest cas, l'hidrogen-1 no conté neutrons, i del catió hidrogen o hidrón no conté electrons. Els protons i neutrons de l'àtom s'anomenen nucleons, per formar part del nucli atòmic.

Al voltant del nucli atòmic orbiten els electrons. L'electró és la partícula més lleugera de totes les componen l'àtom. Té una càrrega elèctrica negativa, la magnitud es defineix com la càrrega elèctrica elemental, i s'ignora si posseeix subestructura, per la qual cosa ho considera una partícula elemental. La massa d'un protó és 1836 vegades més gran que la massa de l'electró. La càrrega del protó és positiva. El neutró té una massa 1839 vegades la massa de l'electró. El neutró té una càrrega elèctrica neutra (ni positiva ni negativa).

Massa de l'electró: 9,11 · 10 -31 kg 
Massa d'un protó: 1,67 · 10 -27 kg 
Massa d'un neutró: 1,69 · 10 -27 kg

El protó i el neutró no són partícules elementals, sinó que són un compost d'altres partícules anomenades quarks. Les partícules subatòmiques constitueixen un estat lligat de quarks ui d. Un protó conté dos quarks ui un quark d, mentre que el neutró conté dos di 1 o, d'acord amb la càrrega de tots dos. Els quarks es mantenen units mitjançant la força nuclear forta, intervinguda per gluons. A més d'aquestes partícules, hi ha altres partícules subatòmiques en el model estàndard: més tipus de quarks, leptons carregats (similars a l'electró), etc.

Un quark és una partícula fonamentals recollides en el model estàndard de la física de partícules. Els quarks tenen càrregues elèctriques iguals a +2/3 i -1/3 respectivament, respecte de la càrrega elemental.

El nucli atòmic

El nucli atòmic és la part central de l'àtom que està compost per nucleons units entre ells. El nucleó és un component de partícula subatòmica del nucli, és a dir, un protó o un neutró. El nombre màssic d'un àtom és el nombre de nucleons del seu nucli atòmic.

El volum del nucli és aproximadament proporcional al nombre total de nucleons, el nombre màssic. Els nucleons es mantenen units mitjançant la força nuclear, que és molt més intensa que la força electromagnètica a distàncies curtes, la qual cosa permet vèncer la repulsió elèctrica entre els protons.

Un àtom està constituït per un nucli central molt dens, que conté protons i neutrons, i per electrons que es mouen al voltant del nucli a una distància relativament gran.

Els àtoms d'un mateix element tenen el mateix nombre de protons, que s'anomena nombre atòmic i es representa per Z. Els àtoms d'un element donat poden tenir diferent nombre de neutrons: es diu llavors que són isòtops. L'acció d'enriquiment d'urani vas cosir a modificar el nombre de neutrons d'un àtom d'urani per obtenir un isòtop més inestable per afavorir les reaccions en cadena de fissió nuclear. Tots dos números conjuntament determinen el núclid.

El nucli atòmic es pot veure alterat per processos molt energètics en comparació amb les reaccions químiques. Els nuclis inestables, com l'urani i el plutoni utilitzats com a combustible nuclear, pateixen desintegracions que poden canviar el seu número de protons i neutrons emetent radiació. Un nucli pesat pot fisionarse en altres més lleugers en una reacció nuclear o espontàniament. Mitjançant una quantitat suficient d'energia, dos o més nuclis poden fusionar-se en un altre més pesat, en aquest cas, es tractaria d'una reacció de fusió nuclear.

En àtoms amb nombre atòmic baix, els nuclis amb una quantitat diferent de protons i neutrons tendeixen a desintegrar-se en nuclis amb proporcions més parelles, més estables. No obstant això, per a valors majors del nombre atòmic, la repulsió mútua dels protons requereix una proporció més gran de neutrons per estabilitzar el nucli.

Núvol d'electrons

L'electró és una partícula elemental estable amb la càrrega negativa més petita que existeix en la natura. Aquesta càrrega es denomina càrrega elemental, ja que qualsevol càrrega elèctrica separable es compon d'un nombre enter d'elles.

Els electrons, de signe negatiu, són atrets pels protons, de signe positiu en l'àtom a través de la força electromagnètica. A causa d'aquesta força electromagnètica és necessari una font d'energia externa per alliberar-los. Com més a prop està un electró del nucli, més gran és la força atractiva, i més gran per tant l'energia necessària perquè fuita.

Els electrons tendeixen a formar un cert tipus d'ona estacionària al voltant del nucli atòmic. Cadascuna d'aquestes ones està caracteritzada per un orbital atòmic, una funció matemàtica que descriu la probabilitat de trobar l'electró en cada punt de l'espai. El conjunt d'aquests orbitals és discret, és a dir, pot enumerar, com és propi en tot sistema quàntic. El núvol d'electrons és la regió ocupada per aquestes ones, visualitzada com una densitat de càrrega negativa al voltant del nucli.

Cada orbital correspon a un possible valor d'energia per als electrons, que es reparteixen entre ells. El principi d'exclusió de Pauli prohibeix que més de dos electrons es trobin en el mateix orbital. Poden ocórrer transicions entre els diferents nivells d'energia: si un electró absorbeix un fotó amb energia suficient, pot saltar a un nivell superior; també des d'un nivell més alt pot acabar en un nivell inferior, radiant la resta de l'energia en un fotó. Les energies donades per les diferències entre els valors d'aquests nivells són les que s'observen en les línies espectrals de l'àtom.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 14 de març de 2019