همان طور که در بالا ذکر شد، اتم‌ها کوچک‌ترین بخش ممکن ماده می‌باشند. گازهای بی‌اثر یا نجیب تنها عناصری هستند که در حالت خنثی قرار دارند و به منظور تشکیل مولکول‌ها با گازهای دیگر وارد واکنش نمی‌شوند. بنابراین، اتم‌های چنین گازهایی در یک حالت مستقل وجود دارند. اتم‌های گازهای نجیب برای تحقیقاتی که اغلب به عنوان فیزیک هسته‌ای شناخته می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیرند.
 

توضیح هسته اتم

کلمه هسته از کلمه یونانی nux به معنی مهره مشتق شده است. این اصطلاح اولین بار توسط دانشمند معروف میشل فارادی در سال 1844 هنگامی‌که هسته را به عنوان مرکز اتم معرفی کرد، مورد استفاده قرار گرفت. بر اساس تحقیقات، بخش مرکزی یک اتم دارای بار بالایی می‌باشد و باعث متراکم ساختن ماده می‌گردد. پروتون‌ها و نوترون‌ها درون هسته قرار دارند. از طرف دیگر، الکترون‌ها اطراف هسته در گردش می‌باشند. اندازه هسته یک اتم هیدروژن که کوچک‌ترین بخش اتم می‌باشد، 6/1 فمتومتر است، در حالی‌که اتم اورانیوم 15 فمتومتر می‌باشد.
 

ساختار

یک هسته در درجه اول از دو باریون به نام پروتون و نوترون تشکیل شده است. پروتون‌ها و نوترون‌ها با کمک یک بار به نام نیروی هسته‌ای محدود به هسته می‌باشند. نیروی هسته‌ای برخی مواقع به عنوان نیروی قوی باقی مانده نیز شناخته می‌شود. دانشمندان در حال مطالعه‌ی فیزیک هسته‌ای، به این موضوع اشاره کردند که پروتون‌ها و نوترون‌ها بخش بیشتر یک ماده را تشکیل می‌دهند و به عنوان ماده زیر اتمی شناخته می‌شوند. هسته بر اساس بار آن‌ها به دو بخش پروتون با بار مثبت و نوترون بدون بار طبقه‌بندی می‌شود.
 
اتم‌های برخی از عناصر دارای باریون سومی به نام هیپرین هستند که جرمى حد فاصل بین پروتون و نوترون دارد. این نوع باریون در حالت خنثای آن بر روی زمین وجود ندارد. با این‌حال، این باریون می‌تواند ایجاد شود و در آزمایشات مربوط به فیزیک هسته‌ای در یک محیط به شدت کنترل شده مورد استفاده قرار گیرد.
 

نیروی قوی باقی‌مانده

این نیرو نه تنها کوارک‌ها را در کنار هم نگه می‌دارد، بلکه پروتون‌ها و نوترون‌ها را درون هسته به هم متصل می‌کند. این نیروی باقی‌مانده به حدی قوی است که همه‌ی پروتون‌هایی که دارای بار هم‌نام هستند، حتی آن‌هایی که سعی می‌کنند همدیگر را دفع کنند، را نیز در کنار هم نگه می‌دارد. در طول فرایند شکافت هسته‌ای، هنگامی‌که هسته تقسیم می‌شود، این نیروی باقی‌مانده به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.
 

شکافت هسته‌ای

علی رغم هشدارهای ارائه شده توسط دانشمندان گذشته که شروع به تحقیق بر روی هسته اتم کرده بودند، دانشمندان امروزی هنوز هم عملی به نام شکافت هسته‌ای را انجام می‌دهند. این فرایند یک واکنش هسته‌ای است که هسته را به بخش‌های کوچکتر تقسیم می‌کند، بنابراین ساختار واقعی و اصلی هسته را به طور کامل تخریب خواهد کرد. این واکنش بیشتر نوترون‌های آزاد و هسته را تولید می‌کند. نوترون‌های آزاد و هسته بعداً اشعه‌ی گاما را تولید می‌کنند. این فروپاشی مبنایی برای عمل شکافت در بمب اتمی است.
 
در صورتی‌که فرایند شکافت هسته‌ای به صورت کنترل شده و عاقلانه مورد استفاده قرار گیرد، هسته اتم در برخی مصارف مفبد مانند تولید برق به کار گرفته می‌شود. با این‌حال، در صورتی‌که از این فرایند در جهت نادرست مانند ساخت سلاح‌های هسته‌ای استفاده شود، قادر به نابودی کل نسل بشر خواهد بود.
 

بار موثر هسته چیست؟

معادلات و قوانین فیزیک به آسانی قابل درک نیست، شرح آن‌ها در دنیای واقعی به نظر بسیار پیچیده می‌رسد. به نظر می‌رسد ارائه‌ی یک راه حل تحلیلی کامل برای هر مسأله امکان پذیر نیست، مگر این‌که بتوانیم قوانینی را تنظیم کنیم که هر متغیر درگیر در مساله را حل کند. بار مؤثر هسته بخشی از بار مثبت هسته است که یک الکترون با توجه به اثر پوششی دیگر الکترون‌ها احساس می‌کند. محاسبه اوربیتال‌های یک اتم چند الکترونی با استفاده از معادله شرودینگر امکان پذیر نیست. با این‌حال، با استفاده از مفهوم بار مؤثر هسته، یک راه حل مناسب برای این مساله ارائه می‌گردد.
 
همانطور که می‌دانید بارهای هم‌نام همدیگر را دفع می‌کنند، در حالی‌که بارهای ناهم نام همدیگر را جذب می‌کنند. بار مثبت، بارهای منفی اطراف خود را در یک هسته اتم جذب می‌کند، در حالی‌که دیگر بارهای مثبت را با کمک نیروی الکترومغناطیسی دفع می‌‌کند. به طور مشابه، بارهای منفی، بارهای مثبت دیگر را جذب می‌کند، در حالی‌که دیگر بارهای منفی اطراف خود را دفع می‌کند. آن‌چه ابر الکترونی را به هسته اتم متصل می‌سازد، نیروی الکترومغناطیسی جاذبه بین الکترون‌ها و پروتون‌های درون هسته می‌باشد.
 
ساده‌ترین و شناخته‌ شده‌ترین اتم، هیدروژن می‌باشد. این اتم از یک الکترون تشکیل شده که در اطراف یک پروتون می‌چرخد و می‌توان به آسانی اوربیتال‌های اتمی آن را محاسبه کرد. معادله شرودینگر برای اتم هیدروژن به صورت دقیق قابل حل می‌باشد. با این‌حال، برای اتم‌هایی با تعداد بیشتر الکترون‌ها، محاسبه اوربیتال‌های اتمی واقعی به لحاظ تحلیلی امکان‌پذیر نیست. بنابراین، مفهوم بار موثر هسته برای ارائه‌ی یک راه حل مناسب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
طبق تعریف، بار مؤثر هسته بخشی از بار مثبت هسته است که یک الکترون با توجه به اثر پوششی دیگر الکترون‌ها احساس می‌کند. الکترون‌ها در یک اتم در پوسته‌های متمرکز اطراف مرکز هسته توزیع شده‌اند. نیروی جاذبه‌ای که توسط بیرونی‌ترین الکترون‌ها احساس می‌شود، به دلیل بار مثبت هسته می‌باشد که توسط نیروی دافعه اعمال شده توسط الکترون‌های لایه بیرونی کاهش می‌یابد. بار مؤثر هسته حاصل تفریق متوسط تعداد الکترون‌های لایه بیرونی از عدد اتمی کل می‌باشد. فرمول محاسبه بار موثر هسته به شرح زیر می‌باشد:
بار موثر هسته = Z – N
که Z عدد اتمی و N تعداد الکترون‌های لایه بیرونی می‌باشد. در نظر گرفتن بار مؤثر هسته یک راه حل تحلیلی تقریبی برای اتم‌های چند الکترونی قابل ارائه است.
 

روش محاسبه

به منظور محاسبه، تنها دو مورد را باید بدانید. یک مورد عدد اتمی و مورد دوم ساختار الکترونی می‌باشد. در واقع، در صورتی‌که شما عدد اتمی یک عنصر را بدانید، پس ساختار الکترونی حالت پایه را می‌توانید حدس بزنید.
 
در این‌جا مثال کربن با عدد اتمی 6 را در نظر بگیرید. ساختار الکترونی کربن به صورت 1s2 2 s2 2 p2 می‌باشد. از آن‌جا که عدد اتمی کربن برابر با 6 و تعداد الکترون‌های لایه بیرونی این عنصر نیز برابر با 2 می‌باشد، الکترون لایه ظرفیت در لایه p دارای بار موثر هسته 2 – 6 یعنی 4 می‌باشد.
 
آن‌چه که برای محاسبه بار مؤثر هر هسته اتم لازم است، درک ساختار الکترونی اتم در حالت پایه می‌باشد. در دست داشتن این پارامتر باعث آسان‌تر شدن محاسبات می‌گردد.
 
منبع: Scholasticus K - ScienceStruck