Tekst źródłowy strony Jądro atomowe

{{dopracować|lekki bałagan; sporą część, a zwłaszcza sekcję „Zastosowania praktyczne”, lepiej chyba przenieść do [[Fizyka jądrowa]] i innych artykułów}}
[[Plik:Helium atom QMuniv.svg|mały|prawo|300px|Atom helu (zacieniowany obszar) i jego jądro (powiększenie), czerwone – protony, błękitne – neutrony.]]
{{wikisłownik|jądro atomowe}}

'''Jądro atomowe''' – centralna część [[atom]]u składająca się z [[proton]]ów i [[neutron]]ów, powiązanych [[Siły jądrowe|siłami jądrowymi]], stanowiąca niewielką część objętości całego atomu, skupiona jest w nim prawie cała [[masa (fizyka)|masa]]<ref>{{Encyklopedia PWN | tytuł = Jądro atomowe | id = 3917403 | data dostępu = 2021-07-29 }}</ref>.

Jądro atomowe jest charakteryzowane przez jego [[Liczba atomowa|liczbę atomową]] i [[liczba masowa|liczbę masową]].

Liczba atomowa wynika z liczby protonów w jądrze, określa ładunek elektryczny jądra, który jest głównym czynnikiem określającym strukturę poziomów energetycznych elektronów w atomie.

Liczba masowa jest równa sumie liczby protonów i neutronów w jądrze i decyduje o masie danego atomu.

Badaniem jąder atomowych zajmuje się dział fizyki zwany [[Fizyka jądrowa|fizyką jądrową]].

== Odkrycie ==
Istnienie jądra atomowego zostało zaproponowane przez [[Ernest Rutherford|Ernesta Rutherforda]] w 1911 roku jako uzasadnienie głównie do rozpraszania wstecznego [[Promieniowanie alfa|cząstek alfa]] w eksperymencie przeprowadzonym w 1909 r. W doświadczeniu bombardowano folię [[złoto|złota]], później innych pierwiastków [[Promieniowanie alfa|cząstkami alfa]]. Badając [[rozkład prawdopodobieństwa|rozkład]] kątowy promieniowania rozproszonego na folii, doszedł do wniosku, że w atomie w niewielkiej objętości jest masa znacznie większa niż masa cząstki alfa, nazwanej później jądrem atomowym. Rutherford zauważył, że centralny ładunek, równy 100 ładunkom elektronów, jest w przybliżeniu równy połowie masy 49 cząstek alfa, sugeruje że atomy składają się z połówek cząstek alfa. Z dużej energii emitowanych przez atomy cząstek alfa wnioskuje, że jądro ma ładunek dodatni<ref>{{Cytuj pismo |autor = E. Rutherford |tytuł = The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom |url = http://www.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Rutherford%20%281911%29,%20Structure%20atom%20.pdf|czasopismo = Philosophical Magazine |wolumin = 21 |strony = 669–688 |data = maj 1911 |data dostępu=2019-04-25}}</ref>. Miesiąc po ukazaniu się artykułu Rutherforda, w „[[Nature]]” został opublikowany list [[Antonius Johannes van den Broek|Antoniusa van den Broka]], w którym wskazał, że ładunek jądra atomowego jest tożsamy z liczbą ładunków w jądrze atomowym i jest równoważny [[Liczba atomowa|liczbie atomowej]]. Obliczył, że od wodoru do uranu jest 120 pierwiastków<ref>{{Cytuj |autor = A. van den Broek |tytuł = The Number of Possible Elements and Mendeléff’s “Cubic” Periodic System |doi=10.1038/087078b0| czasopismo = Nature |wolumin = 87 |s=78|data = 1911|dostęp=z}}</ref>. W kolejnej pracy stwierdził, że w ciągu atomów ułożonych w kolejności ich [[Masa atomowa|mas atomowych]], każdemu atomowi odpowiada kolejny ładunek jądra, który decyduje o właściwościach atomu<ref>{{Cytuj |autor = A. van den Broek |tytuł = Intra-atomic Charge |dostęp=z| czasopismo = Nature |wolumin = 92 |data = 1913 |doi = 10.1038/092372c0|s=372–373}}</ref>. Koncepcje te, doprecyzowujące [[model atomu Rutherforda]], zostały uznane przez naukowców. W efekcie zaproponowano liczne modele jądra atomowego, w których jądro atomowe składało się z protonów i elektronów<ref>{{Cytuj |autor = A. van den Broek |tytuł = Intra-atomic Charge and the Structure of the Atom |czasopismo = Nature |wolumin = 92 |data = 1913 |s = 476–478 |doi = 10.1038/092476b0|dostęp=z}}</ref><ref name=akw>{{Cytuj stronę |url = https://www.fuw.edu.pl/~akw/Fizyka_XX_wieku_cz_2.pdf |tytuł = Fizyka jądra atomowego i cząstek elementarnych|opublikowany=www.fuw.edu.pl |data dostępu = 2019-04-25}}</ref>. Modele te funkcjonowały aż do odkrycia w 1932 roku neutronu i zaproponowania modelu protonowo-neutronowego przez [[Dmytro Iwanenko|Dmytra Iwanenkę]] i [[Werner Heisenberg|Wernera Heisenberga]]{{r|akw}}.

== Fizyka jądra atomowego ==
{{Wikibooks|Wstęp do fizyki jądra atomowego}}

=== Oznaczanie ===
Jądra atomowe oznacza się takim samym symbolem, jak [[pierwiastek chemiczny]] odpowiadający temu jądru, dodatkowo przed symbolem w [[indeks górny|indeksie górnym]] podaje się [[liczba masowa|liczbę masową (A)]], a w [[indeks dolny|indeksie dolnym]] można podać [[liczba atomowa|liczbę atomową (Z)]]. Przykładowo jądro atomowe o 11 [[proton]]ach i 13 [[neutron]]ach, jest jądrem nietrwałego izotopu [[sód|sodu]]-24 i oznacza się je symbolem {{chem|24|Na}} lub {{chem|24|11|Na}}.

=== Jądro atomowe a atom ===
Własności jądra, w jego stanie podstawowym, są determinowane poprzez liczbę znajdujących się w nim [[Nukleony|nukleonów]]. Liczba protonów, określa ładunek elektryczny jądra. Wielkość tego ładunku wyznacza możliwe konfiguracje [[elektron]]ów otaczających jądro, z możliwych konfiguracji elektronów wynikają możliwości łączenia się [[atom]]ów z sobą, a tym samym ich własności chemiczne, co decyduje o tym jakiego [[pierwiastek chemiczny|pierwiastka chemicznego]] jest ten atom, określając tym samym [[liczba atomowa|liczbę atomową]]. Atomy o jądrach o tej samej liczbie protonów, ale różnej neutronów nazywa się [[Izotopy|izotopami]]. Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. [[efekt izotopowy]].

W [[reakcja jądrowa|reakcjach jądrowych]] ważna jest nie tylko liczba protonów, ale również liczba neutronów.

=== Siły jądrowe ===
Między dodatnio naładowanymi protonami występuje [[oddziaływanie elektromagnetyczne|odpychanie elektryczne]], którego efekty są równoważone przez [[oddziaływanie silne]] między nukleonami. Oddziaływania silne działają jednak tylko na bardzo krótkich dystansach, zbliżonych do rozmiarów samych jąder. Przy większych odległościach przeważają siły odpychania elektrycznego.

== Modele budowy jądra ==
Jądra atomowe bada się, analizując samorzutne i wymuszone rozpady jąder, a także badając rozpraszanie cząstek na jądrach (promieniowanie gamma, elektrony, neutrony, protony itp.). Stwierdzono, że większość jąder ma kształt zbliżony do kuli, a niektóre są owalne. Gęstość wewnątrz jąder jest jednakowa i szybko spada do zera w pewnej odległości od środka, którą określa się jako promień jądra.

Jądra mają rozmiary rzędu 10<sup>−14</sup> – 10<sup>−15</sup> m, co stanowi około jedną stutysięczną rozmiaru [[atom]]u. Jednak to w jądrze skupione jest ponad 99,9% [[masa (fizyka)|masy]] atomu.

Zakładając jednakową gęstość jąder atomowych, tak jak określa to model kroplowy jądra atomowego, rozmiar jądra zależny od jego liczby masowej z wyjątkiem kilku najlżejszych jąder określa zależność:
:: <math>R = (1{,}2 \times \mathrm{10^{-15} m)A^{1/3}},</math>

gdzie:
: <math>\mathrm A</math> – liczba masowa,
: <math>R</math> – promień jądra,
: <math>\mathrm m</math> – metr.

=== Model kroplowy ===
Jednym z pierwszych modeli budowy jądra był [[model kroplowy]]. Zakłada on, że nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w kropli [[ciecz]]y i w związku z tym własności jądra jako całości powinny być podobne do własności kropli cieczy. Mikroskopowe oddziaływania, oddziaływanie silne jądrowe oraz siły elektrostatyczne są w tym modelu przedstawiane przez analogię do sił [[lepkość|lepkości]] i [[napięcie powierzchniowe|napięcia powierzchniowego]]. Najważniejszym założeniem modelu jest to, że jądra są kuliste. Przez analogię do energii kropli cieczy, w tym modelu energię wiązania jąder atomowych oblicza się z uwzględnieniem poprawki na wysycanie się sił jądrowych wraz z sześcianem odległości.

Otrzymane w ten sposób wzory przewidują stałą energię wiązania na jeden nukleon dla jąder lekkich i mniejszą dla jąder o dużej masie. Prowadzi to do wniosku, że w dużych jądrach może następować rozdzielenie się na dwa fragmenty, co wyjaśnia zjawiska rozszczepienia jąder atomowych ciężkich pierwiastków. Model ten jest bardzo przybliżony i nie wyjaśnia wszystkich własności jąder.

=== Model powłokowy ===
[[Model powłokowy|Powłokowy model jądra atomowego]] powstał na zasadzie analogii do powłokowego modelu atomu i zgodnie z obserwacjami poziomów wzbudzenia jąder atomowych zakłada że, nukleony nie mogą wewnątrz jądra przyjmować dowolnych stanów energetycznych, lecz tylko te zgodne z energiami kolejnych powłok. Każdą powłokę może zajmować określona liczba nukleonów. Kiedy zostanie ona wypełniona, energia wiązania dla pierwszego nukleonu na kolejnej powłoce jest wyraźnie mniejsza. Model zakłada, że nukleony poruszają się w jądrze prawie niezależnie, a oddziaływanie nukleonu z pozostałymi nukleonami można zastąpić oddziaływaniem tego nukleonu ze średnim polem działającym na niego. W modelu określa się rozkład pola w jądrze, tak by poziomy wzbudzeń jądra odpowiadały danym doświadczalnym.

Model wyjaśnia odstępstwa energii wiązania jąder od energii określonej w modelu kroplowym. Wyjaśnia też istnienie „liczb magicznych”: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 dla których jądra atomowe są najstabilniejsze. Jeżeli jądro ma jeden nukleon mniej lub więcej, to energia wiązań jest w nim wyraźnie mniejsza.

Cechą modelu powłokowego jądra jest istnienie oddzielnych powłok dla neutronów i protonów. Jeżeli jednocześnie zarówno liczba neutronów, jak i liczba protonów jest równa liczbie magicznej, to jądro jest “podwójnie magiczne” (np. [[Hel (pierwiastek)|hel]]) i cechuje je wyjątkowa trwałość. Wartości liczby magicznych są pewne tylko do 82. Istnieją hipotezy, według których liczby 126 i 184 są magiczne dla neutronów, a 114 dla protonów.

Jednym z postulatów wynikających z powłokowego modelu jądra atomowego jest istnienie [[wyspa stabilności|wyspy stabilności]]. Fizycy jądrowi wysunęli hipotezę, że jądra o liczbach atomowych powyżej 184 mogą mieć znacznie większe okresy półrozpadu od większości [[transuranowce|transuranowców]]. Badania nad syntezą jąder o liczbie atomowej 116 wskazują na zwiększającą się ich trwałość<ref>{{Cytuj |url=https://cds.cern.ch/record/1733239| tytuł=Second postcard from the island of stability|czasopismo= CERN Courier |język=en |data dostępu=2019-04-25|wolumin=41|numer=8|s= 25–27}}</ref>.

Model powłokowy odnosi się również do zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Zauważono zależność poziomów energetycznych jąder o spinie połówkowym od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego.

=== Modele kolektywne ===
Modele te zakładają, że nie wszystkie zjawiska jądrowe da się wytłumaczyć jako oddziaływanie nukleonów. Według tych modeli nukleony, łącząc się w grupy, tworzą nowe cząstki wewnątrz jądra. Jednym z tego rodzaju modeli jest koncepcja [[Bozony|bozonów]] ([[język angielski|ang.]] ''interacting boson model'', IBM). Opiera się ona na analogii do zjawisk kwantowych występujących w [[Nadprzewodnictwo|nadprzewodnikach]]. Cząstki elementarne łączą się w pary, uzyskując nowe własności. Neutrony mają łączyć się z protonami i oddziaływać jako jeden bozon z całkowitym spinem 0, 2 lub 4. Istnieją dwa warianty tego modelu, czyli ''IBM-I'' i'' IBM-II''.

== Jądra trwałe i nietrwałe ==
Tylko niektóre jądra atomowe są trwałe. Decydują o tym oddziaływania między tworzącymi je nukleonami. Dla wszystkich jąder atomowych o liczbie atomowej od 1 ([[wodór]]) aż do 83 ([[bizmut]]{{refn|grupa=uwaga|1 = Bizmut 209 był uznawany za izotop trwały, ale w 2003 r. stwierdzono, że ulega [[Rozpad alfa|rozpadowi α]] z t<sub>½</sub> = 2·10<sup>19</sup> lat<ref>{{Cytuj |autor = Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic |tytuł = Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth |czasopismo = Nature |data = 2003|wolumin = 422 |numer = 6934 |s = 876–878 |doi = 10.1038/nature01541 |pmid = 12712201 |dostęp=o}}</ref>.}}); 80 z nich ma trwałe lub bardzo długożyciowe [[izotopy]] (wyjątki to [[technet]] i [[promet]]). Cięższe pierwiastki nie mają trwałych izotopów, jednak mają izotopy o [[Czas połowicznego rozpadu|czasie połowicznego rozpadu]] tak dużym, że można znaleźć je w naturze. Najcięższym z tych pierwiastków jest [[Pluton (pierwiastek)|pluton]] o liczbie atomowej 94. Cięższe pierwiastki nie występują na [[Ziemia|Ziemi]], jednak można je sztucznie wytworzyć w [[akcelerator cząstek|akceleratorach cząstek]]. Najcięższym obecnie uzyskanym pierwiastkiem jest [[oganeson]] o liczbie atomowej 118, który może być [[Helowce|gazem szlachetnym]]; został otrzymany w [[Zjednoczony Instytut Badań Jądrowych|Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych]] w [[Dubna|Dubnej]] w 2006 r.<ref>{{Cytuj stronę |url = http://iupac.org/discovery-and-assignment-of-elements-with-atomic-numbers-113-115-117-and-118/ |tytuł = Discovery and Assignment of Elements with Atomic Numbers 113, 115, 117 and 118 |data = 2015 |opublikowany = IUPAC |data dostępu = 2016-07-18}}</ref>

Trwałość jądra można przewidzieć na podstawie energii wiązania, którą da się wyznaczyć doświadczalnie, porównując masę jądra z masą składników hipotetycznego rozpadu ([[Deficyt masy|niedoboru masy]]).
Porównując masę jądra z masą hipotetycznych produktów rozpadu, można określić energię, która wydzieliłaby się podczas oderwania od jądra określonej cząstki (protonu, neutronu, elektronu, [[pozyton]]u, cząstki alfa). Jeśli energia wyrwania cząsteczki jest większa od zera, to taka reakcja zazwyczaj zachodzi. Jeśli energia jest mniejsza od zera to reakcja nie zachodzi, a jądro jest trwałe. Zakładając kształt bariery potencjału (przewidziany na podstawie czasu rozpadu znanych atomów), można oszacować czas rozpadu.

Dla średnich i ciężkich jąder energia wiązania jest wprost proporcjonalna do liczby nukleonów.
Wzrost liczby nukleonów o jeden powoduje zwykle podniesienie energii o 7–8 [[elektronowolt|MeV]]. Prawo to jest zachowane dla jąder w zakresie liczb masowych od 30 do 70. Potem następuje wyraźne odejście od tej zależności. Energie wiązania cięższych jąder są w efekcie mniejsze niżby to wynikało z liczby nukleonów.

Jądra z parzystą liczbą neutronów i protonów (parzysto-parzyste) cechują się największą trwałością i można je odnaleźć na [[Ziemia|Ziemi]] w znacznych ilościach. Jądra z nieparzystą liczbą protonów lub neutronów (parzysto-nieparzyste) są już dużo mniej trwałe. Nieparzysta liczba protonów i neutronów powoduje nietrwałość jąder, choć od tej reguły są wyjątki (np.: jądro [[wodór|wodoru]]). Zjawisko to wyjaśnia model powłokowy jądra atomowego.

=== Przemiany jądrowe ===
{{Osobny artykuł|Reakcja jądrowa}}
Zarówno występujące w naturze, jak i sztuczne jądra atomowe podlegają przemianom zwanym reakcjami lub przemianami jądrowymi. Przemiany jądrowe mogą być samorzutne (jądra nietrwałe ulegają rozpadowi) albo są inicjowane przez dostarczenie energii do jądra. Jądro posiadające wyższą energię niż podstawowe jądro nazywa się jądrem wzbudzonym. Oznacza to, że zmiana jądra może być zainicjowana w dwóch następujących przypadkach:
* pochłonięcia cząstki elementarnej,
* pobudzenie do wyższego stanu kwantowego przez cząstki niosące energię.

Reakcje takie mogą mieć miejsce pomiędzy jądrem a neutronami, [[neutrino|neutrinami]] czy innymi jądrami atomowymi. Przemiany jądrowe nie podlegają wszystkim zasadom zachowania. Ze względu na dużą ilość energii przypadającej na jednostkę masy w przemianach jądrowych nie jest zachowana masa (tak jak w mechanice klasycznej) zachowana jest jednak suma energii i materii, co jest zgodne z [[Równanie Einsteina|równaniem Einsteina]]:
:: <math>E=mc^2,</math>

gdzie:
: <math>E</math> – [[Energia (fizyka)|energia]],
: <math>m</math> – [[masa (fizyka)|masa]],
: <math>c</math> – [[prędkość światła]] w próżni.

Energia wydziela się w postaci [[Promieniowanie elektromagnetyczne|promieniowania elektromagnetycznego]] ([[promieniowanie gamma|gamma]]) oraz emisji cząstek (jąder helu, elektronów, protonów, neutronów i neutrin) często o dużych energiach. Proces rozpadu wielu jąder atomowych prowadzi do powstania [[promieniowanie jonizujące|promieniowania jonizującego]] o dużym natężeniu.

Przemiany jądrowe zapisuje się przez analogię do reakcji chemicznych np.
:: <math>^{24}_{11}\hbox{Na}\;\to\;^{24}_{12}\hbox{Mg} + e^- +\overline\nu_e.</math>

Jądro atomu [[sód|sodu]] o liczbie masowej 24 i liczbie atomowej 11 <math>(^{24}_{11}\hbox{Na})</math> przechodzi w jądro atomu [[magnez]]u o liczbie masowej 24 i liczbie atomowej 12 <math>(^{24}_{12}\hbox{Mg}),</math> przy czym zachodzi emisja elektronu <math>(e^-)</math> oraz antyneutrina elektronowego <math>(\overline\nu_e).</math>

== Efekty kwantowe ==
Jądra atomowe można w wielkim uproszczeniu traktować jako wirujące ciała naładowane elektrycznie. W kategoriach [[mechanika kwantowa|mechaniki kwantowej]] „wirowanie” to określa się terminem [[spin (fizyka)|spinu]] i opisuje przy pomocy rachunku [[tensor]]owego.

Jądra o parzystej liczbie atomowej mają w stanie podstawowym spin całkowity, a o nieparzystej połówkowy. Spin jąder o parzystej liczbie protonów i neutronów w stanie podstawowym jest równy zero. Jądra w stanie wzbudzonym mogą mieć spin większy od stanu podstawowego.

Opis pola magnetycznego jądra nie jest pełny, jeżeli nie uwzględni się jego własności kwantowych. W takiej sytuacji pole magnetyczne jądra staje się [[superpozycja|superpozycją]] wielu pól odpowiadającym poszczególnym stanom kwantowym. Duże znaczenie mają tu liczby neutronów i liczby protonów w jądrze. Jeżeli są one nieparzyste, to spin jądra staje się połówkowy.

Zgodnie z [[fizyka klasyczna|klasycznymi]] [[Równania Maxwella|prawami Maxwella]] obiekt tego typu generuje [[pole magnetyczne]]. Przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego powinno spowodować w takiej sytuacji ustawienie się wektora spinów jąder atomowych zgodnie z [[wektor]]em pola. Jednak spin jąder nie jest prostym wirowaniem mechanicznym, lecz złożonym zjawiskiem kwantowym, co powoduje, że jądra w polu magnetycznym ulegają zjawisku [[precesja|precesji]].

Orientacja biegunów pola magnetycznego dla jąder atomowych jest przeważnie przypadkowa. Gdy do jąder atomowych o spinie połówkowym przyłożymy zewnętrzne pole magnetyczne, to nie będą one mogły ustawić się, ani zgodnie z wektorem pola magnetycznego, ani w przeciwnym kierunku. Jądra ustawione niezgodnie z wektorem zewnętrznego pola magnetycznego, będą zajmować określone kwantowe stany energetyczne.

Jeżeli przyłożone pole magnetyczne oscyluje zgodnie z częstotliwością precesji, to jądra atomowe wzmacniają to pole, co prowadzi do zjawiska [[Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego|magnetycznego rezonansu jądrowego]], przydatnego w technikach analitycznych stosowanych w chemii i medycynie.

W kategoriach mechaniki kwantowej częstotliwość oscylacji pola magnetycznego określa energię tworzących je fotonów. Gdy ta energia będzie zgodna z różnicą kwantowych stanów energetycznych jąder, to ich pola magnetyczne będą przechodzić do stanu wzbudzonego. W stanie wzbudzonym superpozycja stanów kwantowych pól magnetycznych jądra doprowadzi do obrócenia się wynikowego wektora pola magnetycznego.

Przejście na wyższy poziom energetyczny, będzie oznaczać, że następnie jądra atomowe będą powracać do stanu podstawowego. Spowoduje to emisję fotonów. Ich energia będzie zgodna z fotonami wywołującymi pobudzenie. Oznaczać to będzie emisję takich samych fotonów, jak te wywołujące pobudzenie. Jeżeli energia fotonów zewnętrznego pola magnetycznego zostania odpowiednio dobrana do własności kwantowych jąder atomowych, to pojawi się zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego.

Może się wydawać, że opisy rezonansu jądrowego w mechanice klasycznej i kwantowej są skrajnie różnie. Jednak w większość przypadków obliczone na podstawie tych modeli zachowanie jąder atomowych jest podobne. W praktyce podczas pomiarów wykorzystuje się oba opisy matematyczne dla zwiększenia dokładności czujników.

Cząstki elementarne budujące jądro atomowe w fizyce kwantowej są opisywane czasami poprzez wartość [[izospin]]u. Według pewnych koncepcji neutron i proton to dwa warianty tej samej cząstki różniącej się właśnie izospinem. Jest to podejście analogiczne do traktowania spinu elektronów zajmujących różne powłoki w atomie.

== Pochodzenie jąder atomowych ==
Według teorii [[Wielki Wybuch|Wielkiego Wybuchu]] we [[wszechświat|Wszechświecie]] pierwotnie istniały tylko protony i neutrony. Jądra o [[liczba atomowa|l.a.]] ≤4, głównie [[wodór|deuter, tryt]] i [[Hel (pierwiastek)|hel]] oraz małe ilości [[lit]]u i [[Beryl (pierwiastek)|berylu]] [[Historia pierwiastków chemicznych|powstały bezpośrednio po Wielkim Wybuchu]] w procesie [[pierwotna nukleosynteza|pierwotnej nukleosyntezy]] zachodzącej przez pierwsze ~20 min istnienia Wszechświata<ref name="Coc">{{cytuj |autor = Alain Coc, Stéphane Goriely, Yi Xu, Matthias Saimpert, Elisabeth Vangioni |tytuł = Standard big bang nucleosynthesis up to CNO with an improved extended nuclear network |czasopismo = The Astrophysical Journal |numer= 2|s=art. nr 158 |wolumin = 744 |data = 2012 |doi = 10.1088/0004-637X/744/2/158|dostęp=o}}</ref>. Z pierwiastków tych powstały i nadal powstają pierwiastki cięższe. Ich źródła to głównie:
* [[Reakcja termojądrowa|reakcje syntezy jądrowej]] wewnątrz [[gwiazda|gwiazd]]
* [[supernowa|supernowe]].

Większość jąder atomowych o liczbie atomowej z zakresu 3–26 (tj. do [[żelazo|żelaza]] włącznie) powstaje w gwiazdach w trakcie ich powolnej ewolucji. Jądra żelaza, niklu i jądra o większej liczbie atomowej wytwarzane są w końcowych etapach życia gwiazd – podczas wybuchu supernowych ([[proces r]]) i w [[Gwiazda AGB|czerwonych olbrzymach typu AGB]] ([[proces s]]).

Od końca XX w. postuluje się jednak, że [[węgiel (pierwiastek)|węgiel]], [[azot]] i [[tlen]] („CNO”) także mogły powstać w trakcie pierwotnej nukleosyntezy, głównie w ciągu pierwszych 10 min po Wielkim Wybuchu{{r|Coc}}.

Wiedza na temat przemian jądrowych jest podstawą [[astrofizyka|astrofizyki]]. Dynamika reakcji jądrowych zachodzących w [[gwiazda]]ch decyduje o ich losie. Wiek gwiazdy oraz pochodzenie budującego ją materiału można określić na podstawie ilości zawartych w niej różnych rodzajów jąder atomowych. Gwiazdy przekształcają lżejsze jądra atomowe w cięższe, proces ten jest głównym źródłem energii gwiazd. Wysoka temperatura Słońce jest wynikiem syntezy helu z wodoru w jądrze gwiazdy.

W [[Gwiazda neutronowa|gwiazdach neutronowych]] [[grawitacja]] jest tak silna, że jądra atomów łączą się, tworząc jedną wielką strukturę neutronową.

Jądra wodoru (protony) oraz helu (czyli jony He<sup>2+</sup>) występują w stanie wolnym w kosmosie, a poruszające się z prędkością bliską '''[[Prędkość światła|c]]''' wchodzą w skład [[promieniowanie kosmiczne|promieniowania kosmicznego]].

== Zastosowania praktyczne ==
Jądra atomowe są używane w przyspieszaczach, np. [[Wielki Zderzacz Hadronów|LHC]] i badaniach i eksperymentach. Pozostałe opisy dotyczą użycia atomów, w których procesy zachodzące w jądrach mają określone znaczenie.

=== Energia termojądrowa ===
Prowadzone są prace wdrożeniowe z syntezą jądrowa. Nie są używane tam same jądra a plazma, czyli jądra atomowe i oderwane od nich elektrony. [[Plazma]] może być podgrzewana przez wstrzyknięcie samych jąder z akceleratora.

=== Energetyka jądrowa ===
[[Energetyka jądrowa]] pozwala na praktyczne wykorzystanie procesu rozpadu jąder atomowych. Uwolniona energia może służyć do rozgrzewania [[para wodna|pary]] napędzającej [[turbina|turbiny]]. W technice kosmicznej wykorzystuje się zasilacze izotopowe w [[sonda kosmiczna|sondach kosmicznych]] badających zewnętrzne planety [[Układ Słoneczny|Układu Słonecznego]]. Izotopy promieniotwórcze znalazły też zastosowanie w [[czujnik dymu|czujnikach dymu]].

=== Broń jądrowa ===
[[Plik:Atomic cloud over Hiroshima - NARA 542192 - Edit.jpg|mały|200px|Obłok dymu po wybuchu bomby atomowej nad [[Hiroszima|Hiroszimą]]]]
Zjawisko rozpadu jąder stosuje się również w [[broń jądrowa|broni jądrowej]], a zjawisko [[Reakcja termojądrowa|syntezy jądrowej]] jest podstawą działania [[Ładunek termojądrowy|bomby wodorowej]]. Pierwszy raz użyto broni jądrowej podczas [[II wojna światowa|II wojny światowej]]. Dnia [[6 sierpnia]] [[1945]] roku [[Stany Zjednoczone|USA]] zrzuciły bombę atomową na japońskie miasto [[Hiroszima|Hiroshima]]. W ułamku sekundy ponad 200-tysięczne miasto zostało zamienione w morze ruin. Zginęło ponad 80 tysięcy ludzi. Wielu innych przez całe lata walczyło ze skutkami [[choroba popromienna|choroby popromiennej]].

Wynalezienie broni atomowej doprowadziło po wojnie do wybuchu [[zimna wojna|zimnej wojny]]. USA i [[Związek Socjalistycznych Republik Radzieckich|ZSRR]] rozpoczęły budowę ogromnych arsenałów broni jądrowej. Do lat 70. wyprodukowano tyle głowic, że obie strony mogły zabić wszystkich swoich wrogów kilka razy. Reaktory jądrowe wykorzystano do budowy atomowych [[okręt podwodny|okrętów podwodnych]], które stały się kolejnym nośnikiem [[Broń masowego rażenia|broni masowej zagłady]]. W roku [[1962]] świat stanął najbliżej atomowej apokalipsy, kiedy ZSRR umieściło swoje głowice na [[Kuba|Kubie]]. Jednak [[Kryzys kubański|konflikt kubański]] udało się rozwiązać dzięki nawiązaniu współpracy pomiędzy prezydentem USA [[John F. Kennedy|Kennedym]] oraz premierem ZSRR [[Nikita Chruszczow|Chruszczowem]].

Gdy [[1991]] roku ZSRR się rozpadło, zimna wojna została zakończona. Jednak po tym gorącym okresie pozostały ogromne magazyny broni jądrowej. Kiedy [[11 września]] roku [[2001]] [[terroryzm|terroryści]] zniszczyli [[World Trade Center (1973–2001)|World Trade Center]] pojawiło się zagrożenie wykorzystaniem tych magazynów przez [[islam]]skich radykałów. [[Al-Ka’ida|Al Kaida]] podjęła wysiłki, aby zdobyć bomby atomowe lub choćby materiały radioaktywne. Przedstawiciele zachodnich krajów postanowili przeciwdziałać tym zamierzeniom. Obawiano się, że w europejskich czy amerykańskich miastach może znaleźć się ''[[brudna bomba]]'', która wywoła skażenie radioaktywne.

=== Medycyna nuklearna ===
W [[radioterapia|radioterapii]] wykorzystuje się promieniowanie wysyłane przez jądra atomowe do niszczenia komórek [[nowotwór|nowotworowych]]. Przykładem mogą być [[bomba kobaltowa|bomby kobaltowe]] wykorzystywane jako źródło [[promieniowanie gamma|promieniowania gamma]]. Najnowsza technika radioterapii opiera się na [[akcelerator cząstek|akceleratorach cząstek]]. Rozpędzają one cząstki elementarne naładowane elektrycznie bądź jony do prędkości podświetlnych. Tak wytworzona wiązka promieniowania może zostać skupiona na niewielkim fragmencie ciała, gdzie znajduje się nowotwór. Właściwości rozpędzonych jonów sprawiają, że możliwe jest ich przenikanie do głębiej położonych partii ciała, bez niszczenia warstw powierzchniowych.

W Polsce w [[Świerk (Otwock)|Świerku]] niedaleko [[Warszawa|Warszawy]] znajduje się [[Reaktor Maria|reaktor atomowy Maria]], który pozwala na wytwarzanie izotopów promieniotwórczych wykorzystywanych w [[medycyna|medycynie]].

=== Diagnostyka medyczna ===
[[Plik:Functional magnetic resonance imaging.jpg|mały|prawo|[[Funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego|fMRI]] – obraz mózgu]]
Techniki jądrowe wykorzystuje się w [[Diagnostyka medyczna|diagnostyce medycznej]]. Dziedzina nauki zajmująca się tego typu badaniami to [[radiologia]]. [[Izotopy]] promieniotwórcze mają szerokie zastosowania diagnostyczne oraz naukowe. Izotopy promieniotwórcze wprowadza się do badanego organizmu i mierzy się promieniowanie, w ten sposób można określić rozprzestrzenianie się danego pierwiastka w organizmie. Jeżeli teraz wykonany zostanie pomiar promieniowania poszczególnych partii ludzkiego ciała, można w ten sposób uzyskać obraz normalnie niewidocznych struktur anatomicznych.

Dodatkowo wykorzystanie promieniotwórczych znaczników pozwala na obrazowanie procesów [[fizjologia|fizjologicznych]] organizmu. Przykładem może być tutaj zawierająca izotop radioaktywny [[glukoza]]. Po jej podaniu cukier zbiera się w [[tkanka]]ch o największym [[metabolizm]]ie. Emitowane przez radioizotop [[pozyton]]y mogą być rejestrowane w odpowiednim czujniku. W ten sposób da się określić miejsce, gdzie znajduje się ognisko raka lub stwierdzić, jakimi czynnościami zajmuje się w tej chwili [[kresomózgowie]] pacjenta.

Najpopularniejsze metody diagnostyki medycznej oparte na technice jądrowej:
* [[tomografia komputerowa]] osiowa ([[język angielski|ang.]] ''computed tomography'', CT, ''computed axial tomography'', CAT),
* [[tomografia komputerowa wysokiej rozdzielczości]] (ang. ''high resolution computed tomography'', HRCT),
* [[spiralna tomografia komputerowa]] (ang. ''spiral computed tomography'', sCT),
* [[Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego|magnetyczny rezonans jądrowy]] (ang. ''nuclear magnetic resonance'' NMR, ''magnetic resonanse imaging'', MRI),
* [[pozytonowa tomografia emisyjna]] (ang. ''positron emission tomography'', PET).

Wykorzystanie wszystkich tych technik pozwala na szybkie i precyzyjne diagnozowanie wielu poważnych uszkodzeń organów wewnętrznych. Obserwacja fizjologii ludzkiego ciała przyczynia się też do postępu w badaniach nad człowiekiem. Dzięki możliwości „podglądania” ludzkiego mózgu podczas pracy naukowcy stają o krok bliżej do zrozumienia fenomenu [[Inteligencja (psychologia)|inteligencji]]. Z wyjątkiem magnetycznego rezonansu jądrowego każda z technik radiologicznych wiąże się z napromieniowaniem pacjenta. Oznacza to, że w przypadku kumulacji [[dawka|dawki]] promieniowania jonizującego mogą pojawić się skutki uboczne. Istnienie tych skutków ubocznych nie może być bagatelizowane, ale obecnie przeważa strach przed każdym rodzajem promieniowania nawet w najmniejszych dawkach, które są używane w diagnostyce.

=== Niebezpieczeństwa związane z technologiami jądrowymi ===
[[Plik:Radioactive.svg|mały|prawo|Znak ostrzegający przed skażeniem radioaktywnym]]
Ubocznym skutkiem wykorzystania technologii nuklearnej może się stać uwolnienie do [[środowisko przyrodnicze|środowiska naturalnego]] substancji zawierających nietrwałe jądra z materiałów w trakcie użycia, jak i [[odpady promieniotwórcze|odpadów promieniotwórczych]], powodując [[Skażenie promieniotwórcze|skażenie radioaktywne]] środowiska. Skażenie promieniotwórcze jest bardzo trudne do usunięcia, gdyż [[izotopy promieniotwórcze]] tylko bardzo nieznacznie różnią się fizycznie i chemicznie od izotopów trwałych. Podczas pracy reaktorów jądrowych powstają radioaktywne odpady. Odpady z elektrowni jądrowych są przetwarzane w specjalnych zakładach w celu odzyskania cennych izotopów, a pozostałości zostają złożone w [[mogilnik]]u, zapobiegającym wydostaniu się promieniotwórczych substancji do środowiska.

Podczas budowy pierwszej broni jądrowej, oraz przez cały okres jej gromadzenia, państwa posiadające głowice nuklearne dokonywały wielu prób tej broni. Próby te polegały zwykle na detonacji głowic próbnych w rozmaitych warunkach: pod ziemią, na powierzchni ziemi i w powietrzu, m.in. w [[stratosfera|stratosferze]]. Ubocznym efektem tych prób było uwolnienie do środowiska dużej ilości materiałów promieniotwórczych, jednak w skali całej planety wzrost promieniowania jonizującego wywołany przez próby nuklearne i awarie reaktorów jądrowych jest bardzo mały w stosunku do [[Promieniotwórczość naturalna|promieniowania naturalnego]]. Na przykład średnia roczna wartość promieniowania tła na obszarze Europy po awarii w Czarnobylu wzrosła o zaledwie 1%.

{{dopracować|sekcja|pov}}
Przetwarzanie odpadów radioaktywnych wywołuje w Europie bardzo burzliwe protesty ruchów „zielonych”. Podczas przewozu [[kontener (transport)|kontenerów]] z utylizowanym paliwem przez [[Niemcy]] więcej kosztuje organizacja kordonów policji broniącej konwój przed manifestantami, niż sam transport. W latach 80. w Polsce w [[Żarnowiec (województwo pomorskie)|Żarnowcu]] rozpoczęto budowę elektrowni jądrowej (zobacz więcej w art. [[Elektrownia Jądrowa Żarnowiec]]). Jednak protesty okolicznej ludności i „ekologów” spowodowały zarzucenie projektu. Poprawnie przeprowadzony proces utylizacji odpadów radioaktywnych nie powoduje skażenia środowiska. Więcej radioaktywnych odpadów emitują do otoczenia [[elektrownia cieplna|elektrownie węglowe]] niż jądrowe. Popiół ze spalania węgla zawiera duże ilości pierwiastków radioaktywnych, a pozostaje w naszym otoczeniu, także jako wypełniacz w materiałach budowlanych.

== Uwagi ==
{{Uwagi}}

== Przypisy ==
{{Przypisy}}

== Linki zewnętrzne ==
* {{cytuj |url = http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=PF_Modu%C5%82_19 |tytuł = Fizyka jądra atomowego |data dostępu = 2019-04-25 |autor = |opublikowany = wazniak.mimuw.edu.pl| data =2006}}

{{Modele atomów}}
{{Cząstki elementarne}}
{{Kontrola autorytatywna}}

[[Kategoria:Chemia jądrowa]]
[[Kategoria:Fizyka jądrowa]]