How big is Ядро урану?
12 фемтометрів!
Ядро урану — це центр атома урану. Воно містить 92 протони і, в урані-238, найпоширенішому різновиді, 146 нейтронів. Воно має в поперечнику близько 12 фемтометрів; цей розмір визначають як подвоєний зарядовий радіус, тобто середній радіус електричного заряду ядра. Фемтометр — це мільйонна частка мільярдної частки метра (10−15 метра).
Розмір
Ядро не має чіткої межі, тому його розмір подають як зарядовий радіус. Для урану-238 таблиця ядерних радіусів, яку веде Міжнародне агентство з атомної енергії (МАГАТЕ), дає 5,857 фемтометра, і це значення відоме з точністю, кращою за 0,1%. Отже, ядро має в поперечнику 11,7 фемтометра. Уран-235, у якого на три нейтрони менше, зовсім трохи менший: 11,67 фемтометра в поперечнику.
Ядро урану містить набагато більше нейтронів, ніж протонів. Протони відштовхують один одного своїм електричним зарядом, а всі протони й нейтрони притягують найближчих сусідів завдяки сильній ядерній взаємодії. У важкому ядрі зайві нейтрони потрібні, щоб електричне відштовхування не розірвало його.
Порівняння розмірів
- Ядро урану-238 приблизно у 7 разів ширше за окремий протон, який має в поперечнику близько 1,7 фемтометра, хоча воно містить 238 протонів і нейтронів.
- Воно приблизно у 3,5 раза ширше за ядро гелію, яке має в поперечнику близько 3,4 фемтометра, але ядро урану містить приблизно у 60 разів більше частинок.
- Якби ядро урану збільшили до розміру баскетбольного м’яча, протон у тому самому масштабі мав би в поперечнику близько 3,4 сантиметра, тобто приблизно половину ширини тенісного м’яча.
- Атом водню, який має в поперечнику близько 0,1 нанометра, приблизно у 9 000 разів ширший за ядро урану. Нанометр — це мільярдна частка метра.
Дуже повільний розпад
Уран-238 радіоактивний, але розпадається надзвичайно повільно. Його період напіврозпаду — час, за який розпадається половина зразка, — становить 4,47 мільярда років. Землі близько 4,54 мільярда років, тож приблизно половина урану-238, з яким утворилася Земля, є на ній досі.
Уран-238 розпадається, випускаючи альфа-частинку, тобто ядро гелію. Далі йде ланцюжок наступних розпадів, що завершується свинцем-206. Геологи користуються цим ланцюжком і подібним, що починається з урану-235, щоб вимірювати вік гірських порід і самої Землі.
Поділ урану
Уран-235 становить близько 0,72% природного урану. Його ядра легко діляться, коли в них влучає нейтрон. Кожен поділ вивільняє енергію та нові нейтрони, які можуть розділити інші ядра в ланцюговій реакції. Атомні електростанції в Сполучених Штатах контролюють цю реакцію, щоб отримувати тепло для виробництва електроенергії, і використовують паливо, збагачене до 3–5% урану-235.
Джерела
- Nuclear Charge Radii. International Atomic Energy Agency, 2013.
- Live Chart of Nuclides: uranium-238 ground state. International Atomic Energy Agency.
- Uranium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- Age of the Earth. U.S. Geological Survey, 2007.
- Nuclear explained. U.S. Energy Information Administration.
- The nuclear fuel cycle. U.S. Energy Information Administration.
- Proton rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Bohr radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
- Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.
- Rules of Tennis 2026. International Tennis Federation, 2026.