Badając skład materii, naukowcy doszli do wniosku, że cała materia składa się z cząsteczek i atomów. Przez długi czas atom (przetłumaczony z greckiego jako „niepodzielny”) był uważany za najmniejszą strukturalną jednostkę materii. Jednak dalsze badania wykazały, że atom ma złożoną strukturę i z kolei zawiera mniejsze cząstki.
Z czego zrobiony jest atom?
W 1911 roku naukowiec Rutherford zasugerował, że centralna część atomu ma ładunek dodatni. Tak po raz pierwszy pojawiła się koncepcja jądra atomowego.
Zgodnie ze schematem Rutherforda, zwanym modelem planetarnym, atom składa się z jądra i cząstek elementarnych o ładunku ujemnym - elektronów poruszających się wokół jądra, tak jak planety krążą wokół Słońca.
W 1932 inny naukowiec, Chadwick, odkrył neutron, cząstkę pozbawioną ładunku elektrycznego.
Według współczesnych koncepcji struktura jądra atomowego odpowiada modelowi planetarnemu zaproponowanemu przez Rutherforda. Jądro jest przenoszone wwiększość masy atomowej. Ma również ładunek dodatni. Jądro atomowe zawiera protony – dodatnio naładowane cząstki i neutrony – cząstki, które nie niosą ładunku. Protony i neutrony nazywane są nukleonami. Ujemnie naładowane cząstki - elektrony - krążą wokół jądra.
Liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów poruszających się po orbicie. Dlatego sam atom jest cząsteczką, która nie przenosi ładunku. Jeśli atom przechwytuje elektrony innych ludzi lub traci własne, staje się dodatni lub ujemny i jest nazywany jonem.
Elektrony, protony i neutrony są zbiorczo określane jako cząstki subatomowe.
Ładunek jądra atomowego
Jądro ma ładunek Z. Jest on określany przez liczbę protonów tworzących jądro atomowe. Ustalenie tej kwoty jest proste: wystarczy odwołać się do układu okresowego Mendelejewa. Liczba atomowa pierwiastka, do którego należy atom, jest równa liczbie protonów w jądrze. Tak więc, jeśli pierwiastek chemiczny tlen odpowiada numerowi seryjnemu 8, to liczba protonów również będzie równa ośmiu. Ponieważ liczba protonów i elektronów w atomie jest taka sama, będzie też osiem elektronów.
Liczba neutronów nazywana jest liczbą izotopową i jest oznaczona literą N. Ich liczba może się różnić w atomie tego samego pierwiastka chemicznego.
Suma protonów i elektronów w jądrze nazywana jest liczbą masową atomu i jest oznaczona literą A. Zatem wzór na obliczenie liczby masowej wygląda następująco: A=Z+N.
Izotopy
W przypadku, gdy pierwiastki mają równą liczbę protonów i elektronów, ale różną liczbę neutronów, nazywamy je izotopami pierwiastka chemicznego. Może być jeden lub więcej izotopów. Są one umieszczane w tej samej komórce układu okresowego.
Izotopy mają ogromne znaczenie w chemii i fizyce. Na przykład izotop wodoru - deuter - w połączeniu z tlenem daje zupełnie nową substancję, którą nazywamy ciężką wodą. Ma inną temperaturę wrzenia i zamarzania niż zwykle. A połączenie deuteru z innym izotopem wodoru - trytem prowadzi do reakcji fuzji termojądrowej i może być wykorzystane do wygenerowania ogromnej ilości energii.
Masa jądra i cząstek subatomowych
Wielkości i masy atomów i cząstek subatomowych są pomijalne w ludzkich koncepcjach. Wielkość ziaren wynosi około 10-12cm. Masę jądra atomowego mierzy się w fizyce w tak zwanych jednostkach masy atomowej - amu
Za jedną amu weź jedną dwunastą masy atomu węgla. Używając zwykłych jednostek miary (kilogramy i gramy), masę można wyrazić w następujący sposób: 1 w nocy=1, 660540 10-24g. Wyrażona w ten sposób, nazywana jest bezwzględną masą atomową.
Pomimo faktu, że jądro atomowe jest najbardziej masywnym składnikiem atomu, jego wymiary w stosunku do otaczającej je chmury elektronowej są niezwykle małe.
Siły jądrowe
Jądra atomowe są niezwykle stabilne. Oznacza to, że protony i neutrony są utrzymywane w jądrze przez pewne siły. Nie jestmogą istnieć siły elektromagnetyczne, ponieważ protony są podobnie naładowanymi cząstkami, a wiadomo, że cząstki o tym samym ładunku odpychają się nawzajem. Siły grawitacyjne są zbyt słabe, aby utrzymać razem nukleony. Dlatego cząstki są utrzymywane w jądrze przez inną interakcję - siły jądrowe.
Interakcja jądrowa jest uważana za najsilniejszą ze wszystkich istniejących w przyrodzie. Dlatego ten rodzaj interakcji między elementami jądra atomowego nazywa się silnym. Jest obecny w wielu cząstkach elementarnych, a także w siłach elektromagnetycznych.
Cechy sił jądrowych
- Krótka akcja. Siły jądrowe, w przeciwieństwie do sił elektromagnetycznych, pojawiają się tylko na bardzo małych odległościach porównywalnych z rozmiarem jądra.
- Szarżysz na niezależność. Cecha ta przejawia się w fakcie, że siły jądrowe działają jednakowo na protony i neutrony.
- Nasycenie. Nukleony jądra oddziałują tylko z określoną liczbą innych nukleonów.
Rdzeń energii wiązania
Kolejna rzecz jest ściśle związana z pojęciem oddziaływania silnego - energia wiązania jąder. Energia wiązania jądrowego to ilość energii potrzebna do rozszczepienia jądra atomowego na tworzące go nukleony. Jest równa energii potrzebnej do utworzenia jądra z pojedynczych cząstek.
Aby obliczyć energię wiązania jądra, konieczna jest znajomość masy cząstek subatomowych. Z obliczeń wynika, że masa jądra jest zawsze mniejsza niż suma tworzących go nukleonów. Wada masy to różnica międzymasa jądra i suma jego protonów i elektronów. Korzystając ze wzoru Einsteina na zależność między masą a energią (E=mc2), możesz obliczyć energię generowaną podczas formowania się jądra.
Siła energii wiązania jądra można ocenić na następującym przykładzie: tworzenie kilku gramów helu wytwarza tyle samo energii, co spalanie kilku ton węgla.
Reakcje jądrowe
Jądra atomów mogą oddziaływać z jądrami innych atomów. Takie interakcje nazywane są reakcjami jądrowymi. Istnieją dwa rodzaje reakcji.
- Reakcje rozszczepienia. Występują, gdy cięższe jądra rozpadają się na lżejsze w wyniku interakcji.
- Reakcje syntezy. Proces ten jest odwrotnością rozszczepienia: jądra zderzają się, tworząc w ten sposób cięższe pierwiastki.
Wszystkim reakcjom jądrowym towarzyszy uwolnienie energii, która jest następnie wykorzystywana w przemyśle, wojsku, energetyce i tak dalej.
Zapoznawszy się ze składem jądra atomowego, możemy wyciągnąć następujące wnioski.
- Atom składa się z jądra zawierającego protony i neutrony oraz elektrony wokół niego.
- Liczba masowa atomu jest równa sumie nukleonów w jego jądrze.
- Nuklony są utrzymywane razem przez potężną siłę.
- Ogromne siły, które utrzymują stabilność jądra atomowego, nazywane są energiami wiązania jądra.
