Το όνομα "άτομο" μεταφράζεται από τα ελληνικά ως "αδιαίρετο". Τα πάντα γύρω μας - στερεά, υγρά και αέρας - είναι φτιαγμένα από δισεκατομμύρια από αυτά τα σωματίδια.
Η εμφάνιση της έκδοσης για το άτομο
Τα άτομα έγιναν για πρώτη φορά γνωστά τον 5ο αιώνα π. Χ., όταν ο Έλληνας φιλόσοφος Δημόκριτος πρότεινε ότι η ύλη αποτελείται από κινούμενα μικροσκοπικά σωματίδια. Τότε όμως δεν ήταν δυνατό να ελεγχθεί η εκδοχή της ύπαρξής τους. Και παρόλο που κανείς δεν μπορούσε να δει αυτά τα σωματίδια, η ιδέα συζητήθηκε, επειδή ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες μπορούσαν να εξηγήσουν τις διαδικασίες που συμβαίνουν στον πραγματικό κόσμο. Επομένως, πίστευαν στην ύπαρξη μικροσωματιδίων πολύ πριν μπορέσουν να αποδείξουν αυτό το γεγονός.
Μόνο τον 19ο αιώνα. άρχισαν να αναλύονται ως τα μικρότερα συστατικά χημικών στοιχείων, που έχουν τις ειδικές ιδιότητες των ατόμων - την ικανότητα να εισέρχονται σε ενώσεις με άλλους σε μια αυστηρά καθορισμένη ποσότητα. Στις αρχές του 20ου αιώνα, πίστευαν ότι τα άτομα ήταν τα μικρότερα σωματίδια ύλης, μέχρι που αποδείχθηκε ότι αποτελούνταν από ακόμη μικρότερες μονάδες.
Από τι αποτελείται ένα χημικό στοιχείο;
Το άτομο ενός χημικού στοιχείου είναι ένα μικροσκοπικό δομικό στοιχείο της ύλης. Το μοριακό βάρος του ατόμου έχει γίνει το καθοριστικό χαρακτηριστικό αυτού του μικροσωματιδίου. Μόνο η ανακάλυψη του περιοδικού νόμου του Mendeleev τεκμηρίωσε ότι οι τύποι τους είναι διάφορες μορφές μιας και μόνο ύλης. Είναι τόσο μικρά που δεν φαίνονται με συνηθισμένα μικροσκόπια, παρά μόνο με τις πιο ισχυρές ηλεκτρονικές συσκευές. Σε σύγκριση, μια τρίχα σε ένα ανθρώπινο χέρι είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο φαρδιά.
Η ηλεκτρονική δομή ενός ατόμου έχει έναν πυρήνα, που αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια, καθώς και ηλεκτρόνια, τα οποία κάνουν περιστροφές γύρω από το κέντρο σε σταθερές τροχιές, όπως οι πλανήτες γύρω από τα αστέρια τους. Όλα συγκρατούνται μαζί με ηλεκτρομαγνητική δύναμη, μια από τις τέσσερις κύριες δυνάμεις στο σύμπαν. Τα νετρόνια είναι σωματίδια με ουδέτερο φορτίο, τα πρωτόνια είναι προικισμένα με θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια με αρνητικό. Τα τελευταία έλκονται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια, επομένως τείνουν να παραμένουν σε τροχιά.
Δομή ατόμου
Στο κεντρικό τμήμα υπάρχει ένας πυρήνας που γεμίζει το ελάχιστο μέρος ολόκληρου του ατόμου. Όμως οι μελέτες δείχνουν ότι σχεδόν ολόκληρη η μάζα (99,9%) βρίσκεται σε αυτό. Κάθε άτομο περιέχει πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια. Ο αριθμός των περιστρεφόμενων ηλεκτρονίων σε αυτό είναι ίσος με το θετικό κεντρικό φορτίο. Τα σωματίδια με το ίδιο πυρηνικό φορτίο Ζ, αλλά διαφορετική ατομική μάζα Α και τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα Ν ονομάζονται ισότοπα και με το ίδιο Α και διαφορετικά Ζ και Ν ονομάζονται ισοβαρή. Το ηλεκτρόνιο είναι το μικρότερο σωματίδιο της ύλης με αρνητικόηλεκτρικό φορτίο e=1,6 10-19 coulomb. Το φορτίο ενός ιόντος καθορίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που χάνονται ή αποκτώνται. Η διαδικασία μεταμόρφωσης ενός ουδέτερου ατόμου σε φορτισμένο ιόν ονομάζεται ιονισμός.
Νέα έκδοση του μοντέλου ατόμου
Οι φυσικοί έχουν ανακαλύψει πολλά άλλα στοιχειώδη σωματίδια μέχρι σήμερα. Η ηλεκτρονική δομή του ατόμου έχει μια νέα έκδοση.
Πιστεύεται ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια, ανεξάρτητα από το πόσο μικρά είναι, αποτελούνται από τα μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Αποτελούν ένα νέο μοντέλο για την κατασκευή του ατόμου. Καθώς οι επιστήμονες συνήθιζαν να συλλέγουν στοιχεία για την ύπαρξη του προηγούμενου μοντέλου, σήμερα προσπαθούν να αποδείξουν την ύπαρξη κουάρκ.
RTM είναι η συσκευή του μέλλοντος
Οι σύγχρονοι επιστήμονες μπορούν να δουν ατομικά σωματίδια μιας ουσίας σε μια οθόνη υπολογιστή, καθώς και να τα μετακινήσουν στην επιφάνεια χρησιμοποιώντας ένα ειδικό εργαλείο που ονομάζεται μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (RTM).
Πρόκειται για ένα ηλεκτρονικό εργαλείο με μύτη που κινείται πολύ απαλά κοντά στην επιφάνεια του υλικού. Καθώς το άκρο κινείται, τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από το διάκενο μεταξύ του άκρου και της επιφάνειας. Αν και το υλικό φαίνεται απόλυτα λείο, στην πραγματικότητα είναι ανομοιόμορφο σε ατομικό επίπεδο. Ο υπολογιστής φτιάχνει έναν χάρτη της επιφάνειας της ύλης, δημιουργώντας μια εικόνα των σωματιδίων της, και έτσι οι επιστήμονες μπορούν να δουν τις ιδιότητες του ατόμου.
Ραδιενεργά σωματίδια
Αρνητικά φορτισμένα ιόντα κυκλώνουν γύρω από τον πυρήνα σε αρκετά μεγάλη απόσταση. Η δομή ενός ατόμου είναι τέτοια που είναι ολόκληροείναι πραγματικά ουδέτερο και δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο επειδή όλα τα σωματίδια του (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια) βρίσκονται σε ισορροπία.
Ένα ραδιενεργό άτομο είναι ένα στοιχείο που μπορεί εύκολα να διαχωριστεί. Το κέντρο του αποτελείται από πολλά πρωτόνια και νετρόνια. Η μόνη εξαίρεση είναι το διάγραμμα του ατόμου του υδρογόνου, το οποίο έχει ένα μοναδικό πρωτόνιο. Ο πυρήνας περιβάλλεται από ένα σύννεφο ηλεκτρονίων, είναι η έλξη τους που τα κάνει να περιστρέφονται γύρω από το κέντρο. Πρωτόνια με το ίδιο φορτίο απωθούνται μεταξύ τους.
Αυτό δεν είναι πρόβλημα για τα περισσότερα μικρά σωματίδια που έχουν πολλά από αυτά. Αλλά μερικά από αυτά είναι ασταθή, ειδικά μεγάλα όπως το ουράνιο, το οποίο έχει 92 πρωτόνια. Μερικές φορές το κέντρο του δεν αντέχει τέτοιο φορτίο. Ονομάζονται ραδιενεργά επειδή εκπέμπουν πολλά σωματίδια από τον πυρήνα τους. Αφού ο ασταθής πυρήνας έχει απαλλαγεί από τα πρωτόνια, τα υπόλοιπα πρωτόνια σχηματίζουν μια νέα κόρη. Μπορεί να είναι σταθερό ανάλογα με τον αριθμό των πρωτονίων στον νέο πυρήνα ή μπορεί να διαιρεθεί περαιτέρω. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται έως ότου παραμείνει ένας σταθερός πυρήνας.
Ιδιότητες των ατόμων
Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες ενός ατόμου αλλάζουν φυσικά από το ένα στοιχείο στο άλλο. Ορίζονται από τις ακόλουθες κύριες παραμέτρους.
Ατομική μάζα. Δεδομένου ότι η κύρια θέση των μικροσωματιδίων καταλαμβάνεται από πρωτόνια και νετρόνια, το άθροισμά τους καθορίζει τον αριθμό, ο οποίος εκφράζεται σε μονάδες ατομικής μάζας (amu) Τύπος: A=Z + N.
Ατομική ακτίνα. Η ακτίνα εξαρτάται από τη θέση του στοιχείου στο σύστημα Mendeleev, χημικόδεσμούς, αριθμό γειτονικών ατόμων και κβαντομηχανική δράση. Η ακτίνα του πυρήνα είναι εκατό χιλιάδες φορές μικρότερη από την ακτίνα του ίδιου του στοιχείου. Η δομή ενός ατόμου μπορεί να χάσει ηλεκτρόνια και να γίνει θετικό ιόν ή να προσθέσει ηλεκτρόνια και να γίνει αρνητικό ιόν.
Στο περιοδικό σύστημα του Mendeleev, κάθε χημικό στοιχείο παίρνει την καθορισμένη θέση του. Στον πίνακα, το μέγεθος ενός ατόμου αυξάνεται καθώς μετακινείστε από πάνω προς τα κάτω και μειώνεται καθώς μετακινείστε από αριστερά προς τα δεξιά. Από αυτό, το μικρότερο στοιχείο είναι το ήλιο και το μεγαλύτερο είναι το καίσιο.
Valency. Το εξωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων ενός ατόμου ονομάζεται κέλυφος σθένους και τα ηλεκτρόνια σε αυτό έχουν λάβει το αντίστοιχο όνομα - ηλεκτρόνια σθένους. Ο αριθμός τους καθορίζει πώς ένα άτομο συνδέεται με τα άλλα μέσω ενός χημικού δεσμού. Με τη μέθοδο δημιουργίας του τελευταίου μικροσωματιδίου, προσπαθούν να γεμίσουν τα εξωτερικά κελύφη σθένους.
Η βαρύτητα, η έλξη είναι η δύναμη που κρατά τους πλανήτες σε τροχιά, εξαιτίας της οποίας τα αντικείμενα που απελευθερώνονται από τα χέρια πέφτουν στο πάτωμα. Ένα άτομο παρατηρεί περισσότερο τη βαρύτητα, αλλά η ηλεκτρομαγνητική δράση είναι πολλές φορές πιο ισχυρή. Η δύναμη που έλκει (ή απωθεί) φορτισμένα σωματίδια σε ένα άτομο είναι 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 φορές πιο ισχυρή από τη βαρύτητα σε αυτό. Αλλά υπάρχει μια ακόμη ισχυρότερη δύναμη στο κέντρο του πυρήνα που μπορεί να συγκρατήσει πρωτόνια και νετρόνια μαζί.
Οι αντιδράσεις στους πυρήνες δημιουργούν ενέργεια όπως στους πυρηνικούς αντιδραστήρες όπου τα άτομα χωρίζονται. Όσο πιο βαρύ είναι το στοιχείο, τόσο περισσότερα σωματίδια είναι κατασκευασμένα τα άτομά του. Αν αθροίσουμε τον συνολικό αριθμό πρωτονίων και νετρονίων σε ένα στοιχείο, θα το ανακαλύψουμεμάζα. Για παράδειγμα, το ουράνιο, το βαρύτερο στοιχείο που βρίσκεται στη φύση, έχει ατομική μάζα 235 ή 238.
Διαίρεση ενός ατόμου σε επίπεδα
Τα ενεργειακά επίπεδα ενός ατόμου είναι το μέγεθος του χώρου γύρω από τον πυρήνα, όπου το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε κίνηση. Υπάρχουν συνολικά 7 τροχιακά, που αντιστοιχούν στον αριθμό των περιόδων στον περιοδικό πίνακα. Όσο πιο μακριά είναι η θέση του ηλεκτρονίου από τον πυρήνα, τόσο πιο σημαντικό απόθεμα ενέργειας έχει. Ο αριθμός περιόδου δείχνει τον αριθμό των ατομικών τροχιακών γύρω από τον πυρήνα του. Για παράδειγμα, το Κάλιο είναι στοιχείο της 4ης περιόδου, που σημαίνει ότι έχει 4 ενεργειακά επίπεδα του ατόμου. Ο αριθμός ενός χημικού στοιχείου αντιστοιχεί στο φορτίο του και στον αριθμό των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα.
Το άτομο είναι πηγή ενέργειας
Πιθανώς η πιο διάσημη επιστημονική φόρμουλα ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό φυσικό Αϊνστάιν. Ισχυρίζεται ότι η μάζα δεν είναι παρά μια μορφή ενέργειας. Με βάση αυτή τη θεωρία, είναι δυνατό να μετατραπεί η ύλη σε ενέργεια και να υπολογιστεί με τον τύπο πόσο από αυτήν μπορεί να ληφθεί. Το πρώτο πρακτικό αποτέλεσμα αυτού του μετασχηματισμού ήταν οι ατομικές βόμβες, οι οποίες δοκιμάστηκαν αρχικά στην έρημο του Λος Άλαμος (ΗΠΑ) και στη συνέχεια εξερράγησαν πάνω από ιαπωνικές πόλεις. Και παρόλο που μόνο το ένα έβδομο του εκρηκτικού μετατράπηκε σε ενέργεια, η καταστροφική δύναμη της ατομικής βόμβας ήταν τρομερή.
Για να απελευθερώσει ο πυρήνας την ενέργειά του, πρέπει να καταρρεύσει. Για να το χωρίσετε, είναι απαραίτητο να ενεργήσετε με ένα νετρόνιο από έξω. Στη συνέχεια, ο πυρήνας διασπάται σε δύο άλλους, ελαφρύτερους, ενώ παρέχει μια τεράστια απελευθέρωση ενέργειας. Η διάσπαση οδηγεί στην απελευθέρωση άλλων νετρονίων,και συνεχίζουν να διασπούν άλλους πυρήνες. Η διαδικασία μετατρέπεται σε αλυσιδωτή αντίδραση, με αποτέλεσμα μια τεράστια ποσότητα ενέργειας.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης πυρηνικής αντίδρασης στην εποχή μας
Καταστροφική δύναμη, την οποία απελευθερώνεται κατά τη μεταμόρφωση της ύλης, η ανθρωπότητα προσπαθεί να τιθασεύσει στους πυρηνικούς σταθμούς. Εδώ, η πυρηνική αντίδραση δεν λαμβάνει χώρα με τη μορφή έκρηξης, αλλά ως σταδιακή απελευθέρωση θερμότητας.
Η παραγωγή ατομικής ενέργειας έχει τα θετικά και τα αρνητικά της. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, για να διατηρήσουμε τον πολιτισμό μας σε υψηλό επίπεδο, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσουμε αυτή την τεράστια πηγή ενέργειας. Αλλά πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι ακόμη και οι πιο σύγχρονες εξελίξεις δεν μπορούν να εγγυηθούν την πλήρη ασφάλεια των πυρηνικών σταθμών. Επιπλέον, τα ραδιενεργά απόβλητα που παράγονται κατά την παραγωγή ενέργειας, εάν αποθηκευτούν ακατάλληλα, μπορούν να επηρεάσουν τους απογόνους μας για δεκάδες χιλιάδες χρόνια.
Μετά το ατύχημα στον πυρηνικό σταθμό του Τσερνομπίλ, όλο και περισσότεροι άνθρωποι θεωρούν ότι η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας είναι πολύ επικίνδυνη για την ανθρωπότητα. Ο μόνος ασφαλής σταθμός ηλεκτροπαραγωγής αυτού του είδους είναι ο Ήλιος με την τεράστια πυρηνική του ενέργεια. Οι επιστήμονες αναπτύσσουν κάθε είδους μοντέλα ηλιακών κυψελών και ίσως στο εγγύς μέλλον, η ανθρωπότητα θα μπορέσει να εφοδιαστεί με ασφαλή ατομική ενέργεια.
