Μελετώντας τη σύνθεση της ύλης, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι όλη η ύλη αποτελείται από μόρια και άτομα. Για πολύ καιρό, το άτομο (μεταφρασμένο από τα ελληνικά ως «αδιαίρετο») θεωρούνταν η μικρότερη δομική μονάδα της ύλης. Ωστόσο, περαιτέρω μελέτες έχουν δείξει ότι το άτομο έχει πολύπλοκη δομή και, με τη σειρά του, περιλαμβάνει μικρότερα σωματίδια.
Από τι αποτελείται ένα άτομο;
Το 1911, ο επιστήμονας Rutherford πρότεινε ότι το άτομο έχει ένα κεντρικό τμήμα που έχει θετικό φορτίο. Έτσι εμφανίστηκε για πρώτη φορά η έννοια του ατομικού πυρήνα.
Σύμφωνα με το σχήμα του Rutherford, που ονομάζεται πλανητικό μοντέλο, ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και στοιχειώδη σωματίδια με αρνητικό φορτίο - ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω από τον πυρήνα, ακριβώς όπως οι πλανήτες περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο.
Το 1932, ένας άλλος επιστήμονας, ο Chadwick, ανακάλυψε το νετρόνιο, ένα σωματίδιο που δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο.
Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις, η δομή του ατομικού πυρήνα αντιστοιχεί στο πλανητικό μοντέλο που πρότεινε ο Ράδερφορντ. Ο πυρήνας μεταφέρεται μέσατο μεγαλύτερο μέρος της ατομικής μάζας. Έχει και θετικό φορτίο. Ο ατομικός πυρήνας περιέχει πρωτόνια - θετικά φορτισμένα σωματίδια και νετρόνια - σωματίδια που δεν φέρουν φορτίο. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ονομάζονται νουκλεόνια. Αρνητικά φορτισμένα σωματίδια - ηλεκτρόνια - περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα.
Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που κινούνται σε τροχιά. Επομένως, το ίδιο το άτομο είναι ένα σωματίδιο που δεν φέρει φορτίο. Εάν ένα άτομο συλλάβει τα ηλεκτρόνια άλλων ανθρώπων ή χάσει τα δικά του, τότε γίνεται θετικό ή αρνητικό και ονομάζεται ιόν.
Τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια αναφέρονται συλλογικά ως υποατομικά σωματίδια.
Το φορτίο του ατομικού πυρήνα
Ο πυρήνας έχει αριθμό φορτίου Z. Καθορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων που συνθέτουν τον ατομικό πυρήνα. Η εύρεση αυτού του ποσού είναι απλή: απλώς ανατρέξτε στο περιοδικό σύστημα του Mendeleev. Ο ατομικός αριθμός του στοιχείου στο οποίο ανήκει ένα άτομο είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα. Έτσι, εάν το χημικό στοιχείο οξυγόνο αντιστοιχεί στον αύξοντα αριθμό 8, τότε ο αριθμός των πρωτονίων θα είναι επίσης ίσος με οκτώ. Δεδομένου ότι ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι ο ίδιος, θα υπάρχουν επίσης οκτώ ηλεκτρόνια.
Ο αριθμός των νετρονίων ονομάζεται ισοτοπικός αριθμός και συμβολίζεται με το γράμμα Ν. Ο αριθμός τους μπορεί να ποικίλλει σε ένα άτομο του ίδιου χημικού στοιχείου.
Το άθροισμα των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων στον πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός ενός ατόμου και συμβολίζεται με το γράμμα A. Έτσι, ο τύπος για τον υπολογισμό του μαζικού αριθμού μοιάζει με αυτό: A=Z+N.
Ισότοπα
Στην περίπτωση που τα στοιχεία έχουν ίσο αριθμό πρωτονίων και ηλεκτρονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων, ονομάζονται ισότοπα ενός χημικού στοιχείου. Μπορεί να υπάρχουν ένα ή περισσότερα ισότοπα. Τοποθετούνται στο ίδιο κελί του περιοδικού συστήματος.
Τα ισότοπα έχουν μεγάλη σημασία στη χημεία και τη φυσική. Για παράδειγμα, ένα ισότοπο υδρογόνου - το δευτέριο - σε συνδυασμό με το οξυγόνο δίνει μια εντελώς νέα ουσία, η οποία ονομάζεται βαρύ νερό. Έχει διαφορετικό σημείο βρασμού και πήξης από το συνηθισμένο. Και ο συνδυασμός του δευτερίου με ένα άλλο ισότοπο υδρογόνου - τριτίου οδηγεί σε μια αντίδραση θερμοπυρηνικής σύντηξης και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία τεράστιας ποσότητας ενέργειας.
Μάζα του πυρήνα και των υποατομικών σωματιδίων
Τα μεγέθη και οι μάζες των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων είναι αμελητέα στις ανθρώπινες έννοιες. Το μέγεθος των πυρήνων είναι περίπου 10-12cm. Η μάζα ενός ατομικού πυρήνα μετριέται στη φυσική στις λεγόμενες μονάδες ατομικής μάζας - amu
Για ένα amu πάρτε το ένα δωδέκατο της μάζας ενός ατόμου άνθρακα. Χρησιμοποιώντας τις συνήθεις μονάδες μέτρησης (κιλά και γραμμάρια), η μάζα μπορεί να εκφραστεί ως εξής: 1 π.μ.=1, 660540 10-24g. Εκφρασμένο με αυτόν τον τρόπο, ονομάζεται απόλυτη ατομική μάζα.
Παρά το γεγονός ότι ο ατομικός πυρήνας είναι το πιο μαζικό συστατικό του ατόμου, οι διαστάσεις του σε σχέση με το νέφος ηλεκτρονίων που τον περιβάλλει είναι εξαιρετικά μικρές.
Πυρηνικές Δυνάμεις
Οι ατομικοί πυρήνες είναι εξαιρετικά σταθεροί. Αυτό σημαίνει ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια συγκρατούνται στον πυρήνα από κάποιες δυνάμεις. Δεν είναιμπορεί να υπάρχουν ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, καθώς τα πρωτόνια είναι σωματίδια όμοια φορτισμένα και είναι γνωστό ότι τα σωματίδια με το ίδιο φορτίο απωθούν το ένα το άλλο. Οι βαρυτικές δυνάμεις είναι πολύ αδύναμες για να συγκρατήσουν τα νουκλεόνια μαζί. Επομένως, τα σωματίδια συγκρατούνται στον πυρήνα από μια διαφορετική αλληλεπίδραση - πυρηνικές δυνάμεις.
Η πυρηνική αλληλεπίδραση θεωρείται η ισχυρότερη από όλες τις υπάρχουσες στη φύση. Επομένως, αυτός ο τύπος αλληλεπίδρασης μεταξύ των στοιχείων του ατομικού πυρήνα ονομάζεται ισχυρός. Υπάρχει σε πολλά στοιχειώδη σωματίδια, καθώς και σε ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις.
Χαρακτηριστικά των πυρηνικών δυνάμεων
- Σύντομη δράση. Οι πυρηνικές δυνάμεις, σε αντίθεση με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, εκδηλώνονται μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις συγκρίσιμες με το μέγεθος του πυρήνα.
- Ανεξαρτησία χρέωσης. Αυτό το χαρακτηριστικό εκδηλώνεται στο γεγονός ότι οι πυρηνικές δυνάμεις δρουν εξίσου στα πρωτόνια και τα νετρόνια.
- Κορεσμός. Τα νουκλεόνια του πυρήνα αλληλεπιδρούν μόνο με έναν ορισμένο αριθμό άλλων νουκλεονίων.
Ενέργεια δέσμευσης πυρήνα
Ένα άλλο πράγμα συνδέεται στενά με την έννοια της ισχυρής αλληλεπίδρασης - η δεσμευτική ενέργεια των πυρήνων. Η ενέργεια πυρηνικής δέσμευσης είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να χωριστεί ένας ατομικός πυρήνας στα νουκλεόνια που τον αποτελούν. Είναι ίση με την ενέργεια που απαιτείται για να σχηματιστεί ένας πυρήνας από μεμονωμένα σωματίδια.
Για να υπολογίσουμε την ενέργεια δέσμευσης ενός πυρήνα, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τη μάζα των υποατομικών σωματιδίων. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η μάζα ενός πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από το άθροισμα των νουκλεονίων που τον αποτελούν. Το μαζικό ελάττωμα είναι η διαφορά μεταξύτη μάζα του πυρήνα και το άθροισμα των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων του. Χρησιμοποιώντας τον τύπο του Αϊνστάιν σχετικά με τη σχέση μεταξύ μάζας και ενέργειας (E=mc2), μπορείτε να υπολογίσετε την ενέργεια που παράγεται κατά τον σχηματισμό του πυρήνα.
Η ισχύς της ενέργειας δέσμευσης του πυρήνα μπορεί να κριθεί από το ακόλουθο παράδειγμα: ο σχηματισμός πολλών γραμμαρίων ηλίου παράγει τόση ενέργεια όση η καύση αρκετών τόνων άνθρακα.
Πυρηνικές αντιδράσεις
Οι πυρήνες των ατόμων μπορούν να αλληλεπιδράσουν με τους πυρήνες άλλων ατόμων. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις ονομάζονται πυρηνικές αντιδράσεις. Υπάρχουν δύο τύποι αντιδράσεων.
- Αντιδράσεις σχάσης. Εμφανίζονται όταν οι βαρύτεροι πυρήνες διασπώνται σε ελαφρύτερους ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης.
- Αντιδράσεις σύνθεσης. Η διαδικασία είναι το αντίστροφο της σχάσης: οι πυρήνες συγκρούονται, σχηματίζοντας έτσι βαρύτερα στοιχεία.
Όλες οι πυρηνικές αντιδράσεις συνοδεύονται από την απελευθέρωση ενέργειας, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται στη βιομηχανία, στον στρατό, στην ενέργεια κ.ο.κ.
Γνωρίζοντας τη σύνθεση του ατομικού πυρήνα, μπορούμε να βγάλουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα.
- Το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια και ηλεκτρόνια γύρω του.
- Ο μαζικός αριθμός ενός ατόμου είναι ίσος με το άθροισμα των νουκλεονίων του πυρήνα του.
- Τα νουκλόνια συγκρατούνται μαζί από την ισχυρή δύναμη.
- Οι τεράστιες δυνάμεις που διατηρούν τον ατομικό πυρήνα σταθερό ονομάζονται ενέργειες πυρηνικής δέσμευσης.
