Τα μέσα του περασμένου αιώνα σηματοδότησε τη γέννηση μιας νέας εποχής στην ιστορία της ανθρωπότητας. Η Εποχή του Λίθου κάποτε αντικαταστάθηκε από την Εποχή του Χαλκού και μετά ακολούθησαν διαδοχικά οι περίοδοι της βασιλείας του σιδήρου, του ατμού και του ηλεκτρισμού. Είμαστε τώρα στην αρχή της εποχής του ατόμου. Ακόμη και η πιο επιφανειακή γνώση στον τομέα της δομής του ατομικού πυρήνα ανοίγει πρωτοφανείς ορίζοντες για την ανθρωπότητα.
Τι γνωρίζουμε για τον ατομικό πυρήνα; Το γεγονός ότι αποτελεί το 99,99% της μάζας ολόκληρου του ατόμου και αποτελείται από σωματίδια που συνήθως ονομάζονται νουκλεόνια. Τι είναι τα νουκλεόνια, πόσα από αυτά, τι είναι, τώρα κάθε μαθητής λυκείου που έχει σταθερά τέσσερα στη φυσική ξέρει.
Πώς φανταζόμαστε τη δομή του ατόμου
Δυστυχώς, δεν θα εμφανιστεί σύντομα μια τεχνική που σας επιτρέπει να δείτε τα σωματίδια που αποτελούν ένα άτομο, έναν ατομικό πυρήνα. Υπάρχουν χιλιάδες ερωτήματα σχετικά με το πώς είναι διατεταγμένη η ύλη, και υπάρχουν επίσης πολλές θεωρίες για τη δομή των στοιχειωδών σωματιδίων. Μέχρι σήμερα, η θεωρία ότιαπαντά στις περισσότερες ερωτήσεις, είναι το πλανητικό μοντέλο της δομής του ατόμου.
Σύμφωνα με αυτό, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα, που συγκρατείται από ηλεκτρική έλξη. Τι είναι τα νουκλεόνια; Το γεγονός είναι ότι ο πυρήνας δεν είναι μονολιθικός, αποτελείται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και νετρόνια - σωματίδια με μηδενικό φορτίο. Αυτά είναι τα σωματίδια από τα οποία κατασκευάζεται ο ατομικός πυρήνας και συνηθίζεται να τα ονομάζουμε νουκλεόνια.
Από πού προήλθε αυτή η θεωρία, αν τα σωματίδια είναι τόσο μικρά; Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα σχετικά με την πλανητική δομή του ατόμου κατευθύνοντας δέσμες από διάφορα μικροσωματίδια στις πιο λεπτές μεταλλικές πλάκες.
Ποιες είναι οι διαστάσεις του
Η γνώση για τη δομή του ατόμου δεν θα είναι πλήρης αν δεν φανταστείτε τα στοιχεία του σε κλίμακα. Ο πυρήνας είναι εξαιρετικά μικρός, ακόμη και σε σύγκριση με το ίδιο το άτομο. Αν φανταστείτε ένα άτομο, για παράδειγμα, χρυσό, με τη μορφή ενός τεράστιου μπαλονιού με διάμετρο 200 μέτρων, τότε ο πυρήνας του θα είναι απλώς… ένα φουντούκι. Τι είναι όμως τα νουκλεόνια και γιατί παίζουν τόσο σημαντικό ρόλο; Ναι, έστω και μόνο επειδή σε αυτά συγκεντρώνεται ολόκληρη η μάζα του ατόμου.
Στις φωλιές του κρυσταλλικού πλέγματος, τα άτομα χρυσού βρίσκονται αρκετά πυκνά, επομένως η απόσταση μεταξύ γειτονικών "καρυδιών" στην κλίμακα που υιοθετήσαμε θα είναι περίπου 250-300 μέτρα.
Proton
Οι επιστήμονες υποψιάζονταν εδώ και καιρό ότι ο πυρήνας ενός ατόμου δεν είναι κάποιο είδος μονολιθικής ουσίας. Τα μεγέθη της μάζας και του φορτίου, που αυξάνονταν με «βήματα» από το ένα χημικό στοιχείο στο άλλο, ήταν οδυνηρά εντυπωσιακά. Ήταν λογικό να υποθέσουμεότι υπάρχουν ορισμένα σωματίδια με σταθερό θετικό φορτίο, από τα οποία «συλλέγονται» οι πυρήνες όλων των ατόμων. Πόσα θετικά φορτισμένα νουκλεόνια υπάρχουν στον πυρήνα, αυτό θα είναι το φορτίο του.
Υποθέσεις σχετικά με τη σύνθετη δομή του ατομικού πυρήνα έγιναν στην περίοδο της κατασκευής του περιοδικού πίνακα στοιχείων του από τον Mendeleev. Ωστόσο, οι τεχνικές δυνατότητες για πειραματική επιβεβαίωση εικασιών δεν υπήρχαν εκείνη την εποχή. Μόλις στις αρχές του 20ου αιώνα, ο Ernest Rutherford έκανε ένα πείραμα που επιβεβαίωσε την ύπαρξη του πρωτονίου.
Ως αποτέλεσμα της έκθεσης στην ουσία από την ακτινοβολία ραδιενεργών μετάλλων, κατά καιρούς εμφανιζόταν ένα σωματίδιο - ένα αντίγραφο του πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου. Είχε το ίδιο βάρος (1,67 ∙ 10-27 kg) και ατομικό φορτίο +1.
Νετρόνιο
Το συμπέρασμα σχετικά με την ανάγκη αναζήτησης ενός άλλου σωματιδίου, ερήμην που ονομάζεται νετρόνιο, ήρθε γρήγορα. Δεδομένου ότι το ερώτημα πόσα νουκλεόνια υπάρχουν στον πυρήνα και τι είναι, έγκειται στην ανομοιόμορφη αύξηση της μάζας και του φορτίου με μια αλλαγή στον τακτικό αριθμό του στοιχείου. Ο Ράδερφορντ έκανε μια υπόθεση για την ύπαρξη ενός διδύμου πρωτονίου με μηδενικό φορτίο, αλλά δεν κατάφερε να επιβεβαιώσει την εικασία του.
Γενικά, οι πυρηνικοί επιστήμονες είχαν ήδη μια καλή ιδέα για το τι είναι τα νουκλεόνια και την ποσοτική σύνθεση των ατομικών πυρήνων. Και το άπιαστο σωματίδιο, που όμως δεν ανακαλύφθηκε πειραματικά από κανέναν, περίμενε στα φτερά. Ο Τζέιμς Τσάντγουικ θεωρείται ο ανακάλυψή του, ο οποίος κατάφερε να απομονώσει τον «αόρατο» από την ουσία,υποβάλλοντάς το σε βομβαρδισμό με πυρήνες ηλίου επιταχυνόμενους σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες (α-σωματίδια). Η μάζα του σωματιδίου, όπως αναμενόταν, αποδείχθηκε ότι είναι ίση με τη μάζα του πρωτονίου που ανακαλύφθηκε προηγουμένως. Σύμφωνα με σύγχρονη έρευνα, το νετρόνιο είναι ελαφρώς βαρύτερο.
Λίγα περισσότερα για τα "τούβλα" του ατομικού πυρήνα
Υπολογίστε πόσα νουκλεόνια στον πυρήνα ενός χημικού στοιχείου ή στο ισότοπό του είναι εύκολο. Αυτό απαιτεί δύο πράγματα: έναν περιοδικό πίνακα και μια αριθμομηχανή, αν και μπορείτε να υπολογίσετε στο μυαλό σας. Ένα παράδειγμα είναι τα δύο κοινά ισότοπα του ουρανίου: 235 και 238. Αυτοί οι αριθμοί αντιπροσωπεύουν την ατομική μάζα. Ο σειριακός αριθμός του ουρανίου είναι 92, υποδηλώνει πάντα το φορτίο του πυρήνα.
Όπως γνωρίζετε, τα νουκλεόνια στον πυρήνα ενός ατόμου μπορεί να είναι είτε θετικά φορτισμένα πρωτόνια είτε νετρόνια της ίδιας μάζας, αλλά χωρίς φορτίο. Ο σειριακός αριθμός 92 υποδηλώνει τον αριθμό στον πυρήνα των πρωτονίων. Ο αριθμός των νετρονίων υπολογίζεται με απλή αφαίρεση:
- - ουράνιο 235, αριθμός νετρονίων=235 – 92=143;
- - ουράνιο 238, αριθμός νετρονίων=238 – 92=146.
Και πόσα νουκλεόνια μπορούν να συγκεντρωθούν κάθε φορά; Πιστεύεται ότι σε ένα ορισμένο στάδιο της ζωής των άστρων με επαρκή μάζα, όταν η θερμοπυρηνική αντίδραση δεν είναι πλέον σε θέση να συγκρατήσει τη δύναμη της βαρύτητας, η πίεση στα έντερα του άστρου αυξάνεται τόσο πολύ που «κολλάει» τα ηλεκτρόνια σε πρωτόνια. Ως αποτέλεσμα, το φορτίο γίνεται μηδέν και το ζεύγος πρωτονίου-ηλεκτρονίου γίνεται νετρόνιο. Η ύλη που προκύπτει, που αποτελείται από «πιεσμένα» νετρόνια, είναι εξαιρετικά πυκνή.
Ένα αστέρι που ζυγίζει στον Ήλιο μας μετατρέπεται σε μπάλαδιαμέτρου πολλών δεκάδων χιλιομέτρων. Ένα κουταλάκι του γλυκού τέτοιου «κουάκερ νετρονίων» θα μπορούσε να ζυγίζει αρκετές εκατοντάδες τόνους στη Γη.
