Ερωτήσεις "Από τι αποτελείται η ύλη;", "Ποια είναι η φύση της ύλης;" απασχολούσε πάντα την ανθρωπότητα. Από την αρχαιότητα, οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες αναζητούσαν απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα, δημιουργώντας τόσο ρεαλιστικές όσο και εντελώς εκπληκτικές και φανταστικές θεωρίες και υποθέσεις. Ωστόσο, κυριολεκτικά πριν από έναν αιώνα, η ανθρωπότητα έφτασε όσο το δυνατόν πιο κοντά στο να ξετυλίξει αυτό το μυστήριο ανακαλύπτοντας την ατομική δομή της ύλης. Ποια είναι όμως η σύσταση του πυρήνα ενός ατόμου; Από τι αποτελείται όλο αυτό;
Από τη θεωρία στην πραγματικότητα
Στις αρχές του εικοστού αιώνα, η ατομική δομή είχε πάψει να είναι απλώς μια υπόθεση, αλλά είχε γίνει ένα απόλυτο γεγονός. Αποδείχθηκε ότι η σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου είναι μια πολύ περίπλοκη έννοια. Περιέχει ηλεκτρικά φορτία. Αλλά προέκυψε το ερώτημα: η σύνθεση του ατόμου και του ατομικού πυρήνα περιλαμβάνει διαφορετικές ποσότητες αυτών των φορτίων ή όχι;
Πλανητικό μοντέλο
Αρχικά, το άτομο θεωρήθηκε ότι ήταν κατασκευασμένο πολύ σαν το ηλιακό μας σύστημα. ΩστόσοΓρήγορα αποδείχθηκε ότι αυτή η άποψη δεν ήταν απολύτως σωστή. Το πρόβλημα μιας καθαρά μηχανικής μεταφοράς της αστρονομικής κλίμακας της εικόνας σε μια περιοχή που καταλαμβάνει τα εκατομμυριοστά του χιλιοστού έχει οδηγήσει σε μια σημαντική και δραματική αλλαγή στις ιδιότητες και τις ποιότητες των φαινομένων. Η κύρια διαφορά ήταν οι πολύ πιο αυστηροί νόμοι και κανόνες με τους οποίους οικοδομείται το άτομο.
Μειονεκτήματα του πλανητικού μοντέλου
Πρώτον, εφόσον τα άτομα του ίδιου είδους και στοιχείου πρέπει να είναι ακριβώς τα ίδια όσον αφορά τις παραμέτρους και τις ιδιότητες, οι τροχιές των ηλεκτρονίων αυτών των ατόμων πρέπει επίσης να είναι ίδιες. Ωστόσο, οι νόμοι της κίνησης των αστρονομικών σωμάτων δεν μπορούσαν να δώσουν απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα. Η δεύτερη αντίφαση έγκειται στο γεγονός ότι η κίνηση ενός ηλεκτρονίου κατά μήκος της τροχιάς, εάν εφαρμοστούν καλά μελετημένοι φυσικοί νόμοι σε αυτό, πρέπει απαραίτητα να συνοδεύεται από μόνιμη απελευθέρωση ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, αυτή η διαδικασία θα οδηγούσε στην εξάντληση του ηλεκτρονίου, το οποίο τελικά θα πέθαινε και θα έπεφτε ακόμη και στον πυρήνα.
Μητρική κυματική δομήand
Το 1924, ο νεαρός αριστοκράτης Louis de Broglie πρότεινε μια ιδέα που έστρεψε τις ιδέες της επιστημονικής κοινότητας για θέματα όπως η δομή του ατόμου, η σύνθεση των ατομικών πυρήνων. Η ιδέα ήταν ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι απλώς μια κινούμενη μπάλα που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα. Αυτή είναι μια θολή ουσία που κινείται σύμφωνα με νόμους που μοιάζουν με τη διάδοση των κυμάτων στο διάστημα. Πολύ γρήγορα, αυτή η ιδέα επεκτάθηκε στην κίνηση οποιουδήποτε σώματος μέσαγενικά, εξηγώντας ότι παρατηρούμε μόνο τη μία πλευρά αυτής ακριβώς της κίνησης, αλλά η δεύτερη δεν εκδηλώνεται στην πραγματικότητα. Μπορούμε να δούμε τη διάδοση των κυμάτων και να μην παρατηρήσουμε την κίνηση του σωματιδίου ή το αντίστροφο. Στην πραγματικότητα, και οι δύο αυτές πλευρές κίνησης υπάρχουν πάντα και η περιστροφή ενός ηλεκτρονίου σε τροχιά δεν είναι μόνο η κίνηση του ίδιου του φορτίου, αλλά και η διάδοση των κυμάτων. Αυτή η προσέγγιση είναι θεμελιωδώς διαφορετική από το προηγουμένως αποδεκτό πλανητικό μοντέλο.
στοιχειώδες θεμέλιο
Ο πυρήνας ενός ατόμου είναι το κέντρο. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από αυτό. Όλα τα άλλα καθορίζονται από τις ιδιότητες του πυρήνα. Είναι απαραίτητο να μιλήσουμε για μια τέτοια έννοια όπως η σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου από το πιο σημαντικό σημείο - από το φορτίο. Ένα άτομο περιέχει έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων που φέρουν αρνητικό φορτίο. Ο ίδιος ο πυρήνας έχει θετικό φορτίο. Από αυτό μπορούμε να βγάλουμε ορισμένα συμπεράσματα:
- Ο πυρήνας είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο.
- Γύρω από τον πυρήνα υπάρχει μια παλλόμενη ατμόσφαιρα που δημιουργείται από φορτίσεις.
- Είναι ο πυρήνας και τα χαρακτηριστικά του που καθορίζουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο.
Ιδιότητες πυρήνα
Ο χαλκός, το γυαλί, ο σίδηρος, το ξύλο έχουν τα ίδια ηλεκτρόνια. Ένα άτομο μπορεί να χάσει μερικά ηλεκτρόνια ή ακόμα και όλα. Εάν ο πυρήνας παραμείνει θετικά φορτισμένος, τότε είναι σε θέση να προσελκύσει τη σωστή ποσότητα αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων από άλλα σώματα, κάτι που θα του επιτρέψει να επιβιώσει. Εάν ένα άτομο χάσει έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων, τότε το θετικό φορτίο στον πυρήνα θα είναι μεγαλύτερο από το υπόλοιπο των αρνητικών φορτίων. ΣΤΟΣε αυτή την περίπτωση, ολόκληρο το άτομο θα αποκτήσει ένα πλεόνασμα φορτίου και μπορεί να ονομαστεί θετικό ιόν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα άτομο μπορεί να προσελκύσει περισσότερα ηλεκτρόνια και στη συνέχεια θα φορτιστεί αρνητικά. Επομένως, μπορεί να ονομαστεί αρνητικό ιόν.
Πόσο ζυγίζει ένα άτομο?
Η μάζα ενός ατόμου καθορίζεται κυρίως από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια που αποτελούν το άτομο και τον ατομικό πυρήνα ζυγίζουν λιγότερο από το ένα χιλιοστό της συνολικής μάζας. Εφόσον η μάζα θεωρείται μέτρο του ενεργειακού αποθέματος που έχει μια ουσία, αυτό το γεγονός θεωρείται απίστευτα σημαντικό όταν μελετάμε ένα τέτοιο ερώτημα όπως η σύνθεση του ατομικού πυρήνα.
Ραδιενέργεια
Τα πιο δύσκολα ερωτήματα προέκυψαν μετά την ανακάλυψη των ακτίνων Χ. Τα ραδιενεργά στοιχεία εκπέμπουν κύματα άλφα, βήτα και γάμμα. Αλλά μια τέτοια ακτινοβολία πρέπει να έχει μια πηγή. Ο Ράδερφορντ το 1902 έδειξε ότι μια τέτοια πηγή είναι το ίδιο το άτομο ή μάλλον ο πυρήνας. Από την άλλη, ραδιενέργεια δεν είναι μόνο η εκπομπή ακτίνων, αλλά και η μετατροπή ενός στοιχείου σε άλλο, με εντελώς νέες χημικές και φυσικές ιδιότητες. Δηλαδή, η ραδιενέργεια είναι μια αλλαγή στον πυρήνα.
Τι γνωρίζουμε για την πυρηνική δομή;
Σχεδόν εκατό χρόνια πριν, ο φυσικός Prout πρότεινε την ιδέα ότι τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα δεν είναι τυχαίες μορφές, αλλά είναι συνδυασμοί ατόμων υδρογόνου. Επομένως, θα μπορούσε κανείς να αναμένει ότι τόσο τα φορτία όσο και οι μάζες των πυρήνων θα εκφράζονται με όρους ακέραιων και πολλαπλών φορτίων του ίδιου του υδρογόνου. Ωστόσο, αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Μελετώντας τις ιδιότητες του ατομικούπυρήνες με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, ο φυσικός Aston διαπίστωσε ότι τα στοιχεία των οποίων τα ατομικά βάρη δεν ήταν ακέραιοι και πολλαπλάσια, στην πραγματικότητα, είναι ένας συνδυασμός διαφορετικών ατόμων και όχι μίας ουσίας. Σε όλες τις περιπτώσεις που το ατομικό βάρος δεν είναι ακέραιος, παρατηρούμε ένα μείγμα διαφορετικών ισοτόπων. Τι είναι? Αν μιλάμε για τη σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου, τα ισότοπα είναι άτομα με το ίδιο φορτίο, αλλά με διαφορετικές μάζες.
Ο Αϊνστάιν και ο πυρήνας του ατόμου
Η θεωρία της σχετικότητας λέει ότι η μάζα δεν είναι ένα μέτρο με το οποίο προσδιορίζεται η ποσότητα της ύλης, αλλά ένα μέτρο της ενέργειας που διαθέτει η ύλη. Αντίστοιχα, η ύλη μπορεί να μετρηθεί όχι με μάζα, αλλά από το φορτίο που συνθέτει αυτή την ύλη και την ενέργεια του φορτίου. Όταν το ίδιο φορτίο πλησιάσει ένα άλλο από τα ίδια, η ενέργεια θα αυξηθεί, διαφορετικά θα μειωθεί. Αυτό, φυσικά, δεν σημαίνει αλλαγή στην ύλη. Συνεπώς, από αυτή τη θέση, ο πυρήνας ενός ατόμου δεν είναι πηγή ενέργειας, αλλά μάλλον ένα υπόλειμμα μετά την απελευθέρωσή του. Άρα υπάρχει κάποια αντίφαση.
Νετρόνια
Οι Curies, όταν βομβαρδίστηκαν με σωματίδια άλφα βηρυλλίου, ανακάλυψαν μερικές ακατανόητες ακτίνες που, συγκρουόμενοι με τον πυρήνα ενός ατόμου, το απωθούν με μεγάλη δύναμη. Ωστόσο, είναι σε θέση να περάσουν μέσα από μεγάλο πάχος ύλης. Αυτή η αντίφαση επιλύθηκε από το γεγονός ότι το δεδομένο σωματίδιο αποδείχθηκε ότι είχε ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο. Κατά συνέπεια, ονομάστηκε νετρόνιο. Χάρη σε περαιτέρω έρευνα, αποδείχθηκε ότι η μάζα του νετρονίου είναι σχεδόν ίδια με αυτή του πρωτονίου. Σε γενικές γραμμές, το νετρόνιο και το πρωτόνιο είναι απίστευτα παρόμοια. Με εξέτασηΑπό αυτή την ανακάλυψη ήταν σίγουρα δυνατό να διαπιστωθεί ότι η σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου περιλαμβάνει πρωτόνια και νετρόνια και σε ίσες ποσότητες. Όλα μπήκαν σταδιακά στη θέση τους. Ο αριθμός των πρωτονίων είναι ο ατομικός αριθμός. Το ατομικό βάρος είναι το άθροισμα των μαζών των νετρονίων και των πρωτονίων. Ισότοπο μπορεί επίσης να ονομαστεί ένα στοιχείο στο οποίο ο αριθμός των νετρονίων και των πρωτονίων δεν θα είναι ίσος μεταξύ τους. Όπως συζητήθηκε παραπάνω, σε μια τέτοια περίπτωση, αν και το στοιχείο παραμένει ουσιαστικά το ίδιο, οι ιδιότητές του μπορεί να αλλάξουν ουσιαστικά.
