Όλη η ύλη αποτελείται από στοιχεία. Γιατί όμως όλα γύρω μας είναι τόσο διαφορετικά; Η απάντηση έχει να κάνει με μικροσκοπικά σωματίδια. Ονομάζονται πρωτόνια. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν αρνητικό φορτίο, αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν θετικό φορτίο. Τι είναι αυτά τα σωματίδια και πώς λειτουργούν;
Πρωτόνια παντού
Ποιο στοιχειώδες σωματίδιο έχει θετικό φορτίο; Οτιδήποτε μπορεί να αγγίξει, να δει και να νιώσει αποτελείται από άτομα, τα μικρότερα δομικά στοιχεία που αποτελούν στερεά, υγρά και αέρια. Είναι πολύ μικρά για να τα ρίξετε πιο προσεκτικά, αλλά συνθέτουν πράγματα όπως ο υπολογιστής σας, το νερό που πίνετε, ακόμη και τον αέρα που αναπνέετε. Υπάρχουν πολλοί τύποι ατόμων, συμπεριλαμβανομένου του οξυγόνου, του αζώτου και του σιδήρου. Καθένας από αυτούς τους τύπους ονομάζεται στοιχεία.
Μερικά από αυτά είναι αέρια (οξυγόνο). Το στοιχείο νικελίου έχει ασημί χρώμα. Υπάρχουν κι άλλοιχαρακτηριστικά που διακρίνουν αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια το ένα από το άλλο. Τι κάνει πραγματικά αυτά τα στοιχεία διαφορετικά; Η απάντηση είναι απλή: τα άτομα τους έχουν διαφορετικούς αριθμούς πρωτονίων. Αυτό το στοιχειώδες σωματίδιο έχει θετικό φορτίο και βρίσκεται μέσα στο κέντρο του ατόμου.
Όλα τα άτομα είναι μοναδικά
Τα άτομα μοιάζουν πολύ, αλλά ο διαφορετικός αριθμός πρωτονίων τα καθιστά μοναδικό τύπο στοιχείου. Για παράδειγμα, τα άτομα οξυγόνου έχουν 8 πρωτόνια, τα άτομα υδρογόνου έχουν μόνο 1 και τα άτομα χρυσού έχουν 79. Μπορείτε να πείτε πολλά για ένα άτομο μόνο μετρώντας τα πρωτόνια του. Αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια βρίσκονται στον ίδιο τον πυρήνα. Αρχικά θεωρήθηκε ότι ήταν ένα θεμελιώδες σωματίδιο, ωστόσο, πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τα πρωτόνια αποτελούνται από μικρότερα συστατικά που ονομάζονται κουάρκ.
Τι είναι ένα πρωτόνιο;
Ποιο στοιχειώδες σωματίδιο έχει θετικό φορτίο; Αυτό είναι ένα πρωτόνιο. Αυτό είναι το όνομα του υποατομικού σωματιδίου που βρίσκεται στον πυρήνα κάθε ατόμου. Στην πραγματικότητα, ο αριθμός των πρωτονίων σε κάθε άτομο είναι ο ατομικός αριθμός. Μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν θεμελιώδες σωματίδιο. Ωστόσο, οι νέες τεχνολογίες έχουν οδηγήσει στην ανακάλυψη ότι το πρωτόνιο αποτελείται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Το κουάρκ είναι ένα θεμελιώδες σωματίδιο της ύλης που μόλις πρόσφατα ανακαλύφθηκε.
Από πού προέρχονται τα πρωτόνια;
Ένα στοιχειώδες σωματίδιο με θετικό φορτίο,ονομάζεται πρωτόνιο. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να σχηματιστούν ως αποτέλεσμα της εμφάνισης ασταθών νετρονίων. Μετά από περίπου 900 δευτερόλεπτα, το νετρόνιο που αναπηδά από τον πυρήνα θα διασπαστεί σε άλλα στοιχειώδη σωματίδια του ατόμου: ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο.
Σε αντίθεση με το νετρόνιο, το ελεύθερο πρωτόνιο είναι σταθερό. Όταν τα ελεύθερα πρωτόνια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, σχηματίζουν μόρια υδρογόνου. Ο ήλιος μας, όπως και τα περισσότερα άλλα αστέρια στο σύμπαν, είναι κυρίως υδρογόνο. Ένα πρωτόνιο είναι το μικρότερο στοιχειώδες σωματίδιο που έχει φορτίο +1. Ένα ηλεκτρόνιο έχει φορτίο -1, ενώ ένα νετρόνιο δεν έχει καθόλου φορτίο.
Υποατομικά σωματίδια: θέση και φόρτιση
Τα στοιχεία χαρακτηρίζονται από την ατομική τους δομή, που αποτελείται από υποατομικά στοιχειώδη σωματίδια: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Οι δύο πρώτες ομάδες βρίσκονται στον πυρήνα (κέντρο) του ατόμου και έχουν μάζα μιας ατομικής μάζας. Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται έξω από τον πυρήνα, σε ζώνες που ονομάζονται «κελύφη». Δεν ζυγίζουν σχεδόν τίποτα. Κατά τον υπολογισμό της ατομικής μάζας, δίνεται προσοχή μόνο στα πρωτόνια και τα νετρόνια. Η μάζα ενός ατόμου είναι το άθροισμά τους.
Αθροίζοντας την ατομική μάζα όλων των ατόμων σε ένα μόριο, μπορεί κανείς να υπολογίσει τη μοριακή μάζα, η οποία εκφράζεται σε μονάδες ατομικής μάζας (που ονομάζονται d altons). Κάθε ένα από τα βαριά σωματίδια (νετρόνιο, πρωτόνιο) ζυγίζει μία ατομική μάζα, έτσι το άτομο ηλίου (He), το οποίοέχει δύο πρωτόνια, δύο νετρόνια και δύο ηλεκτρόνια, ζυγίζει περίπου τέσσερις μονάδες ατομικής μάζας (δύο πρωτόνια συν δύο νετρόνια). Εκτός από τη θέση και τη μάζα, κάθε υποατομικό σωματίδιο έχει μια ιδιότητα που ονομάζεται «φόρτιση». Μπορεί να είναι "θετικό" ή "αρνητικό".
Τα στοιχεία με το ίδιο φορτίο τείνουν να αντανακλούν το ένα το άλλο, ενώ τα αντικείμενα με αντίθετα φορτία τείνουν να έλκονται μεταξύ τους. Ποιο στοιχειώδες σωματίδιο έχει θετικό φορτίο; Αυτό είναι ένα πρωτόνιο. Τα νετρόνια δεν έχουν καθόλου φορτίο, γεγονός που δίνει στον πυρήνα ένα συνολικό θετικό φορτίο. Κάθε ηλεκτρόνιο έχει αρνητικό φορτίο, το οποίο είναι ίσο σε ισχύ με το θετικό φορτίο ενός πρωτονίου. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια του πυρήνα έλκονται μεταξύ τους, και αυτή είναι η δύναμη που συγκρατεί το άτομο μαζί, παρόμοια με τη δύναμη της βαρύτητας που κρατά τη Σελήνη σε τροχιά γύρω από τη Γη.
Σταθερό υποατομικό σωματίδιο
Ποιο στοιχειώδες σωματίδιο έχει θετικό φορτίο; Η απάντηση είναι γνωστή: πρωτόνιο. Επιπλέον, είναι ίσο σε μέγεθος με το μοναδιαίο φορτίο του ηλεκτρονίου. Ωστόσο, η μάζα του σε ηρεμία είναι 1,67262 × 10-27 kg, που είναι 1836 φορές η μάζα ενός ηλεκτρονίου. Τα πρωτόνια, μαζί με τα ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια που ονομάζονται νετρόνια, αποτελούν όλους τους ατομικούς πυρήνες εκτός από το υδρογόνο. Κάθε πυρήνας ενός δεδομένου χημικού στοιχείου έχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων. Ο ατομικός αριθμός αυτού του στοιχείου καθορίζει τη θέση του στον περιοδικό πίνακα.
Ανακάλυψη του πρωτονίου
Ένα στοιχειώδες σωματίδιο με θετικό φορτίο είναι το πρωτόνιο, η ανακάλυψη του οποίου χρονολογείται από τις πρώτες μελέτες της ατομικής δομής. Κατά τη μελέτη των ροών ιονισμένων αερίων ατόμων και μορίων, από τα οποία αφαιρέθηκαν τα ηλεκτρόνια, προσδιορίστηκε ένα θετικό σωματίδιο, ίσο σε μάζα με ένα άτομο υδρογόνου. Ο Ernest Rutherford (1919) έδειξε ότι το άζωτο, όταν βομβαρδίζεται με σωματίδια άλφα, εκπέμπει αυτό που φαίνεται να είναι υδρογόνο. Μέχρι το 1920, απομόνωσε ένα στοιχειώδες σωματίδιο από πυρήνες υδρογόνου, αποκαλώντας το πρωτόνιο.
Η έρευνα της φυσικής των σωματιδίων υψηλής ενέργειας στα τέλη του 20ου αιώνα βελτίωσε τη δομική κατανόηση της φύσης του πρωτονίου μέσα σε μια ομάδα υποατομικών σωματιδίων. Έχει αποδειχθεί ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια και ταξινομούνται ως βαρυόνια - σωματίδια που αποτελούνται από τρεις στοιχειώδεις μονάδες ύλης γνωστά ως κουάρκ.
Υποατομικό σωματίδιο: προς μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία
Το άτομο είναι ένα μικρό κομμάτι ύλης, το οποίο είναι ένα συγκεκριμένο στοιχείο. Για κάποιο διάστημα πίστευαν ότι ήταν το μικρότερο κομμάτι ύλης που μπορούσε να υπάρξει. Αλλά στα τέλη του 19ου αιώνα και στις αρχές του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα άτομα αποτελούνται από ορισμένα υποατομικά σωματίδια και ότι ανεξάρτητα από το στοιχείο, τα ίδια υποατομικά σωματίδια αποτελούν ένα άτομο. Ο αριθμός των διαφορετικών υποατομικών σωματιδίων είναι το μόνο πράγμα που αλλάζει.
Οι επιστήμονες αναγνωρίζουν τώρα ότι υπάρχουν πολλά υποατομικά σωματίδια. Αλλά για να πετύχετε στη χημεία, χρειάζεται πραγματικά να ασχοληθείτε μόνο με τα τρία κύρια: πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Η ύλη μπορεί να φορτιστεί ηλεκτρικά με έναν από τους δύο τρόπους: θετικό ή αρνητικό.
Τι ονομάζεται ένα στοιχειώδες σωματίδιο με θετικό φορτίο; Η απάντηση είναι απλή: ένα πρωτόνιο, είναι αυτός που φέρει μια μονάδα θετικού φορτίου. Και λόγω της παρουσίας αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων, το ίδιο το άτομο είναι ουδέτερο. Μερικές φορές ορισμένα άτομα μπορούν να αποκτήσουν ή να χάσουν ηλεκτρόνια και να αποκτήσουν φορτίο. Σε αυτήν την περίπτωση, ονομάζονται ιόντα.
Στοιχειώδη σωματίδια του ατόμου: ένα διατεταγμένο σύστημα
Το άτομο έχει μια συστηματική και διατεταγμένη δομή που παρέχει σταθερότητα και είναι υπεύθυνο για κάθε είδους ιδιότητες της ύλης. Η μελέτη αυτών των υποατομικών σωματιδίων ξεκίνησε πριν από πάνω από εκατό χρόνια, και μέχρι τώρα γνωρίζουμε ήδη πολλά για αυτά. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου είναι άδειο και αραιοκατοικημένο από «ηλεκτρόνια». Είναι αρνητικά φορτισμένα ελαφρά σωματίδια που περιστρέφονται γύρω από το κεντρικό βαρύ τμήμα, το οποίο είναι το 99,99% της συνολικής μάζας του ατόμου. Η ανακάλυψη της φύσης των ηλεκτρονίων ήταν ευκολότερη, αλλά μετά από πολυάριθμες έξυπνες μελέτες, έγινε γνωστό ότι ο πυρήνας περιλαμβάνει θετικά πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια.
Κάθε μονάδα στο σύμπαν αποτελείται από άτομα
Το κλειδί για την κατανόηση των περισσότερων από τις ιδιότητες της ύλης είναι ότι κάθε μονάδα στο σύμπαν μας αποτελείται από άτομα. Υπάρχουν 92 φυσικοί τύποι ατόμων και σχηματίζουν μόρια, ενώσεις και άλλους τύπους ουσιών για να δημιουργήσουν τον περίπλοκο κόσμο γύρω μας. Αν και το όνομα "άτομο" προήλθε από την ελληνική λέξη άτομος, που σημαίνει "αδιαίρετο", η σύγχρονη φυσική έχει δείξει ότι δεν είναι το τελικό δομικό στοιχείο της ύλης και πράγματι "διαιρείται" σε υποατομικά σωματίδια. Είναι οι πραγματικές θεμελιώδεις οντότητες που αποτελούν ολόκληρο τον κόσμο.
