Nimi "atomi" on käännetty kreikasta "jakamattomaksi". Kaikki ympärillämme - kiinteät aineet, nesteet ja ilma - on rakennettu miljardeista näistä hiukkasista.
Atomia käsittelevän version esiintyminen
Atomit tulivat ensimmäisen kerran tunnetuiksi 500-luvulla eKr., kun kreikkalainen filosofi Demokritos ehdotti, että aine koostuu liikkuvista pienistä hiukkasista. Mutta sitten ei ollut mahdollista tarkistaa versiota heidän olemassaolostaan. Ja vaikka kukaan ei voinut nähdä näitä hiukkasia, ideasta keskusteltiin, koska vain tiedemiehet pystyivät selittämään todellisessa maailmassa tapahtuvia prosesseja. Siksi he uskoivat mikrohiukkasten olemassaoloon kauan ennen kuin pystyivät todistamaan tämän tosiasian.
Vain 1800-luvulla. niitä alettiin analysoida kemiallisten alkuaineiden pienimpinä aineosina, joilla on atomien erityiset ominaisuudet - kyky muodostaa yhdisteitä muiden kanssa tiukasti määrätyssä määrin. 1900-luvun alussa uskottiin, että atomit olivat aineen pienimpiä hiukkasia, kunnes todistettiin niiden koostuvan vieläkin pienemmistä yksiköistä.
Mistä kemiallinen alkuaine on tehty?
Kemiallisen alkuaineen atomi on mikroskooppinen aineen rakennuspalikka. Atomin molekyylipainosta on tullut tämän mikrohiukkasen määrittelevä piirre. Ainoastaan Mendelejevin jaksollisen lain löytäminen osoitti, että niiden tyypit ovat yhden asian eri muotoja. Ne ovat niin pieniä, että niitä ei voi nähdä tavallisilla mikroskoopeilla, vain tehokkaimmilla elektronisilla laitteilla. Vertailun vuoksi, ihmisen käden hiukset ovat miljoona kertaa leveämpiä.
Atomin elektronisessa rakenteessa on ydin, joka koostuu neutroneista ja protoneista sekä elektroneista, jotka tekevät kierroksia keskustan ympäri jatkuvilla kiertoradoilla, kuten planeetat tähtiensä ympärillä. Kaikkia niitä pitää yhdessä sähkömagneettinen voima, yksi maailmankaikkeuden neljästä päävoimasta. Neutronit ovat hiukkasia, joilla on neutraali varaus, protoneilla on positiivinen varaus ja elektronit negatiivisella varauksella. Jälkimmäisiä houkuttelevat positiivisesti varautuneet protonit, joten niillä on taipumus pysyä kiertoradalla.
Atomin rakenne
Keskiosassa on ydin, joka täyttää koko atomin minimiosan. Mutta tutkimukset osoittavat, että melkein koko massa (99,9%) sijaitsee siinä. Jokainen atomi sisältää protoneja, neutroneja, elektroneja. Pyörivien elektronien lukumäärä siinä on yhtä suuri kuin positiivinen keskusvaraus. Hiukkasia, joilla on sama ydinvaraus Z, mutta eri atomimassa A ja neutronien lukumäärä ytimessä N, kutsutaan isotoopeiksi, ja hiukkasia, joilla on sama A ja eri Z ja N, kutsutaan isobareiksi. Elektroni on pienin aineen hiukkanen, jolla on negatiivinensähkövaraus e=1,6 10-19 coulomb. Ionin varaus määrittää kadonneiden tai saatujen elektronien määrän. Prosessia, jossa neutraali atomi muuttuu varautuneeksi ioniksi, kutsutaan ionisaatioksi.
Uusi versio atomimallista
Fyysikot ovat tähän mennessä löytäneet monia muita alkuainehiukkasia. Atomin elektronisella rakenteella on uusi versio.
Uskotaan, että protonit ja neutronit, olivatpa ne kuinka pieniä tahansa, koostuvat pienimmistä hiukkasista, joita kutsutaan kvarkeiksi. Ne muodostavat uuden mallin atomin rakentamiselle. Kuten tiedemiehet keräsivät todisteita edellisen mallin olemassaolosta, he yrittävät nykyään todistaa kvarkkien olemassaolon.
RTM on tulevaisuuden laite
Nykyaikaiset tiedemiehet voivat nähdä aineen atomihiukkasia tietokoneen näytöllä sekä siirtää niitä pinnalla käyttämällä erikoistyökalua, jota kutsutaan skannaavaksi tunnelointimikroskoopiksi (RTM).
Tämä on tietokoneistettu työkalu, jonka kärki liikkuu erittäin kevyesti lähellä materiaalin pintaa. Kun kärki liikkuu, elektronit liikkuvat kärjen ja pinnan välisen raon läpi. Vaikka materiaali näyttää täydellisen sileältä, se on itse asiassa epätasainen atomitasolla. Tietokone tekee kartan aineen pinnasta ja luo kuvan sen hiukkasista, ja näin tiedemiehet voivat nähdä atomin ominaisuudet.
Radioaktiiviset hiukkaset
Negatiivisesti varautuneet ionit kiertävät ytimen ympärillä riittävän suurella etäisyydellä. Atomin rakenne on sellainen, että se on kokonainenon todella neutraali eikä siinä ole sähkövarausta, koska kaikki sen hiukkaset (protonit, neutronit, elektronit) ovat tasapainossa.
Radioaktiivinen atomi on alkuaine, joka voidaan helposti halkaista. Sen keskus koostuu useista protoneista ja neutroneista. Ainoa poikkeus on vetyatomin diagrammi, jossa on yksi protoni. Ydintä ympäröi elektronipilvi, ja niiden vetovoima saa ne pyörimään keskuksen ympäri. Protonit, joilla on sama varaus, hylkivät toisiaan.
Tämä ei ole ongelma useimmille pienille hiukkasille, joissa niitä on useita. Mutta jotkut niistä ovat epävakaita, etenkin suuret, kuten uraani, jossa on 92 protonia. Joskus hänen keskustansa ei kestä tällaista kuormaa. Niitä kutsutaan radioaktiivisiksi, koska ne lähettävät useita hiukkasia ytimestään. Kun epävakaa ydin on eroon protoneista, jäljellä olevat protonit muodostavat uuden tyttären. Se voi olla stabiili riippuen protonien määrästä uudessa ytimessä, tai se voi jakautua edelleen. Tämä prosessi jatkuu, kunnes jäljellä on vakaa lapsiydin.
Atomien ominaisuudet
Atomin fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet muuttuvat luonnollisesti alkuaineesta toiseen. Ne määritellään seuraavilla pääparametreilla.
Atomimassa. Koska mikrohiukkasten pääasiallinen paikka on protonit ja neutronit, niiden summa määrittää luvun, joka ilmaistaan atomimassayksiköinä (amu) Kaava: A=Z + N.
Atomisäde. Säde riippuu elementin sijainnista Mendeleev-järjestelmässä, kemiallinensidokset, viereisten atomien lukumäärä ja kvanttimekaaninen toiminta. Ytimen säde on satatuhatta kertaa pienempi kuin itse elementin säde. Atomin rakenne voi menettää elektroneja ja muuttua positiiviseksi ioniksi tai lisätä elektroneja ja muuttua negatiiviseksi ioniksi.
Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä mikä tahansa kemiallinen alkuaine ottaa sille määrätyn paikan. Taulukossa atomin koko kasvaa siirryttäessä ylhäältä alas ja pienenee siirryttäessä vasemm alta oikealle. Tästä pienin alkuaine on helium ja suurin on cesium.
Valenssi. Atomin ulompaa elektronikuorta kutsutaan valenssikuoreksi, ja siinä olevat elektronit ovat saaneet vastaavan nimen - valenssielektroneja. Niiden lukumäärä määrittää, kuinka atomi on yhteydessä muihin kemiallisen sidoksen avulla. Viimeisen mikropartikkelin luomismenetelmällä he yrittävät täyttää ulomman valenssikuorensa.
Painovoima, vetovoima on voima, joka pitää planeetat kiertoradalla, koska sen ansiosta käsistä vapautuneet esineet putoavat lattialle. Ihminen huomaa painovoiman enemmän, mutta sähkömagneettinen toiminta on monta kertaa voimakkaampaa. Voima, joka vetää puoleensa (tai hylkii) varautuneita hiukkasia atomissa, on 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kertaa voimakkaampi kuin sen painovoima. Mutta ytimen keskustassa on vieläkin vahvempi voima, joka voi pitää protonit ja neutronit yhdessä.
Reaktiot ytimissä luovat energiaa kuten ydinreaktoreissa, joissa atomit halkeavat. Mitä raskaampi alkuaine, sitä useammasta hiukkasesta sen atomit on rakennettu. Jos laskemme yhteen alkuaineen protonien ja neutronien kokonaismäärän, saamme sen selvillemassa. Esimerkiksi uraanin, raskaimman luonnossa esiintyvän alkuaineen, atomimassa on 235 tai 238.
Atomin jakaminen tasoihin
Atomin energiatasot ovat ytimen ympärillä olevan tilan kokoa, jossa elektroni liikkuu. Orbitaaleja on yhteensä 7, mikä vastaa jaksollisen taulukon jaksojen määrää. Mitä kauempana elektroni sijaitsee ytimestä, sitä suurempi energiavarasto sillä on. Jakson numero ilmaisee atomikiertoratojen lukumäärän sen ytimen ympärillä. Esimerkiksi kalium on 4. jakson alkuaine, mikä tarkoittaa, että sillä on 4 atomin energiatasoa. Kemiallisen alkuaineen lukumäärä vastaa sen varausta ja ytimen ympärillä olevien elektronien määrää.
Atom on energianlähde
Luultavasti tunnetuimman tieteellisen kaavan löysi saksalainen fyysikko Einstein. Hän väittää, että massa ei ole muuta kuin energian muoto. Tämän teorian perusteella on mahdollista muuttaa aine energiaksi ja laskea kaavalla, kuinka paljon sitä voidaan saada. Ensimmäinen käytännön tulos tästä muutoksesta oli atomipommeja, joita testattiin ensin Los Alamosin autiomaassa (USA) ja räjähti sitten Japanin kaupunkien yllä. Ja vaikka vain seitsemäsosa räjähteestä muuttui energiaksi, atomipommin tuhovoima oli kauhea.
Jotta ydin voi vapauttaa energiansa, sen täytyy romahtaa. Sen jakamiseksi on tarpeen toimia ulkopuolelta tulevan neutronin kanssa. Sitten ydin hajoaa kahdeksi muuksi, kevyemmäksi, samalla kun se vapauttaa v altavasti energiaa. Hajoaminen johtaa muiden neutronien vapautumiseen,ja ne jatkavat muiden ytimien jakamista. Prosessi muuttuu ketjureaktioksi, mikä johtaa v altavaan energiamäärään.
Ydinreaktion käytön edut ja haitat meidän aikanamme
Tuhovoima, joka vapautuu aineen muuttuessa, ihmiskunta yrittää kesyttää ydinvoimalaitoksilla. Tässä ydinreaktio ei tapahdu räjähdyksen muodossa, vaan asteittaisena lämmön vapautumisena.
Atomienergian tuotannossa on hyvät ja huonot puolensa. Tiedemiesten mukaan sivilisaatiomme ylläpitämiseksi korkealla tasolla on välttämätöntä käyttää tätä v altavaa energialähdettä. Mutta on myös otettava huomioon, että nykyaikaisinkaan kehitys ei voi taata ydinvoimalaitosten täydellistä turvallisuutta. Lisäksi energiantuotannon yhteydessä syntyvä radioaktiivinen jäte voi väärin varastoituina vaikuttaa jälkeläisiimme kymmeniä tuhansia vuosia.
Tshernobylin ydinvoimalan onnettomuuden jälkeen yhä useammat ihmiset pitävät ydinenergian tuotantoa erittäin vaarallisena ihmiskunnalle. Ainoa turvallinen tällainen voimalaitos on Aurinko v altavan ydinenergiansa kanssa. Tiedemiehet kehittävät kaikenlaisia aurinkokennojen malleja, ja ehkä lähitulevaisuudessa ihmiskunta pystyy hankkimaan itselleen turvallista atomienergiaa.
