Tutkiessaan aineen koostumusta tiedemiehet tulivat siihen tulokseen, että kaikki aine koostuu molekyyleistä ja atomeista. Pitkän aikaa atomia (käännettynä kreikasta "jakamattomaksi") pidettiin aineen pienimpänä rakenneyksikkönä. Lisätutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että atomilla on monimutkainen rakenne ja se puolestaan sisältää pienempiä hiukkasia.
Mistä atomi on tehty?
Vuonna 1911 tiedemies Rutherford ehdotti, että atomissa on keskiosa, jossa on positiivinen varaus. Näin atomiytimen käsite ilmestyi ensimmäisen kerran.
Rutherfordin planeettamalliksi kutsutun kaavion mukaan atomi koostuu ytimestä ja negatiivisen varauksen omaavista alkuainehiukkasista - ytimen ympärillä liikkuvista elektroneista, aivan kuten planeetat kiertävät Auringon ympäri.
Vuonna 1932 toinen tiedemies, Chadwick, löysi neutronin, hiukkasen, jolla ei ole sähkövarausta.
Nykyaikaisten käsitysten mukaan atomiytimen rakenne vastaa Rutherfordin ehdottamaa planeettamallia. Ydin viedään sisäänsuurin osa atomimassasta. Siinä on myös positiivinen varaus. Atomiydin sisältää protoneja - positiivisesti varautuneita hiukkasia ja neutroneja - hiukkasia, jotka eivät kanna varausta. Protoneja ja neutroneja kutsutaan nukleoneiksi. Negatiivisesti varautuneet hiukkaset - elektronit - kiertävät ytimen ympäri.
Protonien lukumäärä ytimessä on yhtä suuri kuin kiertoradalla liikkuvien elektronien lukumäärä. Siksi atomi itse on hiukkanen, joka ei kanna varausta. Jos atomi vangitsee muiden elektroneja tai menettää omansa, siitä tulee positiivinen tai negatiivinen ja sitä kutsutaan ioniksi.
Elektroneja, protoneja ja neutroneja kutsutaan yhteisesti subatomisiksi hiukkasiksi.
Atomin ytimen varaus
Ytimen varausnumero Z. Se määräytyy atomiytimen muodostavien protonien lukumäärän mukaan. Tämän määrän selvittäminen on yksinkertaista: katso vain Mendelejevin jaksollista järjestelmää. Sen alkuaineen atominumero, johon atomi kuuluu, on yhtä suuri kuin ytimessä olevien protonien lukumäärä. Siten, jos kemiallinen alkuaine happi vastaa sarjanumeroa 8, niin protonien lukumäärä on myös kahdeksan. Koska protonien ja elektronien määrä atomissa on sama, elektroneja on myös kahdeksan.
Neutronien lukumäärää kutsutaan isotooppiluvuksi ja sitä merkitään kirjaimella N. Niiden lukumäärä voi vaihdella saman kemiallisen alkuaineen atomissa.
Ytimen protonien ja elektronien summaa kutsutaan atomin massaluvuksi ja sitä merkitään kirjaimella A. Näin ollen massaluvun laskentakaava näyttää tältä: A=Z+N.
Isotoopit
Siinä tapauksessa, että alkuaineissa on sama määrä protoneja ja elektroneja, mutta eri määrä neutroneja, niitä kutsutaan kemiallisen alkuaineen isotoopeiksi. Isotooppeja voi olla yksi tai useampia. Ne sijoitetaan samaan jaksollisen järjestelmän soluun.
Isotoopit ovat erittäin tärkeitä kemiassa ja fysiikassa. Esimerkiksi vedyn isotooppi - deuterium - yhdessä hapen kanssa antaa täysin uuden aineen, jota kutsutaan raskaaksi vedeksi. Sen kiehumis- ja jäätymispiste on erilainen kuin tavallisesti. Ja deuteriumin yhdistelmä vedyn toisen isotoopin - tritiumin kanssa johtaa lämpöydinfuusioreaktioon, ja sitä voidaan käyttää v altavan energiamäärän tuottamiseen.
Ytimen ja subatomisten hiukkasten massa
Atomien ja subatomisten hiukkasten koot ja massat ovat merkityksettömiä ihmiskäsityksissä. Ytimen koko on noin 10-12cm. Atomiytimen massa mitataan fysiikassa niin sanotuilla atomimassayksiköillä - amu
Yhdelle amulle ottaa yhden kahdestoistaosan hiiliatomin massasta. Tavallisia mittayksiköitä (kilo ja gramma) käyttäen massa voidaan ilmaista seuraavasti: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Tällä tavalla ilmaistuna sitä kutsutaan absoluuttiseksi atomimassaksi.
Huolimatta siitä tosiasiasta, että atomiydin on atomin massiivinen komponentti, sen mitat suhteessa sitä ympäröivään elektronipilveen ovat erittäin pienet.
Ydinvoimat
Atomiytimet ovat erittäin vakaita. Tämä tarkoittaa, että protoneja ja neutroneja pidetään ytimessä joidenkin voimien toimesta. Ei olevoi olla sähkömagneettisia voimia, koska protonit ovat samank altaisia varautuneita hiukkasia, ja tiedetään, että hiukkaset, joilla on sama varaus, hylkivät toisiaan. Gravitaatiovoimat ovat liian heikkoja pitämään nukleoneja yhdessä. Siksi hiukkasia pitää ytimessä erilainen vuorovaikutus - ydinvoimat.
Ydinvuorovaikutusta pidetään vahvimpana kaikista luonnossa olevista. Siksi tämän tyyppistä vuorovaikutusta atomiytimen elementtien välillä kutsutaan vahvaksi. Sitä esiintyy monissa alkuainehiukkasissa sekä sähkömagneettisissa voimissa.
Ydinvoimien ominaisuudet
- Lyhyt toiminta. Ydinvoimat, toisin kuin sähkömagneettiset voimat, ilmenevät vain hyvin pienillä etäisyyksillä, jotka ovat verrattavissa ytimen kokoon.
- Latauksen riippumattomuus. Tämä ominaisuus ilmenee siinä, että ydinvoimat vaikuttavat yhtäläisesti protoneihin ja neutroneihin.
- Kylläisyys. Ytimen nukleonit ovat vuorovaikutuksessa vain tietyn määrän muita nukleoneja.
Ytimen sidosenergia
Toinen asia liittyy läheisesti vahvan vuorovaikutuksen käsitteeseen - ytimien sitoutumisenergiaan. Ytimen sitoutumisenergia on energiamäärä, joka tarvitaan atomiytimen jakamiseen sen muodostaviksi nukleoneiksi. Se on yhtä suuri kuin energia, joka tarvitaan ytimen muodostamiseen yksittäisistä hiukkasista.
Ytimen sitoutumisenergian laskemiseksi on tiedettävä subatomisten hiukkasten massa. Laskelmat osoittavat, että ytimen massa on aina pienempi kuin sen muodostavien nukleonien summa. Massavika on eroytimen massa ja sen protonien ja elektronien summa. Käyttämällä Einsteinin kaavaa massan ja energian välisestä suhteesta (E=mc2) voit laskea ytimen muodostumisen aikana syntyvän energian.
Ytimen sitoutumisenergian vahvuus voidaan arvioida seuraavan esimerkin avulla: useiden grammojen heliumia muodostuminen tuottaa yhtä paljon energiaa kuin useiden tonnien kivihiilen palaminen.
Ydinreaktiot
Atomien ytimet voivat olla vuorovaikutuksessa muiden atomien ytimien kanssa. Tällaisia vuorovaikutuksia kutsutaan ydinreaktioksi. Reaktioita on kahdenlaisia.
- Fissioreaktiot. Niitä syntyy, kun raskaammat ytimet hajoavat kevyemmiksi vuorovaikutuksen seurauksena.
- Synteesireaktiot. Prosessi on päinvastainen fissio: ytimet törmäävät, jolloin muodostuu raskaampia alkuaineita.
Kaikkiin ydinreaktioihin liittyy energian vapautuminen, jota käytetään myöhemmin teollisuudessa, armeijassa, energia-alalla ja niin edelleen.
Tuttuamme atomiytimen koostumukseen voimme tehdä seuraavat johtopäätökset.
- Atomi koostuu protoneja ja neutroneja sisältävästä ytimestä sekä sen ympärillä olevista elektroneista.
- Atomin massaluku on yhtä suuri kuin sen ytimen nukleonien summa.
- Nuklonit pitävät yhdessä vahvan voiman avulla.
- V altavia voimia, jotka pitävät atomin ytimen vakaana, kutsutaan ydinsidosenergioiksi.
