Kysymykset "Mistä aine koostuu?", "Mikä on aineen luonne?" on aina miehittänyt ihmiskuntaa. Muinaisista ajoista lähtien filosofit ja tiedemiehet ovat etsineet vastauksia näihin kysymyksiin luoden sekä realistisia että täysin hämmästyttäviä ja fantastisia teorioita ja hypoteeseja. Kuitenkin kirjaimellisesti sata vuotta sitten ihmiskunta oli mahdollisimman lähellä tämän mysteerin purkamista löytämällä aineen atomirakenteen. Mutta mikä on atomin ytimen koostumus? Mistä se kaikki on tehty?
Teoriasta todellisuuteen
1900-luvun alkuun mennessä atomirakenne oli lakannut olemasta vain hypoteesi, vaan siitä tuli ehdoton tosiasia. Kävi ilmi, että atomin ytimen koostumus on hyvin monimutkainen käsite. Se sisältää sähkövarauksia. Mutta heräsi kysymys: sisältääkö atomin ja atomiytimen koostumus eri määriä näitä varauksia vai ei?
Planeettamalli
Alunperin atomin uskottiin rakennetun hyvin aurinkokuntamme k altaiseksi. kuitenkinPian kävi ilmi, että tämä näkemys ei ollut täysin oikea. Ongelma, joka liittyy kuvan tähtitieteellisen mittakaavan puhtaasti mekaaniseen siirtoon millimetrin miljoonasosat kattavaan alueeseen, on johtanut merkittävään ja dramaattiseen muutokseen ilmiöiden ominaisuuksissa ja laaduissa. Suurin ero oli paljon tiukemmat lait ja säännöt, joiden mukaan atomi rakennetaan.
Planeettamallin haitat
Ensinnäkin, koska saman lajin ja alkuaineen atomien on oltava täysin samat parametrien ja ominaisuuksien suhteen, myös näiden atomien elektronien kiertoradan on oltava samat. Tähtitieteisten kappaleiden liikelait eivät kuitenkaan pystyneet antamaan vastauksia näihin kysymyksiin. Toinen ristiriita on siinä, että elektronin liikkumiseen kiertoradalla, jos siihen sovelletaan hyvin tutkittuja fysikaalisia lakeja, täytyy välttämättä liittää pysyvä energian vapautuminen. Tämän seurauksena tämä prosessi johtaisi elektronin ehtymiseen, joka lopulta kuolisi ja putoaisi jopa ytimeen.
Äitia altorakenneja
Vuonna 1924 nuori aristokraatti Louis de Broglie esitti idean, joka muutti tiedeyhteisön käsitykset sellaisista kysymyksistä kuin atomin rakenteesta, atomiytimien koostumuksesta. Ajatuksena oli, että elektroni ei ole vain liikkuva pallo, joka pyörii ytimen ympäri. Tämä on epäselvä aine, joka liikkuu lakien mukaan, joka muistuttaa a altojen etenemistä avaruudessa. Melko nopeasti tämä ajatus laajeni koskemaan minkä tahansa kehon liikkeitäyleensä selittämällä, että huomaamme vain yhden puolen tästä liikkeestä, mutta toinen ei todellisuudessa ilmene. Voimme nähdä a altojen etenemisen emmekä huomaa hiukkasen liikettä tai päinvastoin. Itse asiassa nämä molemmat liikkeen puolet ovat aina olemassa, ja elektronin pyöriminen kiertoradalla ei ole vain itse varauksen liikettä, vaan myös a altojen etenemistä. Tämä lähestymistapa eroaa olennaisesti aiemmin hyväksytystä planeettamallista.
Perussäätiö
Atomin ydin on keskus. Elektronit pyörivät sen ympärillä. Kaikki muu määräytyy ytimen ominaisuuksien mukaan. On tarpeen puhua sellaisesta käsitteestä kuin atomin ytimen koostumus tärkeimmästä kohdasta - varauksesta. Atomi sisältää tietyn määrän elektroneja, joilla on negatiivinen varaus. Ytimellä itsessään on positiivinen varaus. Tästä voimme tehdä tiettyjä johtopäätöksiä:
- Ydin on positiivisesti varautunut hiukkanen.
- Ytimen ympärillä on varausten luoma sykkivä tunnelma.
- Ydin ja sen ominaisuudet määräävät elektronien määrän atomissa.
Ytimen ominaisuudet
Kuparilla, lasilla, raudalla ja puulla on samat elektronit. Atomi voi menettää pari elektronia tai jopa kaikki. Jos ydin pysyy positiivisesti varautuneena, se pystyy houkuttelemaan oikean määrän negatiivisesti varautuneita hiukkasia muista kappaleista, mikä mahdollistaa sen selviytymisen. Jos atomi menettää tietyn määrän elektroneja, ytimen positiivinen varaus on suurempi kuin negatiivisten varausten loput. ATTässä tapauksessa koko atomi saa ylimääräisen varauksen, ja sitä voidaan kutsua positiiviseksi ioniksi. Joissakin tapauksissa atomi voi vetää puoleensa enemmän elektroneja, ja sitten se varautuu negatiivisesti. Siksi sitä voidaan kutsua negatiiviseksi ioniksi.
Kuinka paljon atomi painaa?
Atomin massan määrää pääasiassa ydin. Atomin ja atomiytimen muodostavat elektronit painavat alle tuhannesosan kokonaismassasta. Koska massaa pidetään aineen energiavarannon mittana, tätä tosiasiaa pidetään uskomattoman tärkeänä tutkittaessa sellaista kysymystä kuin atomiytimen koostumus.
Radioaktiivisuus
Vaikeimmat kysymykset nousivat esiin röntgensäteiden löytämisen jälkeen. Radioaktiiviset elementit lähettävät alfa-, beeta- ja gammaa altoja. Mutta sellaisella säteilyllä täytyy olla lähde. Rutherford vuonna 1902 osoitti, että tällainen lähde on itse atomi tai pikemminkin ydin. Toisa alta radioaktiivisuus ei ole vain säteiden emissiota, vaan myös elementin muuntamista toiseksi, jolla on täysin uusia kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Eli radioaktiivisuus on muutosta ytimessä.
Mitä tiedämme ydinrakenteesta?
Lähes sata vuotta sitten fyysikko Prout esitti ajatuksen, että jaksollisen taulukon alkuaineet eivät ole satunnaisia muotoja, vaan vetyatomien yhdistelmiä. Siksi voitaisiin olettaa, että sekä ytimien varaukset että massat ilmaistaisiin itse vedyn kokonaislukuina ja moninkertaisina varauksina. Tämä ei kuitenkaan ole aivan totta. Tutkimalla atomin ominaisuuksiaytimiä sähkömagneettisten kenttien avulla, fyysikko Aston totesi, että elementit, joiden atomipainot eivät olleet kokonaislukuja ja kerrannaislukuja, ovat itse asiassa eri atomien yhdistelmä, ei yksi aine. Kaikissa tapauksissa, joissa atomipaino ei ole kokonaisluku, tarkkailemme eri isotooppien seosta. Mikä se on? Jos puhumme atomin ytimen koostumuksesta, isotoopit ovat atomeja, joilla on sama varaus, mutta eri massat.
Einstein ja atomin ydin
Suhteellisuusteorian mukaan massa ei ole mitta, jolla määrätään aineen määrää, vaan aineen energian mitta. Näin ollen ainetta ei voida mitata massalla, vaan varauksella, joka muodostaa tämän aineen, ja varauksen energialla. Kun sama varaus lähestyy toista samaa, energia kasvaa, muuten se pienenee. Tämä ei tietenkään tarkoita muutosta asiassa. Näin ollen tästä asennosta atomin ydin ei ole energian lähde, vaan pikemminkin jäännös sen vapautumisen jälkeen. Joten siinä on jokin ristiriita.
Neutronit
Curiet, kun niitä pommitettiin berylliumin alfahiukkasilla, he löysivät käsittämättömiä säteitä, jotka törmätessään atomin ytimeen hylkivät sen suurella voimalla. Ne pystyvät kuitenkin kulkemaan suuren paksuuden aineen läpi. Tämä ristiriita ratkesi sillä, että annetulla hiukkasella osoittautui olevan neutraali sähkövaraus. Sen mukaisesti sitä kutsuttiin neutroniksi. Lisätutkimuksen ansiosta kävi ilmi, että neutronin massa on lähes sama kuin protonilla. Yleisesti ottaen neutroni ja protoni ovat uskomattoman samanlaisia. Harkinnan kanssaTästä löydöstä oli ehdottomasti mahdollista todeta, että atomin ytimen koostumus sisältää sekä protoneja että neutroneja ja yhtä paljon. Kaikki loksahti vähitellen paikoilleen. Protonien lukumäärä on atomiluku. Atomipaino on neutronien ja protonien massojen summa. Isotooppia voidaan kutsua myös elementiksi, jossa neutronien ja protonien lukumäärä ei ole sama. Kuten edellä on todettu, tällaisessa tapauksessa, vaikka elementti pysyy olennaisesti samana, sen ominaisuudet voivat muuttua oleellisesti.
