Ved å studere sammensetningen av materie kom forskerne til den konklusjon at all materie består av molekyler og atomer. I lang tid ble atomet (oversatt fra gresk som "udelelig") ansett som den minste strukturelle enheten av materie. Ytterligere studier har imidlertid vist at atomet har en kompleks struktur og i sin tur inkluderer mindre partikler.
Hva er et atom laget av?
I 1911 foreslo forskeren Rutherford at atomet har en sentral del som har en positiv ladning. Slik oppsto begrepet atomkjernen først.
I følge Rutherfords skjema, k alt planetmodellen, består et atom av en kjerne og elementarpartikler med negativ ladning – elektroner som beveger seg rundt kjernen, akkurat som planetene går i bane rundt solen.
I 1932 oppdaget en annen forsker, Chadwick, nøytronet, en partikkel som ikke har noen elektrisk ladning.
I følge moderne konsepter tilsvarer strukturen til atomkjernen planetmodellen foreslått av Rutherford. Kjernen bæres innmesteparten av atommassen. Den har også en positiv ladning. Atomkjernen inneholder protoner – positivt ladede partikler og nøytroner – partikler som ikke bærer en ladning. Protoner og nøytroner kalles nukleoner. Negativt ladede partikler - elektroner - går i bane rundt kjernen.
Antallet protoner i kjernen er lik antallet elektroner som beveger seg i bane. Derfor er selve atomet en partikkel som ikke bærer en ladning. Hvis et atom fanger andres elektroner eller mister sine egne, blir det positivt eller negativt og kalles et ion.
Elektroner, protoner og nøytroner blir samlet referert til som subatomære partikler.
ladningen til atomkjernen
Kjernen har et ladningsnummer Z. Det bestemmes av antall protoner som utgjør atomkjernen. Å finne ut dette beløpet er enkelt: bare referer til det periodiske systemet til Mendeleev. Atomnummeret til grunnstoffet et atom tilhører er lik antall protoner i kjernen. Således, hvis det kjemiske elementet oksygen tilsvarer serienummeret 8, vil antallet protoner også være lik åtte. Siden antallet protoner og elektroner i et atom er det samme, vil det også være åtte elektroner.
Antallet nøytroner kalles isotopnummeret og er betegnet med bokstaven N. Antallet deres kan variere i et atom av samme kjemiske grunnstoff.
Summen av protoner og elektroner i kjernen kalles massetallet til et atom og er betegnet med bokstaven A. Formelen for beregning av massetallet ser altså slik ut: A=Z+N.
Isotopes
I tilfellet når grunnstoffer har like mange protoner og elektroner, men et annet antall nøytroner, kalles de isotoper av et kjemisk grunnstoff. Det kan være en eller flere isotoper. De er plassert i samme celle i det periodiske systemet.
Isotoper er av stor betydning i kjemi og fysikk. For eksempel gir en isotop av hydrogen - deuterium - i kombinasjon med oksygen et helt nytt stoff, som kalles tungtvann. Den har et annet koke- og frysepunkt enn vanlig. Og kombinasjonen av deuterium med en annen isotop av hydrogen - tritium fører til en termonukleær fusjonsreaksjon og kan brukes til å generere en enorm mengde energi.
Kjernens masse og subatomære partikler
Størrelsene og massene til atomer og subatomære partikler er ubetydelige i menneskelige konsepter. Størrelsen på kjernene er omtrent 10-12cm. Massen til en atomkjerne måles i fysikk i de såk alte atommasseenhetene - amu
For en amu ta en tolvtedel av massen til et karbonatom. Ved å bruke de vanlige måleenhetene (kilogram og gram), kan massen uttrykkes som følger: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Uttrykt på denne måten kalles den absolutt atommasse.
Til tross for at atomkjernen er den mest massive komponenten i atomet, er dimensjonene i forhold til elektronskyen som omgir den ekstremt små.
Nuclear Forces
Atomkjerner er ekstremt stabile. Dette betyr at protoner og nøytroner holdes i kjernen av noen krefter. Er ikkedet kan være elektromagnetiske krefter, siden protoner er like-ladede partikler, og det er kjent at partikler med samme ladning frastøter hverandre. Gravitasjonskreftene er for svake til å holde nukleonene sammen. Derfor holdes partikler i kjernen av en annen interaksjon - kjernekrefter.
Kjernefysisk interaksjon regnes som den sterkeste av alle som finnes i naturen. Derfor kalles denne typen interaksjon mellom elementene i atomkjernen sterk. Det finnes i mange elementærpartikler, så vel som elektromagnetiske krefter.
Funksjoner ved kjernefysiske styrker
- Kort handling. Kjernekrefter, i motsetning til elektromagnetiske krefter, manifesterer seg bare på svært små avstander som kan sammenlignes med størrelsen på kjernen.
- Charge-uavhengighet. Denne funksjonen kommer til uttrykk i det faktum at kjernefysiske krefter virker likt på protoner og nøytroner.
- Saturation. Nukleonene i kjernen samhandler bare med et visst antall andre nukleoner.
Kjernebindingsenergi
En annen ting er nært forbundet med begrepet sterk interaksjon - bindingsenergien til kjerner. Kjernefysisk bindingsenergi er mengden energi som kreves for å splitte en atomkjerne i dens bestanddeler av nukleoner. Det er lik energien som kreves for å danne en kjerne fra individuelle partikler.
For å beregne bindingsenergien til en kjerne, er det nødvendig å kjenne massen til subatomære partikler. Beregninger viser at massen til en kjerne alltid er mindre enn summen av dens konstituerende nukleoner. Massefeilen er forskjellen mellommassen til kjernen og summen av dens protoner og elektroner. Ved å bruke Einstein-formelen om forholdet mellom masse og energi (E=mc2), kan du beregne energien som genereres under dannelsen av kjernen.
Styrken til bindingsenergien til kjernen kan bedømmes ved følgende eksempel: dannelsen av flere gram helium produserer like mye energi som forbrenningen av flere tonn kull.
Atomreaksjoner
Kjernene til atomer kan samhandle med kjernene til andre atomer. Slike interaksjoner kalles kjernereaksjoner. Det er to typer reaksjoner.
- Fisjonsreaksjoner. De oppstår når tyngre kjerner brytes ned til lettere kjerner som et resultat av interaksjonen.
- Reaksjoner av syntese. Prosessen er det motsatte av fisjon: kjernene kolliderer, og danner derved tyngre grunnstoffer.
Alle kjernefysiske reaksjoner er ledsaget av frigjøring av energi, som senere brukes i industrien, i militæret, i energi og så videre.
Ved å gjøre oss kjent med sammensetningen av atomkjernen, kan vi trekke følgende konklusjoner.
- Atom består av en kjerne som inneholder protoner og nøytroner, og elektroner rundt den.
- Massetallet til et atom er lik summen av nukleonene i kjernen.
- Nukloner holdes sammen av den sterke kraften.
- De enorme kreftene som holder atomkjernen stabil kalles atombindingsenergiene.
