S preučevanjem sestave snovi so znanstveniki prišli do zaključka, da je vsa snov sestavljena iz molekul in atomov. Dolgo časa je atom (v prevodu iz grščine kot "nedeljiv") veljal za najmanjšo strukturno enoto snovi. Vendar pa so nadaljnje študije pokazale, da ima atom zapleteno strukturo in posledično vključuje manjše delce.
Iz česa je sestavljen atom?
Leta 1911 je znanstvenik Rutherford predlagal, da ima atom osrednji del, ki ima pozitiven naboj. Tako se je prvič pojavil koncept atomskega jedra.
Po Rutherfordovi shemi, imenovani planetarni model, je atom sestavljen iz jedra in elementarnih delcev z negativnim nabojem - elektronov, ki se gibljejo okoli jedra, tako kot planeti krožijo okoli Sonca.
Leta 1932 je drugi znanstvenik, Chadwick, odkril nevtron, delec, ki nima električnega naboja.
Po sodobnih konceptih struktura atomskega jedra ustreza planetarnemu modelu, ki ga je predlagal Rutherford. Jedro se prenašavečino atomske mase. Ima tudi pozitiven naboj. Atomsko jedro vsebuje protone – pozitivno nabite delce in nevtrone – delce, ki nimajo naboja. Protoni in nevtroni se imenujejo nukleoni. Negativno nabiti delci - elektroni - krožijo okoli jedra.
Število protonov v jedru je enako številu elektronov, ki se gibljejo po orbiti. Zato je sam atom delec, ki ne nosi naboja. Če atom ujame elektrone drugih ljudi ali izgubi svoje, postane pozitiven ali negativen in se imenuje ion.
Elektroni, protoni in nevtroni se skupaj imenujejo subatomski delci.
Naboj atomskega jedra
Jedro ima nabojno številko Z. Določeno je s številom protonov, ki sestavljajo atomsko jedro. Ugotoviti ta znesek je preprosto: samo se obrnite na periodični sistem Mendelejeva. Atomsko število elementa, ki mu pripada atom, je enako številu protonov v jedru. Torej, če kemični element kisik ustreza zaporedni številki 8, bo tudi število protonov enako osmim. Ker je število protonov in elektronov v atomu enako, bo tudi osem elektronov.
Število nevtronov se imenuje izotopsko število in je označeno s črko N. Njihovo število se lahko razlikuje v atomu istega kemičnega elementa.
Vsota protonov in elektronov v jedru se imenuje masno število atoma in je označena s črko A. Tako je formula za izračun masnega števila videti takole: A=Z+N.
Izotopi
V primeru, ko imajo elementi enako število protonov in elektronov, a različno število nevtronov, se imenujejo izotopi kemičnega elementa. Lahko je eden ali več izotopov. Postavljeni so v isto celico periodnega sistema.
Izotopi so velikega pomena v kemiji in fiziki. Na primer, izotop vodika - devterij - v kombinaciji s kisikom daje popolnoma novo snov, ki se imenuje težka voda. Ima drugačno vrelišče in ledišče kot običajno. In kombinacija devterija z drugim izotopom vodika - tritijem vodi do termonuklearne fuzijske reakcije in se lahko uporabi za ustvarjanje ogromne količine energije.
Masa jedra in subatomskih delcev
Velikosti in mase atomov in subatomskih delcev so v človeških konceptih zanemarljive. Velikost jedrc je približno 10-12cm. Masa atomskega jedra se v fiziki meri v tako imenovanih atomskih masnih enotah - amu
Za eno amu vzamemo eno dvanajstino mase ogljikovega atoma. Z uporabo običajnih merskih enot (kilogramov in gramov) lahko maso izrazimo na naslednji način: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Izražena na ta način, se imenuje absolutna atomska masa.
Kljub dejstvu, da je atomsko jedro najbolj masivna komponenta atoma, so njegove dimenzije glede na elektronski oblak, ki ga obdaja, izjemno majhne.
jedrske sile
Atomska jedra so izjemno stabilna. To pomeni, da nekatere sile zadržijo protone in nevtrone v jedru. Nilahko obstajajo elektromagnetne sile, saj so protoni podobno nabiti delci, znano pa je, da se delci z enakim nabojem odbijajo. Gravitacijske sile so prešibke, da bi nukleone držale skupaj. Zato delce v jedru drži drugačna interakcija – jedrske sile.
Jedrska interakcija velja za najmočnejšo od vseh obstoječih v naravi. Zato se ta vrsta interakcije med elementi atomskega jedra imenuje močna. Prisoten je v številnih elementarnih delcih, pa tudi v elektromagnetnih silah.
Lastnosti jedrskih sil
- Kratka akcija. Jedrske sile se za razliko od elektromagnetnih sil kažejo le na zelo majhnih razdaljah, primerljivih z velikostjo jedra.
- Neodvisnost polnjenja. Ta lastnost se kaže v tem, da jedrske sile delujejo enako na protone in nevtrone.
- Nasičenost. Nukleoni jedra delujejo le z določenim številom drugih nukleonov.
Core Binding Energy
S konceptom močne interakcije je tesno povezana še ena stvar - vezavna energija jeder. Energija jedrske vezave je količina energije, ki je potrebna za razdelitev atomskega jedra na njegove sestavne nukleone. Enaka je energiji, ki je potrebna za tvorbo jedra iz posameznih delcev.
Za izračun energije vezave jedra je potrebno poznati maso subatomskih delcev. Izračuni kažejo, da je masa jedra vedno manjša od vsote njegovih sestavnih nukleonov. Masna napaka je razlika medmasa jedra in vsota njegovih protonov in elektronov. Z uporabo Einsteinove formule o razmerju med maso in energijo (E=mc2) lahko izračunate energijo, ki nastane med nastankom jedra.
Moč vezne energije jedra lahko ocenimo z naslednjim primerom: tvorba več gramov helija proizvede toliko energije kot zgorevanje več ton premoga.
jedrske reakcije
Jedra atomov lahko medsebojno delujejo z jedri drugih atomov. Takšne interakcije imenujemo jedrske reakcije. Obstajata dve vrsti reakcij.
- Fisijske reakcije. Pojavijo se, ko se težja jedra zaradi interakcije razgradijo na lažja.
- Reakcije sinteze. Proces je obraten od cepitve: jedra trčijo in tako tvorijo težje elemente.
Vse jedrske reakcije spremlja sproščanje energije, ki se nato uporablja v industriji, vojski, energetiki itd.
Ko se seznanimo s sestavo atomskega jedra, lahko naredimo naslednje zaključke.
- Atom je sestavljen iz jedra, ki vsebuje protone in nevtrone ter elektrone okoli njega.
- Masno število atoma je enako vsoti nukleonov njegovega jedra.
- Nukloni drži skupaj močna sila.
- Ogromne sile, ki ohranjajo stabilnost atomskega jedra, se imenujejo jedrske vezne energije.
