Proučavajući sastav materije, naučnici su došli do zaključka da se sva materija sastoji od molekula i atoma. Dugo se vremena atom (preveden s grčkog kao "nedjeljiv") smatrao najmanjom strukturnom jedinicom materije. Međutim, daljnje studije su pokazale da atom ima složenu strukturu i, zauzvrat, uključuje manje čestice.
Od čega je napravljen atom?
1911. godine naučnik Rutherford je sugerirao da atom ima središnji dio koji ima pozitivan naboj. Ovako se prvi put pojavio koncept atomskog jezgra.
Prema Rutherfordovoj šemi, nazvanoj planetarni model, atom se sastoji od jezgra i elementarnih čestica sa negativnim nabojem - elektrona koji se kreću oko jezgra, baš kao što planete kruže oko Sunca.
Godine 1932, drugi naučnik, Chadwick, otkrio je neutron, česticu koja nema električni naboj.
Prema modernim konceptima, struktura atomskog jezgra odgovara planetarnom modelu koji je predložio Rutherford. Nukleus se prenosi unutravećinu atomske mase. Takođe ima pozitivan naboj. Atomsko jezgro sadrži protone - pozitivno nabijene čestice i neutrone - čestice koje ne nose naboj. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni. Negativno nabijene čestice - elektroni - kruže oko jezgra.
Broj protona u jezgru jednak je broju elektrona koji se kreću po orbiti. Dakle, sam atom je čestica koja ne nosi naboj. Ako atom zarobi tuđe elektrone ili izgubi svoje, tada postaje pozitivan ili negativan i naziva se jon.
Elektroni, protoni i neutroni se zajednički nazivaju subatomskim česticama.
Naboj atomskog jezgra
Jezgro ima broj naboja Z. Određen je brojem protona koji čine atomsko jezgro. Saznati ovaj iznos je jednostavno: samo pogledajte periodični sistem Mendeljejeva. Atomski broj elementa kojem atom pripada jednak je broju protona u jezgru. Dakle, ako kemijski element kisik odgovara serijskom broju 8, tada će i broj protona biti jednak osam. Pošto je broj protona i elektrona u atomu isti, biće i osam elektrona.
Broj neutrona naziva se izotopski broj i označava se slovom N. Njihov broj može varirati u atomu istog hemijskog elementa.
Zbir protona i elektrona u jezgru naziva se maseni broj atoma i označava se slovom A. Dakle, formula za izračunavanje masenog broja izgleda ovako: A=Z+N.
Izotopi
U slučaju kada elementi imaju jednak broj protona i elektrona, ali različit broj neutrona, oni se nazivaju izotopi hemijskog elementa. Može postojati jedan ili više izotopa. Smješteni su u istu ćeliju periodnog sistema.
Izotopi su od velike važnosti u hemiji i fizici. Na primjer, izotop vodika - deuterijum - u kombinaciji s kisikom daje potpuno novu tvar, koja se zove teška voda. Ima drugačiju tačku ključanja i smrzavanja od uobičajene. A kombinacija deuterija sa drugim izotopom vodika - tricijum dovodi do reakcije termonuklearne fuzije i može se koristiti za stvaranje ogromne količine energije.
Masa jezgra i subatomskih čestica
Veličine i mase atoma i subatomskih čestica su zanemarljive u ljudskim konceptima. Veličina zrna je približno 10-12cm. Masa atomskog jezgra se u fizici mjeri u takozvanim jedinicama atomske mase - amu
Za jednu amu uzeti jednu dvanaestinu mase atoma ugljika. Koristeći uobičajene mjerne jedinice (kilogrami i grami), masa se može izraziti na sljedeći način: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Izraženo na ovaj način, naziva se apsolutna atomska masa.
Uprkos činjenici da je atomsko jezgro najmasivnija komponenta atoma, njegove dimenzije u odnosu na elektronski oblak koji ga okružuje su izuzetno male.
Nuklearne snage
Atomska jezgra su izuzetno stabilna. To znači da se protoni i neutroni drže u jezgru pomoću nekih sila. Nijemogu postojati elektromagnetne sile, pošto su protoni slično naelektrisane čestice, a poznato je da se čestice sa istim nabojem međusobno odbijaju. Gravitacijske sile su preslabe da drže nukleone zajedno. Stoga se čestice u jezgru drže drugačijem interakcijom - nuklearnim silama.
Nuklearna interakcija se smatra najjačom od svih postojećih u prirodi. Stoga se ova vrsta interakcije između elemenata atomskog jezgra naziva jakom. Prisutan je u mnogim elementarnim česticama, kao iu elektromagnetnim silama.
Obilježja nuklearnih snaga
- Kratka akcija. Nuklearne sile, za razliku od elektromagnetnih sila, manifestuju se samo na veoma malim udaljenostima koje su uporedive sa veličinom jezgra.
- Nezavisnost punjenja. Ova karakteristika se manifestuje u činjenici da nuklearne sile podjednako deluju na protone i neutrone.
- Saturation. Nukleoni jezgra komuniciraju samo sa određenim brojem drugih nukleona.
Core Binding Energy
Još jedna stvar je usko povezana sa konceptom snažne interakcije - energija vezivanja jezgara. Energija nuklearnog vezivanja je količina energije potrebna da se atomsko jezgro podijeli na njegove sastavne nukleone. Jednaka je energiji potrebnoj da se od pojedinačnih čestica formira jezgro.
Da bi se izračunala energija vezivanja jezgra, potrebno je znati masu subatomskih čestica. Proračuni pokazuju da je masa jezgra uvijek manja od zbira njegovih sastavnih nukleona. Defekt mase je razlika izmeđumasa jezgra i zbir njegovih protona i elektrona. Koristeći Ajnštajnovu formulu o odnosu između mase i energije (E=mc2), možete izračunati energiju generisanu tokom formiranja jezgra.
Jačina energije vezivanja jezgra može se procijeniti na sljedećem primjeru: formiranje nekoliko grama helijuma proizvodi onoliko energije koliko i sagorijevanje nekoliko tona uglja.
Nuklearne reakcije
Jezgra atoma mogu stupiti u interakciju s jezgrima drugih atoma. Takve interakcije se nazivaju nuklearne reakcije. Postoje dvije vrste reakcija.
- Fisijske reakcije. Nastaju kada se teža jezgra razbiju na lakša kao rezultat interakcije.
- Reakcije sinteze. Proces je obrnut od fisije: jezgra se sudaraju i tako formiraju teže elemente.
Sve nuklearne reakcije su praćene oslobađanjem energije, koja se kasnije koristi u industriji, u vojsci, u energetici i tako dalje.
Upoznavajući sastav atomskog jezgra, možemo izvući sljedeće zaključke.
- Atom se sastoji od jezgra koje sadrži protone i neutrone, i elektrone oko sebe.
- Maseni broj atoma jednak je zbiru nukleona njegovog jezgra.
- Nukloni se drže zajedno snažnom silom.
- Ogromne sile koje održavaju atomsko jezgro stabilnim nazivaju se nuklearne energije vezivanja.
