Изучавайки състава на материята, учените стигнаха до заключението, че цялата материя се състои от молекули и атоми. Дълго време атомът (в превод от гръцки като "неделим") се смяташе за най-малката структурна единица на материята. По-нататъшни изследвания обаче показват, че атомът има сложна структура и от своя страна включва по-малки частици.
От какво е направен атомът?
През 1911 г. ученият Ръдърфорд предполага, че атомът има централна част, която има положителен заряд. Ето как за първи път се появи концепцията за атомното ядро.
Според схемата на Ръдърфорд, наречена планетарен модел, атомът се състои от ядро и елементарни частици с отрицателен заряд - електрони, движещи се около ядрото, точно както планетите обикалят около Слънцето.
През 1932 г. друг учен, Чадуик, открива неутрона, частица, която няма електрически заряд.
Според съвременните концепции структурата на атомното ядро съответства на планетарния модел, предложен от Ръдърфорд. Ядрото се пренася вътрепо-голямата част от атомната маса. Има и положителен заряд. Атомното ядро съдържа протони - положително заредени частици и неутрони - частици, които не носят заряд. Протоните и неутроните се наричат нуклони. Отрицателно заредени частици - електрони - орбитират около ядрото.
Броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните, движещи се в орбита. Следователно самият атом е частица, която не носи заряд. Ако един атом улови електроните на други хора или загуби своите, тогава той става положителен или отрицателен и се нарича йон.
Електроните, протоните и неутроните общо се наричат субатомни частици.
Зарядът на атомното ядро
Ядрото има зарядно число Z. То се определя от броя на протоните, които изграждат атомното ядро. Откриването на тази сума е просто: просто се обърнете към периодичната система на Менделеев. Атомният номер на елемента, към който принадлежи атомът, е равен на броя на протоните в ядрото. По този начин, ако химическият елемент кислород съответства на поредния номер 8, тогава броят на протоните също ще бъде равен на осем. Тъй като броят на протоните и електроните в атома е един и същ, ще има и осем електрона.
Броят на неутроните се нарича изотопно число и се обозначава с буквата N. Техният брой може да варира в атом от един и същ химичен елемент.
Сборът от протони и електрони в ядрото се нарича масов номер на атом и се обозначава с буквата A. Така формулата за изчисляване на масовото число изглежда така: A=Z+N.
Изотопи
В случай, че елементите имат еднакъв брой протони и електрони, но различен брой неутрони, те се наричат изотопи на химичен елемент. Може да има един или повече изотопи. Те се поставят в една и съща клетка на периодичната система.
Изотопите са от голямо значение в химията и физиката. Например, изотоп на водорода - деутерий - в комбинация с кислород дава напълно ново вещество, което се нарича тежка вода. Има различна точка на кипене и замръзване от обикновено. А комбинацията от деутерий с друг изотоп на водорода - тритий води до реакция на термоядрен синтез и може да се използва за генериране на огромно количество енергия.
Маса на ядрото и субатомни частици
Размерите и масите на атомите и субатомните частици са незначителни в човешките представи. Размерът на ядките е приблизително 10-12cm. Масата на атомното ядро се измерва във физиката в така наречените атомни единици за маса - amu
За едно аму вземете една дванадесета от масата на въглеродния атом. Използвайки обичайните мерни единици (килограми и грамове), масата може да бъде изразена по следния начин: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Изразена по този начин, тя се нарича абсолютна атомна маса.
Въпреки факта, че атомното ядро е най-масивният компонент на атома, неговите размери спрямо електронния облак около него са изключително малки.
Ядрени сили
Атомните ядра са изключително стабилни. Това означава, че протоните и неутроните се задържат в ядрото от някои сили. Не еможе да има електромагнитни сили, тъй като протоните са еднакво заредени частици и е известно, че частиците с еднакъв заряд се отблъскват. Гравитационните сили са твърде слаби, за да задържат нуклоните заедно. Следователно, частиците се задържат в ядрото чрез различно взаимодействие - ядрени сили.
Ядреното взаимодействие се счита за най-силното от всички съществуващи в природата. Следователно този тип взаимодействие между елементите на атомното ядро се нарича силно. Той присъства в много елементарни частици, както и в електромагнитни сили.
Характеристики на ядрените сили
- Кратко действие. Ядрените сили, за разлика от електромагнитните сили, се проявяват само на много малки разстояния, сравними с размера на ядрото.
- Зареждане на независимост. Тази особеност се проявява във факта, че ядрените сили действат еднакво върху протоните и неутроните.
- Насищане. Нуклоните на ядрото взаимодействат само с определен брой други нуклони.
Основна свързваща енергия
Друго нещо е тясно свързано с концепцията за силно взаимодействие - енергията на свързване на ядрата. Ядрената енергия на свързване е количеството енергия, необходимо за разделяне на атомно ядро на съставните му нуклони. Тя е равна на енергията, необходима за образуване на ядро от отделни частици.
За да се изчисли енергията на свързване на ядрото, е необходимо да се знае масата на субатомните частици. Изчисленията показват, че масата на едно ядро винаги е по-малка от сумата на съставните му нуклони. Масовият дефект е разликата междумасата на ядрото и сумата от неговите протони и електрони. Използвайки формулата на Айнщайн за връзката между масата и енергията (E=mc2), можете да изчислите енергията, генерирана по време на образуването на ядрото.
За силата на енергията на свързване на ядрото може да се съди по следния пример: образуването на няколко грама хелий произвежда толкова енергия, колкото изгарянето на няколко тона въглища.
Ядрени реакции
Ядрата на атомите могат да взаимодействат с ядрата на други атоми. Такива взаимодействия се наричат ядрени реакции. Има два вида реакции.
- Реакции на делене. Те възникват, когато по-тежките ядра се разпадат на по-леки в резултат на взаимодействието.
- Реакции на синтез. Процесът е обратен на деленето: ядрата се сблъскват, като по този начин образуват по-тежки елементи.
Всички ядрени реакции са придружени от освобождаване на енергия, която впоследствие се използва в индустрията, във военните, в енергетиката и така нататък.
Запознавайки се със състава на атомното ядро, можем да направим следните изводи.
- Атомът се състои от ядро, съдържащо протони и неутрони, и електрони около него.
- Масовото число на атома е равно на сумата от нуклоните на неговото ядро.
- Нуклоните се държат заедно от силната сила.
- Огромните сили, които поддържат стабилността на атомното ядро, се наричат ядрени свързващи енергии.
