Средата на миналия век бележи раждането на нова ера в историята на човечеството. Каменната епоха някога е била заменена от бронзовата епоха, след което последователно следват периодите на управлението на желязото, парата и електричеството. Сега сме в самото начало на ерата на атома. Дори и най-повърхностните познания в областта на структурата на атомното ядро разкриват безпрецедентни хоризонти за човечеството.
Какво знаем за атомното ядро? Фактът, че съставлява 99,99% от масата на целия атом и се състои от частици, които обикновено се наричат нуклони. Какво представляват нуклоните, колко от тях, какви са те, сега всеки гимназист, който има солидна четворка по физика, знае.
Как да си представим структурата на атома
Уви, няма да е скоро да се появи техника, която ви позволява да видите частиците, които изграждат един атом, атомно ядро. Има хиляди въпроси за това как е подредена материята, а също така има много теории за структурата на елементарните частици. Към днешна дата теорията, чеотговаря на повечето въпроси, е планетарният модел на структурата на атома.
Според него отрицателно заредените електрони се въртят около положително заредено ядро, задържано от електрическо привличане. Какво представляват нуклоните? Факт е, че ядрото не е монолитно, то се състои от положително заредени протони и неутрони - частици с нулев заряд. Това са частиците, от които е изградено атомното ядро и е прието да ги наричаме нуклони.
Откъде се появи тази теория, ако частиците са толкова малки? Учените стигнаха до заключението за планетарната структура на атома чрез насочване на лъчи от различни микрочастици върху най-тънките метални плочи.
Какви са неговите размери
Знанията за структурата на атома няма да бъдат пълни, ако не си представите елементите му в мащаб. Ядрото е изключително малко, дори в сравнение със самия атом. Ако си представите атом, например злато, под формата на огромен балон с диаметър 200 метра, тогава сърцевината му ще бъде просто … лешник. Но какво представляват нуклоните и защо те играят толкова важна роля? Да, макар и само защото в тях е концентрирана цялата маса на атома.
В гнездата на кристалната решетка златните атоми са разположени доста гъсто, така че разстоянието между съседните "ядки" в възприетата от нас скала ще бъде около 250-300 метра.
Протон
Учените отдавна подозират, че ядрото на атома не е някаква монолитна субстанция. Величината на масата и заряда, нарастващи на „стъпки“от един химически елемент към друг, бяха болезнено поразителни. Логично беше да се предположиче има определени частици с фиксиран положителен заряд, от които се „събират” ядрата на всички атоми. Колко положително заредени нуклони има в ядрото, това ще бъде неговият заряд.
Предположенията за сложната структура на атомното ядро са направени още в периода на конструирането на Менделеев на неговата периодична таблица на елементите. Техническите възможности за експериментално потвърждаване на предположенията обаче не са съществували по това време. Едва в началото на 20-ти век Ърнест Ръдърфорд прави експеримент, който потвърждава съществуването на протона.
В резултат на излагане на веществото от радиацията на радиоактивни метали, от време на време се появява частица - копие на ядрото на водороден атом. Имаше същото тегло (1,67 ∙ 10-27 кг) и атомен заряд +1.
Неутрон
Изводът за необходимостта от търсене на друга частица, задочно наречена неутрон, дойде бързо. Тъй като въпросът колко нуклони има в ядрото и какви са те, лежеше в неравномерния растеж на масата и заряда с промяна в редовния номер на елемента. Ръдърфорд направи предположение за съществуването на протонен близнак с нулев заряд, но не успя да потвърди предположението си.
Като цяло ядрените учени вече имаха добра представа за това какво представляват нуклоните и количествения състав на атомните ядра. И неуловимата частица, но експериментално открита от никой, чакаше в крилете си. За негов откривател се смята Джеймс Чадуик, който успява да изолира "невидимото" от веществото,подлагайки го на бомбардиране с хелиеви ядра, ускорени до свръхвисоки скорости (α-частици). Масата на частицата, както се очакваше, се оказа равна на масата на по-рано открития протон. Според съвременните изследвания неутронът е малко по-тежък.
Малко повече за "тухлите" на атомното ядро
Изчислете колко нуклона в ядрото на химичен елемент или неговия изотоп е лесно. Това изисква две неща: периодична таблица и калкулатор, въпреки че можете да изчислите наум. Пример са двата общи изотопа на урана: 235 и 238. Тези числа представляват атомната маса. Серийният номер на урана е 92, той винаги обозначава заряда на ядрото.
Както знаете, нуклоните в ядрото на атома могат да бъдат или положително заредени протони, или неутрони със същата маса, но без заряд. Сериен номер 92 обозначава числото в ядрото на протоните. Броят на неутроните се изчислява чрез просто изваждане:
- - уран 235, брой неутрони=235 – 92=143;
- - уран 238, брой неутрони=238 – 92=146.
И колко нуклона могат да бъдат събрани наведнъж? Смята се, че на определен етап от живота на звездите с достатъчна маса, когато термоядрената реакция вече не е в състояние да задържи силата на гравитацията, налягането в недрата на звездата се увеличава толкова много, че „залепва“електрони към протони. В резултат на това зарядът става нула и двойката протон-електрон се превръща в неутрон. Получената материя, състояща се от "пресовани" неутрони, е изключително плътна.
Звезда, тежаща в нашето слънце, се превръща в топканяколко десетки километра в диаметър. Една чаена лъжичка от такава "неутронна каша" може да тежи няколкостотин тона на Земята.
