با مطالعه ترکیب ماده، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که همه مواد از مولکول ها و اتم ها تشکیل شده اند. برای مدت طولانی، اتم (از یونانی به عنوان "تقسیم ناپذیر" ترجمه شده است) کوچکترین واحد ساختاری ماده در نظر گرفته می شد. با این حال، مطالعات بیشتر نشان داده است که اتم ساختار پیچیده‌ای دارد و به نوبه خود شامل ذرات کوچک‌تری است.
اتم از چه ساخته شده است؟
در سال 1911، دانشمند رادرفورد پیشنهاد کرد که اتم دارای یک بخش مرکزی است که دارای بار مثبت است. اینگونه بود که مفهوم هسته اتم برای اولین بار ظاهر شد.
طبق طرح رادرفورد، که مدل سیاره ای نامیده می شود، یک اتم از یک هسته و ذرات بنیادی با بار منفی تشکیل شده است - الکترون ها در اطراف هسته حرکت می کنند، درست همانطور که سیارات به دور خورشید می چرخند.
در سال 1932، دانشمند دیگری به نام چادویک، نوترون را کشف کرد، ذره‌ای که بار الکتریکی ندارد.
طبق مفاهیم مدرن، ساختار هسته اتم با مدل سیاره ای ارائه شده توسط رادرفورد مطابقت دارد. هسته به داخل حمل می شودبیشتر جرم اتمی بار مثبت هم دارد. هسته اتم حاوی پروتون - ذرات با بار مثبت و نوترون - ذراتی است که بار حمل نمی کنند. پروتون ها و نوترون ها را نوکلئون می نامند. ذرات باردار منفی - الکترونها - به دور هسته می چرخند.
تعداد پروتون های هسته برابر با تعداد الکترون هایی است که در مدار حرکت می کنند. بنابراین، اتم خود ذره ای است که باری ندارد. اگر یک اتم الکترون های دیگران را بگیرد یا الکترون های خود را از دست بدهد، مثبت یا منفی می شود و یون نامیده می شود.
الکترون ها، پروتون ها و نوترون ها در مجموع به عنوان ذرات زیر اتمی نامیده می شوند.
بار هسته اتم
هسته دارای عدد بار Z است. این عدد با تعداد پروتون هایی که هسته اتم را تشکیل می دهند تعیین می شود. فهمیدن این مقدار ساده است: فقط به سیستم تناوبی مندلیف مراجعه کنید. عدد اتمی عنصری که یک اتم به آن تعلق دارد برابر با تعداد پروتون های هسته است. بنابراین، اگر عنصر شیمیایی اکسیژن با شماره سریال 8 مطابقت داشته باشد، تعداد پروتون ها نیز برابر با هشت خواهد بود. از آنجایی که تعداد پروتون ها و الکترون ها در یک اتم یکسان است، هشت الکترون نیز وجود خواهد داشت.
تعداد نوترون ها را عدد ایزوتوپی می نامند و با حرف N نشان داده می شود. تعداد آنها ممکن است در اتمی از همان عنصر شیمیایی متفاوت باشد.
مجموع پروتون ها و الکترون های هسته را عدد جرمی یک اتم می گویند و با حرف A نشان داده می شود. بنابراین فرمول محاسبه عدد جرمی به این صورت است: A=Z+N.
ایزوتوپ
در مواردی که عناصر دارای تعداد پروتون و الکترون مساوی، اما تعداد نوترون متفاوت باشند، به آنها ایزوتوپ یک عنصر شیمیایی می گویند. ممکن است یک یا چند ایزوتوپ وجود داشته باشد. آنها در همان سلول سیستم تناوبی قرار می گیرند.
ایزوتوپ ها در شیمی و فیزیک اهمیت زیادی دارند. به عنوان مثال، ایزوتوپ هیدروژن - دوتریوم - در ترکیب با اکسیژن ماده کاملا جدیدی به دست می دهد که به آن آب سنگین می گویند. نقطه جوش و انجماد آن متفاوت از حد معمول است. و ترکیب دوتریوم با ایزوتوپ دیگری از هیدروژن - تریتیوم منجر به یک واکنش همجوشی گرما هسته ای می شود و می توان از آن برای تولید مقدار زیادی انرژی استفاده کرد.
جرم هسته و ذرات زیراتمی
اندازه و جرم اتم ها و ذرات زیراتمی در مفاهیم انسانی ناچیز است. اندازه هسته ها تقریباً 10-12 سانتی متر است. جرم یک هسته اتمی در فیزیک به اصطلاح واحدهای جرم اتمی اندازه گیری می شود - amu
برای یک آمو یک دوازدهم جرم اتم کربن را بگیرید. با استفاده از واحدهای اندازه گیری معمول (کیلوگرم و گرم)، جرم را می توان به صورت زیر بیان کرد: 1 بامداد.=1, 660540 10-24g. به این صورت بیان می شود، جرم اتمی مطلق نامیده می شود.
با وجود این واقعیت که هسته اتم پرجرم ترین جزء اتم است، ابعاد آن نسبت به ابر الکترونی اطراف آن بسیار کوچک است.
نیروهای هسته ای
هسته های اتمی بسیار پایدار هستند. این بدان معنی است که پروتون ها و نوترون ها توسط برخی نیروها در هسته نگه داشته می شوند. نیستممکن است نیروهای الکترومغناطیسی وجود داشته باشد، زیرا پروتون ها ذرات باردار مشابهی هستند و مشخص است که ذرات با بار یکسان یکدیگر را دفع می کنند. نیروهای گرانشی برای نگه داشتن نوکلئون ها در کنار هم ضعیف تر از آن هستند. بنابراین، ذرات توسط یک برهمکنش متفاوت - نیروهای هسته ای - در هسته نگه داشته می شوند.
فعل و انفعالات هسته ای قوی ترین از همه موجودات موجود در طبیعت در نظر گرفته می شود. بنابراین به این نوع برهمکنش بین عناصر هسته اتم قوی می گویند. این در بسیاری از ذرات بنیادی و همچنین نیروهای الکترومغناطیسی وجود دارد.
ویژگی های نیروهای هسته ای
- اقدام کوتاه. نیروهای هسته ای، بر خلاف نیروهای الکترومغناطیسی، تنها در فواصل بسیار کوچک قابل مقایسه با اندازه هسته خود را نشان می دهند.
- استقلال شارژ. این ویژگی در این واقعیت آشکار می شود که نیروهای هسته ای به طور مساوی روی پروتون ها و نوترون ها عمل می کنند.
- اشباع. نوکلئون های هسته فقط با تعداد معینی از نوکلئون های دیگر برهم کنش دارند.
انرژی اتصال هسته
چیز دیگری ارتباط نزدیکی با مفهوم برهمکنش قوی دارد - انرژی اتصال هسته ها. انرژی اتصال هسته ای مقدار انرژی مورد نیاز برای تقسیم یک هسته اتمی به نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. برابر انرژی لازم برای تشکیل یک هسته از ذرات منفرد است.
برای محاسبه انرژی اتصال یک هسته، دانستن جرم ذرات زیر اتمی ضروری است. محاسبات نشان می دهد که جرم یک هسته همیشه کمتر از مجموع نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. نقص انبوه تفاوت بین آنهاستجرم هسته و مجموع پروتون ها و الکترون های آن. با استفاده از فرمول اینشتین در مورد رابطه بین جرم و انرژی (E=mc2)، می توانید انرژی تولید شده در طول تشکیل هسته را محاسبه کنید.
قدرت انرژی اتصال هسته را می توان با مثال زیر قضاوت کرد: تشکیل چندین گرم هلیوم به اندازه احتراق چندین تن زغال سنگ انرژی تولید می کند.
واکنش های هسته ای
هسته اتم ها می توانند با هسته اتم های دیگر برهم کنش داشته باشند. این گونه فعل و انفعالات را واکنش های هسته ای می نامند. دو نوع واکنش وجود دارد.
- واکنش های شکافت. آنها زمانی اتفاق می‌افتند که هسته‌های سنگین‌تر در نتیجه تعامل به هسته‌های سبک‌تر تجزیه می‌شوند.
- واکنش های سنتز. فرآیند برعکس شکافت است: هسته‌ها با هم برخورد می‌کنند و در نتیجه عناصر سنگین‌تری را تشکیل می‌دهند.
همه واکنش های هسته ای با آزاد شدن انرژی همراه است که متعاقباً در صنعت، ارتش، انرژی و غیره استفاده می شود.
آشنایی با ترکیب هسته اتم، می توانیم به نتایج زیر دست یابیم.
- اتم از یک هسته حاوی پروتون ها و نوترون ها و الکترون های اطراف آن تشکیل شده است.
- عدد جرمی یک اتم برابر است با مجموع نوکلئون های هسته آن.
- نوکلون ها توسط نیروی قوی کنار هم نگه داشته می شوند.
- نیروهای عظیمی که هسته اتم را ثابت نگه می دارند، انرژی های اتصال هسته ای نامیده می شوند.
