اواسط قرن گذشته تولد دوران جدیدی در تاریخ بشریت بود. عصر حجر زمانی با عصر برنز جایگزین شد، سپس دوره‌های سلطنت آهن، بخار و برق به‌طور متوالی دنبال شد. ما اکنون در همان آغاز عصر اتم هستیم. حتی سطحی ترین دانش در زمینه ساختار هسته اتم افق های بی سابقه ای را برای بشریت باز می کند.
در مورد هسته اتم چه می دانیم؟ این واقعیت که 99.99٪ از جرم کل اتم را تشکیل می دهد و از ذراتی تشکیل شده است که معمولاً به آنها نوکلئون می گویند. نوکلئون ها چیست، چند تا از آنها چیست، حالا هر دانش آموز دبیرستانی که در فیزیک چهار جامد دارد، می داند.
چگونه ساختار اتم را تصور کنیم
افسوس، به زودی تکنیکی ظاهر نمی شود که به شما امکان می دهد ذرات تشکیل دهنده یک اتم، یک هسته اتم را ببینید. هزاران سوال در مورد نحوه چیدمان ماده وجود دارد و همچنین نظریه های زیادی در مورد ساختار ذرات بنیادی وجود دارد. تا به امروز، این نظریه کهبه اکثر سوالات پاسخ می دهد، مدل سیاره ای ساختار اتم است.
بر اساس آن، الکترون های با بار منفی در اطراف یک هسته با بار مثبت که توسط جاذبه الکتریکی نگه داشته می شود، می چرخند. نوکلئون ها چیست؟ واقعیت این است که هسته یکپارچه نیست، از پروتون ها و نوترون های با بار مثبت تشکیل شده است - ذرات با بار صفر. اینها ذراتی هستند که هسته اتم از آنها ساخته شده است و مرسوم است که آنها را نوکلئون می نامند.
این نظریه از کجا آمده است، اگر ذرات آنقدر کوچک هستند؟ دانشمندان در مورد ساختار سیاره ای اتم با هدایت پرتوهایی از ریزذرات مختلف به نازک ترین صفحات فلزی به این نتیجه رسیدند.
ابعاد آن چقدر است
دانش در مورد ساختار اتم کامل نخواهد بود اگر عناصر آن را در مقیاس تصور نکنید. هسته بسیار کوچک است، حتی در مقایسه با خود اتم. اگر یک اتم، به عنوان مثال، طلا را به شکل یک بالن عظیم با قطر 200 متر تصور کنید، هسته آن فقط یک فندق خواهد بود. اما نوکلئون ها چیست و چرا نقش مهمی ایفا می کنند؟ بله، فقط به این دلیل که کل جرم اتم در آنها متمرکز است.
در لانه‌های شبکه کریستالی، اتم‌های طلا کاملاً متراکم قرار دارند، بنابراین فاصله بین "آجیل" همسایه در مقیاسی که ما اتخاذ کرده‌ایم حدود 250-300 متر خواهد بود.
پروتون
دانشمندان مدتهاست که گمان می کردند که هسته اتم نوعی ماده یکپارچه نیست. بزرگی جرم و بار، که به صورت "گام" از یک عنصر شیمیایی به عنصر دیگر رشد می کرد، به طرز دردناکی قابل توجه بود. منطقی بود که فرض کنیمذرات معینی با بار مثبت ثابت وجود دارند که هسته‌های همه اتم‌ها از آنها جمع‌آوری می‌شوند. چند نوکلئون با بار مثبت در هسته وجود دارد، این بار آن خواهد بود.
فرضیات در مورد ساختار پیچیده هسته اتم در دوره ای که مندلیف جدول تناوبی عناصر خود را ساخت. با این حال، امکانات فنی برای تایید تجربی حدس ها در آن زمان وجود نداشت. تنها در آغاز قرن بیستم، ارنست رادرفورد آزمایشی انجام داد که وجود پروتون را تایید کرد.
در نتیجه قرار گرفتن در معرض این ماده توسط تابش فلزات رادیواکتیو، هر از گاهی یک ذره ظاهر می شود - یک کپی از هسته یک اتم هیدروژن. وزن آن یکسان بود (1.67 ∙ 10-27 کیلوگرم) و بار اتمی +1.
نوترون
نتیجه گیری در مورد نیاز به جست و جو برای ذره ای دیگر، به طور غیابی به نام نوترون، به سرعت به دست آمد. از آنجایی که این سؤال که چند نوکلئون در هسته وجود دارد و چه هستند، در رشد ناهموار جرم و بار با تغییر در تعداد ترتیبی عنصر وجود دارد. رادرفورد در مورد وجود یک پروتون دوقلو با بار صفر فرضی کرد، اما او نتوانست حدس خود را تأیید کند.
به طور کلی، دانشمندان هسته ای قبلاً ایده خوبی از چیستی نوکلئون ها و ترکیب کمی هسته های اتمی داشتند. و ذره گریزان، اما به طور تجربی توسط کسی کشف نشده بود، در بال ها منتظر بود. جیمز چادویک به عنوان کاشف آن در نظر گرفته می شود که موفق شد "نامرئی" را از ماده جدا کند.آن را در معرض بمباران هسته های هلیوم با سرعت فوق العاده بالا (ذرات α) قرار می دهند. همانطور که انتظار می رفت، جرم ذره برابر با جرم پروتون کشف شده قبلی است. بر اساس تحقیقات مدرن، نوترون کمی سنگین تر است.
کمی بیشتر در مورد "آجرهای" هسته اتم
محاسبه تعداد نوکلئون در هسته یک عنصر شیمیایی یا ایزوتوپ آن آسان است. این کار به دو چیز نیاز دارد: جدول تناوبی و ماشین حساب، اگرچه می توانید در ذهن خود محاسبه کنید. یک مثال دو ایزوتوپ رایج اورانیوم است: 235 و 238. این اعداد نشان دهنده جرم اتمی است. شماره سریال اورانیوم 92 است، همیشه نشان دهنده بار هسته است.
همانطور که می‌دانید، نوکلئون‌های هسته یک اتم می‌توانند پروتون‌هایی با بار مثبت یا نوترون‌هایی با جرم مشابه، اما بدون بار باشند. شماره سریال 92 عدد موجود در هسته پروتون ها را نشان می دهد. تعداد نوترون ها با تفریق ساده محاسبه می شود:
- - اورانیوم 235، تعداد نوترون ها=235 - 92=143؛
- - اورانیوم 238، تعداد نوترون ها=238 - 92=146.
و چند نوکلئون را می توان در یک زمان با هم جمع کرد؟ اعتقاد بر این است که در مرحله خاصی از زندگی ستارگان با جرم کافی، زمانی که واکنش گرما هسته ای دیگر قادر به مهار نیروی گرانش نیست، فشار در روده های ستاره به قدری افزایش می یابد که الکترون ها را به آن "چسبانده" می کند. پروتون ها در نتیجه بار صفر می شود و جفت پروتون-الکترون به نوترون تبدیل می شود. ماده به دست آمده، متشکل از نوترون های "فشرده"، بسیار متراکم است.
ستاره ای که در خورشید ما وزن دارد به یک توپ تبدیل می شودچند ده کیلومتر قطر دارد. یک قاشق چای خوری از چنین "فرنی نوترونی" می تواند چندین صد تن روی زمین وزن داشته باشد.
