سوالات "ماده از چه چیزی تشکیل شده است؟"، "ماهیت ماده چیست؟" همیشه بشر را به خود مشغول کرده است. از زمان های قدیم، فیلسوفان و دانشمندان به دنبال پاسخ به این پرسش ها بوده اند و نظریه ها و فرضیه هایی هم واقع بینانه و هم کاملا شگفت انگیز و خارق العاده خلق می کنند. با این حال، به معنای واقعی کلمه یک قرن پیش، بشریت با کشف ساختار اتمی ماده تا حد امکان به کشف این راز نزدیک شد. اما ترکیب هسته یک اتم چیست؟ این همه از چه ساخته شده است؟
از نظریه تا واقعیت
در آغاز قرن بیستم، ساختار اتمی صرفاً یک فرضیه نبود، اما به یک واقعیت مطلق تبدیل شد. معلوم شد که ترکیب هسته یک اتم یک مفهوم بسیار پیچیده است. حاوی بارهای الکتریکی است. اما این سوال مطرح شد: آیا ترکیب اتم و هسته اتم مقادیر مختلفی از این بارها را شامل می شود یا خیر؟
مدل سیاره ای
در ابتدا تصور می شد که اتم بسیار شبیه منظومه شمسی ما ساخته شده است. با این حالبه سرعت مشخص شد که این دیدگاه کاملاً صحیح نیست. مشکل انتقال صرفاً مکانیکی مقیاس نجومی تصویر به ناحیه ای که میلیونیم میلی متر را اشغال می کند منجر به تغییر چشمگیر و چشمگیری در ویژگی ها و کیفیت پدیده ها شده است. تفاوت اصلی قوانین و قوانین بسیار دقیق تر است که اتم توسط آنها ساخته می شود.
معایب مدل سیاره ای
اول، از آنجایی که اتم های یک نوع و عنصر باید از نظر پارامترها و ویژگی ها دقیقاً یکسان باشند، مدار الکترون های این اتم ها نیز باید یکسان باشد. با این حال، قوانین حرکت اجسام نجومی نمی توانند پاسخی برای این سؤالات ارائه دهند. تضاد دوم در این واقعیت نهفته است که حرکت یک الکترون در امتداد مدار، اگر قوانین فیزیکی به خوبی مطالعه شده برای آن اعمال شود، لزوما باید با آزاد شدن دائمی انرژی همراه باشد. در نتیجه، این فرآیند منجر به تخلیه الکترون می‌شود که در نهایت از بین می‌رود و حتی به درون هسته می‌افتد.
ساختار موج مادرو
در سال 1924، اشراف جوان لوئیس دو بروگلی ایده ای را مطرح کرد که ایده های جامعه علمی را در مورد موضوعاتی مانند ساختار اتم، ترکیب هسته های اتم تغییر داد. ایده این بود که الکترون فقط یک توپ متحرک نیست که به دور هسته بچرخد. این یک ماده تار است که بر اساس قوانینی شبیه انتشار امواج در فضا حرکت می کند. خیلی سریع، این ایده به حرکت هر جسمی در داخل گسترش یافتبه طور کلی، توضیح می دهد که ما فقط یک طرف این حرکت را متوجه می شویم، اما دومی در واقع متجلی نمی شود. ما می توانیم انتشار امواج را ببینیم و متوجه حرکت ذره نشویم یا برعکس. در واقع، هر دو طرف حرکت همیشه وجود دارند و چرخش یک الکترون در مدار نه تنها حرکت خود بار، بلکه انتشار امواج است. این رویکرد اساساً با مدل سیاره‌ای پذیرفته شده قبلی متفاوت است.
بنیاد ابتدایی
هسته یک اتم مرکز است. الکترون ها دور آن می چرخند. همه چیز دیگر توسط خواص هسته تعیین می شود. لازم است در مورد مفهومی مانند ترکیب هسته یک اتم از مهمترین نقطه - از بار صحبت کنیم. یک اتم حاوی تعداد معینی الکترون است که حامل بار منفی هستند. خود هسته بار مثبت دارد. از این نتیجه می‌توان نتیجه گرفت:
- هسته یک ذره با بار مثبت است.
- در اطراف هسته یک جو تپنده ای است که توسط بارها ایجاد می شود.
- این هسته و ویژگی های آن است که تعداد الکترون های یک اتم را تعیین می کند.
خواص هسته
مس، شیشه، آهن، چوب الکترون های یکسانی دارند. یک اتم می تواند چند الکترون یا حتی همه را از دست بدهد. اگر هسته با بار مثبت باقی بماند، می‌تواند مقدار مناسبی از ذرات باردار منفی را از اجسام دیگر جذب کند که به آن امکان زنده ماندن می‌دهد. اگر یک اتم تعداد معینی الکترون را از دست بدهد، بار مثبت هسته بیشتر از باقیمانده بارهای منفی خواهد بود. ATدر این صورت کل اتم بار اضافی به دست می آورد و می توان آن را یون مثبت نامید. در برخی موارد، یک اتم می تواند الکترون های بیشتری را جذب کند و سپس بار منفی پیدا کند. بنابراین می توان آن را یون منفی نامید.
وزن یک اتم چقدر است؟
جرم یک اتم عمدتاً توسط هسته تعیین می شود. الکترون های تشکیل دهنده اتم و هسته اتم کمتر از یک هزارم جرم کل وزن دارند. از آنجایی که جرم به عنوان اندازه گیری ذخیره انرژی یک ماده در نظر گرفته می شود، این واقعیت در هنگام مطالعه سؤالی مانند ترکیب هسته اتم بسیار مهم است.
رادیواکتیویته
سخت ترین سؤالات پس از کشف اشعه ایکس مطرح شد. عناصر رادیواکتیو امواج آلفا، بتا و گاما ساطع می کنند. اما چنین تشعشعی باید منبعی داشته باشد. رادرفورد در سال 1902 نشان داد که چنین منبعی خود اتم یا بهتر است بگوییم هسته است. از سوی دیگر، رادیواکتیویته تنها انتشار پرتوها نیست، بلکه تبدیل یک عنصر به عنصر دیگر با خواص شیمیایی و فیزیکی کاملاً جدید است. یعنی رادیواکتیویته یک تغییر در هسته است.
در مورد ساختار هسته ای چه می دانیم؟
تقریباً صد سال پیش، پروت فیزیکدان این ایده را مطرح کرد که عناصر جدول تناوبی اشکال تصادفی نیستند، بلکه ترکیبی از اتم های هیدروژن هستند. بنابراین، می توان انتظار داشت که هم بارها و هم جرم هسته ها بر حسب بارهای صحیح و چندگانه خود هیدروژن بیان شوند. با این حال، این کاملا درست نیست. با مطالعه خواص اتمیهسته ها با کمک میدان های الکترومغناطیسی، فیزیکدان استون ثابت کرد که عناصری که وزن اتمی آنها اعداد صحیح و مضرب نیستند، در واقع ترکیبی از اتم های مختلف هستند و نه یک ماده. در تمام مواردی که وزن اتمی یک عدد صحیح نیست، مخلوطی از ایزوتوپ های مختلف را مشاهده می کنیم. آن چیست؟ اگر در مورد ترکیب هسته یک اتم صحبت کنیم، ایزوتوپ ها اتم هایی با بار یکسان، اما با جرم های متفاوت هستند.
انیشتین و هسته اتم
نظریه نسبیت می گوید که جرم معیاری نیست که با آن مقدار ماده تعیین شود، بلکه معیاری از انرژی است که ماده دارد. بر این اساس، ماده را می توان نه با جرم، بلکه با باری که این ماده را تشکیل می دهد و انرژی بار اندازه گیری کرد. وقتی همان بار به بار دیگر نزدیک می شود، انرژی افزایش می یابد، در غیر این صورت کاهش می یابد. البته این به معنای تغییر موضوع نیست. بر این اساس، از این موقعیت، هسته یک اتم منبع انرژی نیست، بلکه پس از آزاد شدن، باقی مانده است. بنابراین تناقضی وجود دارد.
نوترون
کوری ها وقتی با ذرات آلفای بریلیوم بمباران شدند، پرتوهای نامفهومی را کشف کردند که در برخورد با هسته اتم، آن را با نیروی زیادی دفع می کنند. با این حال، آنها قادر به عبور از ضخامت زیادی از ماده هستند. این تناقض با این واقعیت حل شد که ذره داده شده دارای بار الکتریکی خنثی است. بر این اساس، آن را نوترون نامیدند. به لطف تحقیقات بیشتر، مشخص شد که جرم نوترون تقریباً با جرم پروتون یکسان است. به طور کلی، نوترون و پروتون بسیار شبیه هم هستند. با در نظر گرفتناز این اکتشاف قطعاً می توان ثابت کرد که ترکیب هسته یک اتم شامل پروتون ها و نوترون ها و در مقادیر مساوی است. همه چیز کم کم سر جای خودش قرار گرفت. تعداد پروتون ها عدد اتمی است. وزن اتمی مجموع جرم های نوترون و پروتون است. ایزوتوپ را می توان عنصری نیز نامید که در آن تعداد نوترون ها و پروتون ها با یکدیگر برابر نباشند. همانطور که در بالا بحث شد، در چنین موردی، اگرچه عنصر اساساً یکسان باقی می‌ماند، ویژگی‌های آن ممکن است به‌طور اساسی تغییر کند.
