Tyrinėdami materijos sudėtį, mokslininkai padarė išvadą, kad visa medžiaga susideda iš molekulių ir atomų. Ilgą laiką atomas (iš graikų kalbos išvertus kaip „nedalomas“) buvo laikomas mažiausiu struktūriniu materijos vienetu. Tačiau tolesni tyrimai parodė, kad atomas turi sudėtingą struktūrą ir savo ruožtu apima mažesnes daleles.
Iš ko sudarytas atomas?
1911 m. mokslininkas Rutherfordas pasiūlė, kad atomas turi centrinę dalį, turinčią teigiamą krūvį. Taip pirmą kartą atsirado atomo branduolio sąvoka.
Pagal Rutherfordo schemą, vadinamą planetų modeliu, atomą sudaro branduolys ir elementariosios dalelės, turinčios neigiamą krūvį – aplink branduolį judantys elektronai, lygiai taip pat, kaip planetos skrieja aplink Saulę.
1932 m. kitas mokslininkas Chadwickas atrado neutroną – dalelę, kuri neturi elektros krūvio.
Pagal šiuolaikines koncepcijas atomo branduolio struktūra atitinka Rutherfordo pasiūlytą planetos modelį. Branduolys įnešamasdidžioji dalis atominės masės. Jis taip pat turi teigiamą krūvį. Atomo branduolyje yra protonų – teigiamai įkrautų dalelių ir neutronų – dalelių, kurios neturi krūvio. Protonai ir neutronai vadinami nukleonais. Neigiamo krūvio dalelės – elektronai – skrieja aplink branduolį.
Protonų skaičius branduolyje yra lygus orbitoje judančių elektronų skaičiui. Todėl pats atomas yra dalelė, kuri neturi krūvio. Jei atomas sugauna kitų elektronus arba praranda savuosius, tada jis tampa teigiamas arba neigiamas ir vadinamas jonu.
Elektronai, protonai ir neutronai bendrai vadinami subatominėmis dalelėmis.
Atomo branduolio krūvis
Branduolys turi krūvio numerį Z. Jis nustatomas pagal protonų, sudarančių atomo branduolį, skaičių. Sužinoti šią sumą paprasta: tereikia remtis Mendelejevo periodine sistema. Elemento, kuriam priklauso atomas, atominis skaičius yra lygus protonų skaičiui branduolyje. Taigi, jei cheminis elementas deguonis atitinka eilės numerį 8, tada protonų skaičius taip pat bus lygus aštuoniems. Kadangi protonų ir elektronų skaičius atome yra vienodas, elektronai taip pat bus aštuoni.
Neutronų skaičius vadinamas izotopiniu skaičiumi ir žymimas raide N. Jų skaičius gali skirtis priklausomai nuo to paties cheminio elemento atomo.
Protonų ir elektronų suma branduolyje vadinama atomo masės skaičiumi ir žymima raide A. Taigi masės skaičiaus apskaičiavimo formulė atrodo taip: A=Z+N.
Izotopai
Tuo atveju, kai elementai turi vienodą protonų ir elektronų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, jie vadinami cheminio elemento izotopais. Gali būti vienas ar daugiau izotopų. Jie dedami į tą patį periodinės sistemos langelį.
Izotopai yra labai svarbūs chemijoje ir fizikoje. Pavyzdžiui, vandenilio izotopas – deuteris – kartu su deguonimi suteikia visiškai naują medžiagą, vadinamą sunkiuoju vandeniu. Jo virimo ir užšalimo temperatūra skiriasi nuo įprastų. O deuterio derinys su kitu vandenilio izotopu – tričiu sukelia termobranduolinės sintezės reakciją ir gali būti panaudotas didžiuliam energijos kiekiui generuoti.
Branduolių ir subatominių dalelių masė
Atomų ir subatominių dalelių dydžiai ir masės žmogaus sampratose yra nereikšmingi. Branduolių dydis yra maždaug 10-12cm. Atomo branduolio masė fizikoje matuojama vadinamaisiais atominės masės vienetais – amu
Vienam amu paimkite vieną dvyliktąją anglies atomo masės. Naudojant įprastus matavimo vienetus (kilogramus ir gramus), masę galima išreikšti taip: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Taip išreikšta ji vadinama absoliučia atomine mase.
Nepaisant to, kad atomo branduolys yra masyviausia atomo sudedamoji dalis, jo matmenys, palyginti su jį supančiu elektronų debesiu, yra labai maži.
Branduolinės pajėgos
Atominiai branduoliai yra itin stabilūs. Tai reiškia, kad protonus ir neutronus branduolyje laiko tam tikros jėgos. Nėragali atsirasti elektromagnetinių jėgų, nes protonai yra panašiai įkrautos dalelės, ir yra žinoma, kad dalelės, turinčios tą patį krūvį, atstumia viena kitą. Gravitacinės jėgos yra per silpnos, kad išlaikytų nukleonus kartu. Todėl daleles branduolyje laiko kitokia sąveika – branduolinės jėgos.
Branduolinė sąveika laikoma stipriausia iš visų gamtoje egzistuojančių. Todėl tokio tipo sąveika tarp atomo branduolio elementų vadinama stipriąja. Jo yra daugelyje elementariųjų dalelių, taip pat elektromagnetinių jėgų.
Branduolinių pajėgų ypatybės
- Trumpas veiksmas. Branduolinės jėgos, skirtingai nei elektromagnetinės jėgos, pasireiškia tik labai mažais atstumais, panašiais į branduolio dydį.
- Apmokestinimo nepriklausomybė. Ši savybė pasireiškia tuo, kad branduolinės jėgos vienodai veikia protonus ir neutronus.
- Sotumas. Branduolio nukleonai sąveikauja tik su tam tikru skaičiumi kitų nukleonų.
Pagrindinė surišimo energija
Kitas dalykas yra glaudžiai susijęs su stiprios sąveikos samprata – branduolių surišimo energija. Branduolio surišimo energija yra energijos kiekis, reikalingas atomo branduoliui suskaidyti į jį sudarančius nukleonus. Ji lygi energijai, reikalingai iš atskirų dalelių suformuoti branduolį.
Norint apskaičiuoti branduolio surišimo energiją, būtina žinoti subatominių dalelių masę. Skaičiavimai rodo, kad branduolio masė visada yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų sumą. Masės defektas yra skirtumas tarpbranduolio masė ir jo protonų bei elektronų suma. Naudodami Einšteino formulę apie masės ir energijos ryšį (E=mc2), galite apskaičiuoti energiją, susidariusią formuojantis branduoliui.
Apie branduolio surišimo energijos stiprumą galima spręsti pagal tokį pavyzdį: susidarant keliems gramams helio susidaro tiek pat energijos, kiek sudegus kelioms tonoms anglies.
Branduolinės reakcijos
Atomų branduoliai gali sąveikauti su kitų atomų branduoliais. Tokios sąveikos vadinamos branduolinėmis reakcijomis. Yra dviejų tipų reakcijos.
- Skilimo reakcijos. Jie atsiranda, kai dėl sąveikos sunkesni branduoliai skyla į lengvesnius.
- Sintezės reakcijos. Procesas yra atvirkštinis dalijimasis: branduoliai susiduria, todėl susidaro sunkesni elementai.
Visas branduolines reakcijas lydi energijos išsiskyrimas, kuris vėliau panaudojamas pramonėje, kariuomenėje, energetikoje ir pan.
Sužinoję apie atomo branduolio sudėtį, galime padaryti tokias išvadas.
- Atomas susideda iš branduolio, kuriame yra protonų ir neutronų, ir aplink jį esančių elektronų.
- Atomo masės skaičius yra lygus jo branduolio nukleonų sumai.
- Nuklonus laiko kartu stipri jėga.
- Didžiulės jėgos, išlaikančios atomo branduolį stabilų, vadinamos branduolio surišimo energija.
