Praėjusio amžiaus vidurys pažymėjo naujos eros žmonijos istorijoje gimimą. Akmens amžių kažkada pakeitė bronzos amžius, vėliau iš eilės sekė geležies, garo ir elektros valdymo laikotarpiai. Dabar esame pačioje atomo eros pradžioje. Netgi paviršutiniškiausios žinios apie atomo branduolio sandarą atveria žmonijai precedento neturinčius horizontus.
Ką mes žinome apie atomo branduolį? Tai, kad jis sudaro 99,99% viso atomo masės ir susideda iš dalelių, kurios paprastai vadinamos nukleonais. Kas yra nukleonai, kiek jų, kas jie yra, dabar žino kiekvienas vidurinės mokyklos moksleivis, turintis tvirtą fizikos ketvertą.
Kaip įsivaizduojame atomo struktūrą
Deja, netrukus pasirodys technika, leidžianti pamatyti daleles, kurios sudaro atomą, atomo branduolį. Yra tūkstančiai klausimų apie tai, kaip medžiaga yra išdėstyta, taip pat yra daug teorijų apie elementariųjų dalelių struktūrą. Iki šiol teorija, kadatsako į daugumą klausimų, yra planetinis atomo sandaros modelis.
Pagal jį, neigiamo krūvio elektronai sukasi aplink teigiamai įkrautą branduolį, laikomą elektros traukos. Kas yra nukleonai? Faktas yra tas, kad branduolys nėra monolitinis, jį sudaro teigiamai įkrauti protonai ir neutronai - dalelės, kurių įkrovimas nulinis. Tai yra dalelės, iš kurių sudarytas atomo branduolys, ir įprasta jas vadinti nukleonais.
Iš kur kilo ši teorija, jei dalelės tokios mažos? Mokslininkai padarė išvadą apie atomo planetinę struktūrą nukreipdami įvairių mikrodalelių pluoštus į ploniausias metalines plokštes.
Kokie jo matmenys
Žinios apie atomo sandarą nebus išsamios, jei neįsivaizduosite jo elementų skalėje. Branduolys yra nepaprastai mažas, net lyginant su pačiu atomu. Jei įsivaizduojate atomą, pavyzdžiui, auksą, didžiulio 200 metrų skersmens baliono pavidalu, tada jo šerdis bus tik … lazdyno riešutas. Bet kas yra nukleonai ir kodėl jie atlieka tokį svarbų vaidmenį? Taip, jei tik todėl, kad juose yra sutelkta visa atomo masė.
Krištolinės gardelės lizduose aukso atomai išsidėstę gana tankiai, todėl atstumas tarp gretimų „riešutų“pagal mūsų priimtą skalę bus apie 250-300 metrų.
Protonas
Mokslininkai jau seniai įtarė, kad atomo branduolys nėra kažkokia monolitinė medžiaga. Masės ir krūvio dydžiai, augantys „pakopomis“nuo vieno cheminio elemento iki kito, buvo skausmingai stulbinantys. Buvo logiška manytikad yra tam tikros dalelės su fiksuotu teigiamu krūviu, iš kurių „surenkami“visų atomų branduoliai. Kiek teigiamai įkrautų nukleonų yra branduolyje, toks bus jo krūvis.
Prielaidos apie sudėtingą atomo branduolio struktūrą buvo padarytos Mendelejevo periodinės elementų lentelės konstravimo laikotarpiu. Tačiau techninių galimybių eksperimentiškai patvirtinti spėjimus tuo metu dar nebuvo. Tik XX amžiaus pradžioje Ernestas Rutherfordas atliko eksperimentą, patvirtinantį protono egzistavimą.
Dėl radioaktyviųjų metalų spinduliavimo medžiagos poveikio karts nuo karto atsirasdavo dalelė – vandenilio atomo branduolio kopija. Jo svoris buvo toks pat (1,67 ∙ 10-27 kg) ir atominis krūvis +1.
Neutronas
Išvada apie būtinybę ieškoti kitos dalelės, in absentia vadinamos neutronu, buvo padaryta greitai. Kadangi klausimas, kiek nukleonų yra branduolyje ir kas jie yra, kyla dėl netolygaus masės ir krūvio augimo, pasikeitus elemento eilės skaičiui. Rutherfordas padarė prielaidą, kad egzistuoja protonų dvynys be nulinio krūvio, bet jam nepavyko patvirtinti savo spėjimo.
Apskritai, branduoliniai mokslininkai jau turėjo gerą supratimą apie tai, kas yra nukleonai ir kiekybinė atomų branduolių sudėtis. O nepagaunama dalelė, dar niekieno eksperimentiškai neatrasta, laukė sparnuose. Jo atradėju laikomas Jamesas Chadwickas, sugebėjęs atskirti „nematomą“nuo medžiagos,bombarduojant jį iki itin didelio greičio pagreitintais helio branduoliais (α-dalelėmis). Dalelės masė, kaip ir tikėtasi, pasirodė lygi anksčiau atrasto protono masei. Remiantis šiuolaikiniais tyrimais, neutronas yra šiek tiek sunkesnis.
Šiek tiek daugiau apie atomo branduolio „plytas“
Apskaičiuoti, kiek nukleonų yra cheminio elemento ar jo izotopo branduolyje, lengva. Tam reikia dviejų dalykų: periodinės lentelės ir skaičiuotuvo, nors skaičiuoti galite ir mintyse. Pavyzdys yra du įprasti urano izotopai: 235 ir 238. Šie skaičiai rodo atominę masę. Urano serijos numeris yra 92, jis visada reiškia branduolio krūvį.
Kaip žinote, atomo branduolyje esantys nukleonai gali būti arba teigiamai įkrauti protonai, arba tos pačios masės neutronai, bet be krūvio. Serijos numeris 92 reiškia skaičių protonų branduolyje. Neutronų skaičius apskaičiuojamas paprastai atimant:
- - uranas 235, neutronų skaičius=235 – 92=143;
- - uranas 238, neutronų skaičius=238 – 92=146.
O kiek nukleonų galima sujungti vienu metu? Manoma, kad tam tikru pakankamai masės žvaigždžių gyvavimo etapu, kai termobranduolinė reakcija nebepajėgia sulaikyti gravitacijos jėgos, žvaigždės žarnyne slėgis padidėja tiek, kad ji „prilipdo“prie elektronų. protonų. Dėl to krūvis tampa lygus nuliui, o protonų ir elektronų pora tampa neutronu. Susidariusi medžiaga, sudaryta iš „suspaustų“neutronų, yra itin tanki.
Mūsų Saulėje sverianti žvaigždė virsta kamuoliukukelių dešimčių kilometrų skersmens. Arbatinis šaukštelis tokios „neutroninės košės“Žemėje galėtų sverti kelis šimtus tonų.
