Studiind compoziția materiei, oamenii de știință au ajuns la concluzia că toată materia este formată din molecule și atomi. Multă vreme, atomul (tradus din greacă ca „indivizibil”) a fost considerată cea mai mică unitate structurală a materiei. Cu toate acestea, studii suplimentare au arătat că atomul are o structură complexă și, la rândul său, include particule mai mici.
Din ce este format un atom?
În 1911, omul de știință Rutherford a sugerat că atomul are o parte centrală care are o sarcină pozitivă. Așa a apărut pentru prima dată conceptul de nucleu atomic.
Conform schemei lui Rutherford, numită model planetar, un atom este format dintr-un nucleu și particule elementare cu sarcină negativă - electroni care se mișcă în jurul nucleului, la fel cum planetele orbitează în jurul Soarelui.
În 1932, un alt om de știință, Chadwick, a descoperit neutronul, o particulă care nu are sarcină electrică.
Conform conceptelor moderne, structura nucleului atomic corespunde modelului planetar propus de Rutherford. Nucleul este purtat înăuntrucea mai mare parte a masei atomice. Are și o sarcină pozitivă. Nucleul atomic conține protoni - particule încărcate pozitiv și neutroni - particule care nu poartă o sarcină. Protonii și neutronii se numesc nucleoni. Particule încărcate negativ - electroni - orbitează în jurul nucleului.
Numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de electroni care se mișcă pe orbită. Prin urmare, atomul în sine este o particulă care nu poartă o sarcină. Dacă un atom captează electronii altor oameni sau îi pierde pe ai săi, atunci devine pozitiv sau negativ și se numește ion.
Electronii, protonii și neutronii sunt denumiți în mod colectiv particule subatomice.
Încărcarea nucleului atomic
Nucleul are un număr de sarcină Z. Este determinat de numărul de protoni care formează nucleul atomic. Aflarea acestei sume este simplă: doar referiți-vă la sistemul periodic al lui Mendeleev. Numărul atomic al elementului căruia îi aparține un atom este egal cu numărul de protoni din nucleu. Astfel, dacă elementul chimic oxigen corespunde numărului de serie 8, atunci și numărul de protoni va fi egal cu opt. Deoarece numărul de protoni și electroni dintr-un atom este același, vor exista și opt electroni.
Numărul de neutroni se numește număr izotopic și este notat cu litera N. Numărul lor poate varia într-un atom al aceluiași element chimic.
Suma protonilor și electronilor din nucleu se numește numărul de masă al unui atom și se notează cu litera A. Astfel, formula de calcul a numărului de masă arată astfel: A=Z+N.
izotopi
În cazul în care elementele au un număr egal de protoni și electroni, dar un număr diferit de neutroni, se numesc izotopi ai unui element chimic. Pot exista unul sau mai mulți izotopi. Ele sunt plasate în aceeași celulă a sistemului periodic.
Izotopii sunt de mare importanță în chimie și fizică. De exemplu, un izotop de hidrogen - deuteriu - în combinație cu oxigen dă o substanță complet nouă, care se numește apă grea. Are un punct de fierbere și de congelare diferit de cel obișnuit. Iar combinația de deuteriu cu un alt izotop de hidrogen - tritiu duce la o reacție de fuziune termonucleară și poate fi folosită pentru a genera o cantitate imensă de energie.
Masa nucleului și a particulelor subatomice
Dimensiunile și masele atomilor și particulelor subatomice sunt neglijabile în conceptele umane. Dimensiunea boabelor este de aproximativ 10-12cm. Masa unui nucleu atomic este măsurată în fizică în așa-numitele unități de masă atomică - amu
Pentru un amu ia o doisprezecea parte din masa unui atom de carbon. Folosind unitățile de măsură uzuale (kilograme și grame), masa poate fi exprimată astfel: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Exprimată în acest fel, se numește masa atomică absolută.
În ciuda faptului că nucleul atomic este cea mai masivă componentă a atomului, dimensiunile sale în raport cu norul de electroni care îl înconjoară sunt extrem de mici.
Forțele nucleare
Nucleii atomici sunt extrem de stabili. Aceasta înseamnă că protonii și neutronii sunt reținuți în nucleu de unele forțe. Nu estepot exista forțe electromagnetice, deoarece protonii sunt particule încărcate asemănătoare și se știe că particulele cu aceeași sarcină se resping reciproc. Forțele gravitaționale sunt prea slabe pentru a ține nucleonii împreună. Prin urmare, particulele sunt reținute în nucleu printr-o interacțiune diferită - forțe nucleare.
Interacțiunea nucleară este considerată cea mai puternică dintre toate cele existente în natură. Prin urmare, acest tip de interacțiune între elementele nucleului atomic se numește puternic. Este prezent în multe particule elementare, precum și în forțele electromagnetice.
Caracteristicile forțelor nucleare
- Acțiune scurtă. Forțele nucleare, spre deosebire de forțele electromagnetice, se manifestă doar la distanțe foarte mici, comparabile cu dimensiunea nucleului.
- Independență de încărcare. Această caracteristică se manifestă prin faptul că forțele nucleare acționează în mod egal asupra protonilor și neutronilor.
- Saturație. Nucleonii nucleului interacționează numai cu un anumit număr de alți nucleoni.
Energie de legare de bază
Un alt lucru este strâns legat de conceptul de interacțiune puternică - energia de legare a nucleelor. Energia de legare nucleară este cantitatea de energie necesară pentru a împărți un nucleu atomic în nucleonii săi constitutivi. Este egală cu energia necesară pentru a forma un nucleu din particule individuale.
Pentru a calcula energia de legare a unui nucleu, este necesar să se cunoască masa particulelor subatomice. Calculele arată că masa unui nucleu este întotdeauna mai mică decât suma nucleonilor săi constitutivi. Defectul de masă este diferența dintremasa nucleului și suma protonilor și electronilor acestuia. Folosind formula Einstein despre relația dintre masă și energie (E=mc2), puteți calcula energia generată în timpul formării nucleului.
Puterea energiei de legare a nucleului poate fi judecată după următorul exemplu: formarea mai multor grame de heliu produce la fel de multă energie ca arderea mai multor tone de cărbune.
Reacții nucleare
Nucleele atomilor pot interacționa cu nucleele altor atomi. Astfel de interacțiuni se numesc reacții nucleare. Există două tipuri de reacții.
- Reacții de fisiune. Acestea apar atunci când nucleele mai grele se descompun în altele mai ușoare ca urmare a interacțiunii.
- Reacții de sinteză. Procesul este inversul fisiunii: nucleele se ciocnesc, formând astfel elemente mai grele.
Toate reacțiile nucleare sunt însoțite de eliberarea de energie, care este utilizată ulterior în industrie, în armată, în energie și așa mai departe.
Familiarizându-ne cu compoziția nucleului atomic, putem trage următoarele concluzii.
- Atomul este format dintr-un nucleu care conține protoni și neutroni și electroni în jurul lui.
- Numărul de masă al unui atom este egal cu suma nucleonilor nucleului său.
- Nuclonii sunt ținuți împreună de forța puternică.
- Forțele enorme care mențin nucleul atomic stabil sunt numite energii de legare nucleară.
