När forskare studerade materiens sammansättning kom de fram till att all materia består av molekyler och atomer. Under lång tid ansågs atomen (översatt från grekiska som "odelbar") som den minsta strukturella enheten av materia. Ytterligare studier har dock visat att atomen har en komplex struktur och i sin tur inkluderar mindre partiklar.
Vad är en atom gjord av?
År 1911 föreslog vetenskapsmannen Rutherford att atomen har en central del som har en positiv laddning. Så här uppstod begreppet atomkärna först.
Enligt Rutherfords schema, kallad planetmodellen, består en atom av en kärna och elementarpartiklar med negativ laddning – elektroner som rör sig runt kärnan, precis som planeterna kretsar runt solen.
År 1932 upptäckte en annan forskare, Chadwick, neutronen, en partikel som inte har någon elektrisk laddning.
I enlighet med moderna begrepp motsvarar strukturen av atomkärnan den planetmodell som Rutherford föreslagit. Kärnan bärs instörre delen av atommassan. Den har också en positiv laddning. Atomkärnan innehåller protoner – positivt laddade partiklar och neutroner – partiklar som inte bär någon laddning. Protoner och neutroner kallas nukleoner. Negativt laddade partiklar - elektroner - kretsar runt kärnan.
Antalet protoner i kärnan är lika med antalet elektroner som rör sig i omloppsbana. Därför är atomen själv en partikel som inte bär en laddning. Om en atom fångar andras elektroner eller förlorar sina egna, blir den positiv eller negativ och kallas en jon.
Elektroner, protoner och neutroner kallas gemensamt för subatomära partiklar.
Atomkärnans laddning
Kärnan har ett laddningsnummer Z. Det bestäms av antalet protoner som utgör atomkärnan. Att ta reda på detta belopp är enkelt: hänvisa bara till Mendeleevs periodiska system. Atomnumret för grundämnet som en atom tillhör är lika med antalet protoner i kärnan. Således, om det kemiska elementet syre motsvarar serienumret 8, kommer antalet protoner också att vara lika med åtta. Eftersom antalet protoner och elektroner i en atom är detsamma, kommer det också att finnas åtta elektroner.
Antalet neutroner kallas isotoptalet och betecknas med bokstaven N. Deras antal kan variera i en atom av samma kemiska grundämne.
Summan av protoner och elektroner i kärnan kallas masstalet för en atom och betecknas med bokstaven A. Således ser formeln för att beräkna masstalet ut så här: A=Z+N.
Isotopes
I det fall när grundämnen har lika många protoner och elektroner, men olika antal neutroner, kallas de isotoper av ett kemiskt grundämne. Det kan finnas en eller flera isotoper. De är placerade i samma cell i det periodiska systemet.
Isotoper är av stor betydelse inom kemi och fysik. Till exempel ger en isotop av väte - deuterium - i kombination med syre ett helt nytt ämne, som kallas tungt vatten. Den har en annan kok- och fryspunkt än vanligt. Och kombinationen av deuterium med en annan isotop av väte - tritium leder till en termonukleär fusionsreaktion och kan användas för att generera en enorm mängd energi.
Massa av kärnan och subatomära partiklar
Storleken och massorna av atomer och subatomära partiklar är försumbara i mänskliga begrepp. Storleken på kärnorna är ungefär 10-12cm. Massan av en atomkärna mäts i fysiken i de så kallade atommassenheterna - amu
För en amu ta en tolftedel av massan av en kolatom. Med de vanliga måttenheterna (kilogram och gram) kan massan uttryckas på följande sätt: 01.00.=1, 660540 10-24g. Uttryckt på detta sätt kallas det för den absoluta atommassan.
Trots att atomkärnan är den mest massiva komponenten i atomen, är dess dimensioner i förhållande till elektronmolnet som omger den extremt små.
Nuklear Forces
Atomkärnor är extremt stabila. Det betyder att protoner och neutroner hålls i kärnan av vissa krafter. Är intedet kan finnas elektromagnetiska krafter, eftersom protoner är lika laddade partiklar, och det är känt att partiklar med samma laddning stöter bort varandra. Gravitationskrafterna är för svaga för att hålla samman nukleonerna. Därför hålls partiklar i kärnan av en annan interaktion - kärnkrafter.
Nukleär interaktion anses vara den starkaste av alla som finns i naturen. Därför kallas denna typ av interaktion mellan elementen i atomkärnan stark. Det finns i många elementarpartiklar, såväl som i elektromagnetiska krafter.
Kärnvapenstyrkornas egenskaper
- Kort åtgärd. Kärnkrafter, till skillnad från elektromagnetiska krafter, manifesterar sig endast på mycket små avstånd jämförbara med kärnans storlek.
- Ladda oberoende. Denna egenskap manifesteras i det faktum att kärnkrafter verkar lika på protoner och neutroner.
- Mättnad. Nukleonerna i kärnan interagerar endast med ett visst antal andra nukleoner.
Core Binding Energy
En annan sak är nära förknippad med begreppet stark interaktion - kärnornas bindningsenergi. Kärnbindningsenergi är den mängd energi som krävs för att dela en atomkärna i dess beståndsdelar nukleoner. Det är lika med energin som krävs för att bilda en kärna av enskilda partiklar.
För att beräkna bindningsenergin för en kärna är det nödvändigt att känna till massan av subatomära partiklar. Beräkningar visar att massan av en kärna alltid är mindre än summan av dess ingående nukleoner. Massdefekten är skillnaden mellankärnans massa och summan av dess protoner och elektroner. Med hjälp av Einsteins formel om förhållandet mellan massa och energi (E=mc2), kan du beräkna energin som genereras under bildandet av kärnan.
Styrkan hos kärnans bindningsenergi kan bedömas genom följande exempel: bildandet av flera gram helium producerar lika mycket energi som förbränning av flera ton kol.
Kärnreaktioner
Atomernas kärnor kan interagera med andra atomers kärnor. Sådana interaktioner kallas kärnreaktioner. Det finns två typer av reaktioner.
- Klyvningsreaktioner. De uppstår när tyngre kärnor bryts ner till lättare kärnor som ett resultat av interaktionen.
- Reaktioner av syntes. Processen är motsatsen till fission: kärnorna kolliderar och bildar därigenom tyngre grundämnen.
Alla kärnreaktioner åtföljs av frigörande av energi, som sedan används inom industrin, inom militären, inom energi och så vidare.
När vi bekantar oss med atomkärnans sammansättning kan vi dra följande slutsatser.
- Atom består av en kärna som innehåller protoner och neutroner, och elektroner runt den.
- Masstalet för en atom är lika med summan av nukleonerna i dess kärna.
- Nukloner hålls samman av den starka kraften.
- De enorma krafterna som håller atomkärnan stabil kallas kärnbindningsenergierna.
