Proučavajući sastav materije, znanstvenici su došli do zaključka da se sva materija sastoji od molekula i atoma. Dugo se vremena atom (u prijevodu s grčkog kao "nedjeljiv") smatrao najmanjom strukturnom jedinicom materije. Međutim, daljnje studije su pokazale da atom ima složenu strukturu i da, zauzvrat, uključuje manje čestice.
Od čega se sastoji atom?
1911. godine znanstvenik Rutherford je sugerirao da atom ima središnji dio koji ima pozitivan naboj. Ovako se prvi put pojavio koncept atomske jezgre.
Prema Rutherfordovoj shemi, nazvanoj planetarni model, atom se sastoji od jezgre i elementarnih čestica s negativnim nabojem - elektrona koji se kreću oko jezgre, baš kao što planeti kruže oko Sunca.
Godine 1932. drugi znanstvenik, Chadwick, otkrio je neutron, česticu koja nema električni naboj.
Prema modernim konceptima, struktura atomske jezgre odgovara planetarnom modelu koji je predložio Rutherford. Nukleus se prenosi unutraveći dio atomske mase. Ima i pozitivan naboj. Atomska jezgra sadrži protone – pozitivno nabijene čestice i neutrone – čestice koje ne nose naboj. Protoni i neutroni nazivaju se nukleoni. Negativno nabijene čestice - elektroni - kruže oko jezgre.
Broj protona u jezgri jednak je broju elektrona koji se kreću u orbiti. Stoga je sam atom čestica koja ne nosi naboj. Ako atom zarobi tuđe elektrone ili izgubi svoje, tada postaje pozitivan ili negativan i naziva se ion.
Elektroni, protoni i neutroni zajednički se nazivaju subatomske čestice.
Naboj atomske jezgre
Jezgra ima naboj Z. Određen je brojem protona koji čine atomsku jezgru. Saznati ovaj iznos je jednostavno: samo se obratite periodičnom sustavu Mendeljejeva. Atomski broj elementa kojem atom pripada jednak je broju protona u jezgri. Dakle, ako kemijski element kisik odgovara serijskom broju 8, tada će i broj protona biti jednak osam. Budući da je broj protona i elektrona u atomu isti, bit će i osam elektrona.
Broj neutrona naziva se izotopskim brojem i označava se slovom N. Njihov broj može varirati u atomu istog kemijskog elementa.
Zbroj protona i elektrona u jezgri naziva se masenim brojem atoma i označava se slovom A. Dakle, formula za izračunavanje masenog broja izgleda ovako: A=Z+N.
Izotopi
U slučaju kada elementi imaju jednak broj protona i elektrona, ali različit broj neutrona, nazivaju se izotopi kemijskog elementa. Može postojati jedan ili više izotopa. Smješteni su u istu ćeliju periodnog sustava.
Izotopi su od velike važnosti u kemiji i fizici. Primjerice, izotop vodika - deuterij - u kombinaciji s kisikom daje potpuno novu tvar, koja se zove teška voda. Ima drugačiju točku vrenja i smrzavanja nego inače. A kombinacija deuterija s drugim izotopom vodika - tricijem dovodi do reakcije termonuklearne fuzije i može se koristiti za stvaranje ogromne količine energije.
Masa jezgre i subatomskih čestica
Veličine i mase atoma i subatomskih čestica zanemarive su u ljudskim konceptima. Veličina jezgri je približno 10-12cm. Masa atomske jezgre se u fizici mjeri u takozvanim jedinicama atomske mase - amu
Za jednu amu uzeti jednu dvanaestinu mase atoma ugljika. Koristeći uobičajene mjerne jedinice (kilogrami i grami), masa se može izraziti na sljedeći način: 1 a.m.u.=1, 660540 10-24g. Izraženo na ovaj način, naziva se apsolutna atomska masa.
Unatoč činjenici da je atomska jezgra najmasivnija komponenta atoma, njezine su dimenzije u odnosu na elektronski oblak koji ga okružuje izuzetno male.
Nuklearne snage
Atomske jezgre su izuzetno stabilne. To znači da se protone i neutrone u jezgri drže neke sile. Nijemogu postojati elektromagnetske sile, budući da su protoni slično nabijene čestice, a poznato je da se čestice s istim nabojem međusobno odbijaju. Gravitacijske sile su preslabe da drže nukleone zajedno. Stoga se čestice u jezgri drže drugačijem interakcijom - nuklearnim silama.
Nuklearna interakcija smatra se najjačom od svih postojećih u prirodi. Stoga se ova vrsta interakcije između elemenata atomske jezgre naziva jakom. Prisutan je u mnogim elementarnim česticama, kao i u elektromagnetskim silama.
Obilježja nuklearnih sila
- Kratka akcija. Nuklearne sile, za razliku od elektromagnetskih sila, manifestiraju se samo na vrlo malim udaljenostima usporedivim s veličinom jezgre.
- Neovisnost punjenja. Ova osobina se očituje u činjenici da nuklearne sile djeluju jednako na protone i neutrone.
- Zasićenje. Nukleoni jezgre komuniciraju samo s određenim brojem drugih nukleona.
Core Binding Energy
Još jedna stvar je usko povezana s konceptom snažne interakcije - energija vezanja jezgri. Energija nuklearnog vezanja je količina energije potrebna da se atomska jezgra podijeli na nukleone koji su joj sastavni. Jednaka je energiji potrebnoj da se od pojedinačnih čestica formira jezgra.
Da bi se izračunala energija vezanja jezgre, potrebno je znati masu subatomskih čestica. Proračuni pokazuju da je masa jezgre uvijek manja od zbroja nukleona koji ju čine. Defekt mase je razlika izmeđumasa jezgre i zbroj njezinih protona i elektrona. Koristeći Einsteinovu formulu o odnosu između mase i energije (E=mc2), možete izračunati energiju generiranu tijekom formiranja jezgre.
Snaga energije vezivanja jezgre može se procijeniti na sljedećem primjeru: stvaranje nekoliko grama helija proizvodi onoliko energije koliko i izgaranje nekoliko tona ugljena.
Nuklearne reakcije
Jezgre atoma mogu komunicirati s jezgrama drugih atoma. Takve interakcije nazivaju se nuklearne reakcije. Postoje dvije vrste reakcija.
- Reakcije fisije. Nastaju kada se teže jezgre razbiju na lakše kao rezultat interakcije.
- Reakcije sinteze. Proces je obrnut od fisije: jezgre se sudaraju, stvarajući tako teže elemente.
Sve nuklearne reakcije popraćene su oslobađanjem energije, koja se kasnije koristi u industriji, vojsci, energetici i tako dalje.
Upoznavajući sastav atomske jezgre, možemo izvući sljedeće zaključke.
- Atom se sastoji od jezgre koja sadrži protone i neutrone, te elektrone oko sebe.
- Maseni broj atoma jednak je zbroju nukleona njegove jezgre.
- Nukloni se drže zajedno snažnom silom.
- Ogromne sile koje drže atomsku jezgru stabilnom nazivaju se nuklearne energije vezanja.
